舰艇红外隐身技术的探讨*

2012-09-02周军龙吕相银周元璞

现代防御技术 2012年6期

周军龙，吕相银，周元璞

(电子工程学院安徽省红外与低温等离子体重点实验室，安徽合肥 230037)

0 引言

随着红外探测技术和红外制导系统的迅速发展，水面舰艇面临着越来越严重的红外威胁。由于排热量大，海上背景环境相对较冷且一致性较好，水面舰艇的红外特征很容易被探测与识别，再加上红外制导导弹只要接收一定强度的热辐射信号就能有效命中目标，红外辐射特征已成为水面舰艇防御中的一个突出问题。现代军事技术已经达到了“目标只要被发现，就能被命中;只要被命中，就能被摧毁”的水平。因此，设法降低水面舰艇红外特征已引起各国海军的高度重视，成为提高水面舰艇生存能力的主要措施之一。

1 舰艇的红外辐射源

处于海洋环境中的舰艇无时无刻不在产生着红外辐射。按照产生来源的不同，舰艇红外辐射可分为内生红外辐射和外生红外辐射。

1.1 内生红外辐射源

舰艇内生红外辐射源的热量主要来自发动机和其他动力设备的散热、发动机的排放、通风设备的排气及舰艇内部舱室的热损耗等。其中属烟囱管壁和排气烟羽的红外辐射最烈，是不可忽视的红外辐射源。烟囱管壁的可见金属面积一般在2～5 m2，温度一般在400～500℃，温度高，所处位置也高，是舰艇最强的内生红外辐射源，最容易被敌方红外探测器发现。发动机排气烟羽与烟囱管壁的温度相当，由它产生的红外辐射同样强烈。另外，排气烟羽后面的桅杆、排气烟道附近表面的暖流区域、围阱和机舱区、主推进系统的热终端部件等也会不同程度地产生红外辐射。

1.2 外生红外辐射源

舰艇的外生红外辐射源于舰艇表面对外部环境辐射的吸收和反射，比如太阳、天空、海面、大气等，且属太阳的影响最为关键。当烟囱管壁和排气烟羽等小范围高强度的红外辐射源被有效控制后，舰艇红外辐射就来源于舰体表面的热辐射，包括船体、甲板和上层建筑。通常，舰艇表面的温度比烟囱管壁和排气烟羽的温度低得多，与所处背景的温差小，但它的有效辐射面积大，仍会产生明显的红外辐射特征，在太阳加热条件良好的情况下尤其如此，极易成为红外制导武器攻击的目标。

图1所示为加拿大Davis公司用NTCS软件计算出的某护卫舰艇体不同表面与环境的温差随太阳高度的变化情况。可见，当太阳逐渐升起时，舰艇表面与环境的温差迅速增大，10°的太阳高度角将引起10℃温差，舰艇甲板的温度变化尤为剧烈，即使在冬天也是如此。因此，舰艇表面也是舰艇重要的红外辐射源之一［1］。

图1 舰艇表面与环境的温差随太阳高度的变化Fig.1 Temperature differences between surface of naval vessels and environment varies with altitude of the sun

2 舰艇和背景辐射的理论分析

水面目标和背景的辐射由2部分构成:自身的辐射和反射环境的辐射。具体到舰艇而言，其表现的辐射亮度应该为自身的直接辐射亮度与反射环境辐射亮度之和［2］:

式中:εr为舰艇发射率;ρr为舰艇反射率;Lbo为与舰艇等温度的黑体辐射亮度，下标b代表黑体;Le为环境辐射亮度。

由电磁辐射传播规律可知，当电磁辐射传播到物体表面时，将发生反射、吸收和透射，满足

式中:ρ，α，τ分别为反射率、吸收率、透过率。不透明的物体，可以忽略透过率，有

由基尔霍夫定律，物体的方向光谱发射率等于方向光谱吸收率，即α=ε，式(3)变为

于是，式(1)变为

对于舰艇，式(5)中环境辐射亮度来自于2个方面:天空背景的辐射和水面背景的辐射，空中的探测器探测舰艇时，其接收舰艇反射环境的辐射情况为上表面反射来自天空的辐射，侧面反射来自水面背景的辐射。对于镜面来说，光的反射服从菲湦尔定律;对于漫射表面，反射服从朗伯定律。对于绝大部分目标来说，其表面介于两者之间，反射具有一定的方向性，方向强弱取决于目标表面的粗糙度。晴朗天空背景的红外辐射在3 μm以下为散射的太阳光线，在3 μm以上是热辐射，其热辐射主要是由8～14 μm波段大气窗口两侧吸收带引起的，天空的辐射亮度与大气温度和视线仰角有关。

黑体辐射能量可由普朗克公式计算选出。黑体的总辐射出射度为［3］

式中:σ为斯忒藩-玻耳兹曼常数，σ=5.670 32×10-8W·m2·K-4;T为物体的绝对温度。

黑体在波段λ1～λ2内的辐射出射度为

式中:Mbλ为黑体的光谱辐射出射度;

式中:λm为峰值波长，b=(2 897.8 ±0.4)μm·K。黑体光谱辐射出射度峰值对应的波长由维恩位移定律确定。

设某一水面目标温度为T=300 K，为灰体，发射率为0.8，由式(6)～(8)经过计算可知，辐射的峰值波长约为9.6 μm，该目标的总辐射出射度约为367 W/m2，在8～14 μm波段的辐射出射度为175 W/m2，由上式可以看出常温物体的红外辐射在大气窗口占有相当大的比例，现在反舰导弹的红外成像导引头多工作在这一波段。研究抑制舰艇在这一波段的红外辐射具有重要的现实意义。

同舰艇表观辐射亮度类似，可以得出背景的表观辐射亮度。

式中:εB为背景的发射率;LB为与背景等温度的黑体辐射亮度。

对于水面背景，式(7)中的环境辐射亮度是来自天空的辐射，式(9)可以改写为

式中:LA为天空辐射亮度。

3 舰艇红外隐身的相关要求

水面目标与背景辐射的对比度是探测系统从背景中发现水面目标的基础。水面目标与背景的绝对辐射对比度定义为［4］

对于目标上表面情况，式(5)中 Le=LA，式(5)，(10)代入式(11)，可得:

实现隐身的最终目标是水面目标与环境的绝对反差CA为0，于是可以得到进行隐身所需的目标发射率:

从式(11)中可以看出，水面目标上表面隐身所需发射率由4个因素决定:目标的温度、背景的温度、背景的发射率和环境的辐射亮度。根据式(13)，可以计算出达到目标隐身所需发射率与目标背景之间的关系。目标与背景温差越大，所需目标发射率越低。采取措施降低水面舰艇的温度，从而在不降低水面舰艇发射率的情况下达到隐身的效果。

对于水面目标侧面情况，水面目标反射的辐射是水面背景的辐射，此时有:

于是，目标与背景的绝对反差:

由式(15)可以看出，对于目标侧面，若要绝对反差为0，目标本身发射率就要为0，这时目标侧面是镜面，完全反射水面背景的辐射，这就意味着光滑的表面可以更好地使目标隐藏于背景之中。式(15)指明了降低水面舰艇与背景绝对反差的方法:一是降低水面舰艇侧面的发射率，使之尽量光滑;二是降低Lbo，即降低水面舰艇表面的温度，水面舰艇的温度低到一定程度时，可以造成水面舰艇与背景绝对反差为0。

从以上分析可知，水面目标辐射红外能量不仅决定于水面目标的温度，还决定于水面目标的发射率。温度相同的物体，由于发射率的不同，而在红外探测器上显示出不同的红外图像。鉴于舰艇的辐射都强于背景，所以采用低发射率的涂料可显著降低舰艇的红外辐射能量。另一方面，为降低舰艇表面的温度，热红外伪装涂料在可见光和近红外还具有较低的太阳能吸收率和一定的隔热能力，以使舰艇表面的温度尽可能接近背景的温度，从而降低舰艇和背景的辐射对比度，减小舰艇的被探测概率［5］。

4 舰艇的红外隐身技术措施

舰艇隐身并不是要求实现目标的“不可视”，而是要抑制舰艇的红外辐射，降低舰艇的被探测系数，并尽量减少电子信号特征，其目的就是降低舰体特别是其热点的温度，使其接近于周围环境的温度，从而使红外探测系统难以发现目标而达到隐身［6］。

目前，舰艇的红外隐身技术包括3方面内容:①改变舰艇的红外辐射特性，即改变舰艇表面各处的辐射率分布;②降低舰艇的红外辐射强度，即通常所说的热抑制技术;③调节红外辐射的传播途径(包括光谱转换技术)［7］。

4.1 改变舰艇的红外辐射特性

主要有以下几项技术:

(1)改变红外辐射波段

改变红外辐射波段，一是使舰艇的红外辐射波段处于红外探测器的响应波段之外;二是使舰艇的红外辐射避开大气窗口而在大气层中被吸收和散射掉。

(2)模拟背景的红外辐射特征技术

模拟背景红外辐射特征是通过改变舰艇的红外辐射分布状态，使舰艇与背景的红外辐射分布状态相协调，从而使舰艇的红外图像成为整个背景红外辐射图像的部分，使敌方难以识别。

(3)调节红外辐射的传输过程

通常采用在结构上改变红外辐射的辐射方向技术。结构上改变红外辐射特性的方法有很多，目前也在研究探索中。如避免舰艇红外热源的集中;设计穿浪舰首的崭新船体;改变上层建筑特别是烟囱的形状;降低主机排气口距水面的高度等;尽量将装备内置，尽量减少外露设备像武器系统、救生艇、电子设备等等原来舰上外置的东西，只要能内置的就绝不外露。

(4)红外隐身涂料

利用低发射率的热红外隐身涂料涂敷在机舱等机器处所的船体板上，加强隔热和绝热效果，以达到降低其远红外波段辐射的目的。

(5)红外隐身材料

在船体上广泛选取复合红外隐身材料，其隐身功能由红外低发射率、高漫反射率、低比重的铝粉作填料及低发射率的钛酸丁酯为粘接剂的复合涂层提供。如英国的“海幽灵”护卫舰舰体上广泛采用复合材料，以降低舰艇的红外信号特征。

4.2 降低舰艇的红外辐射强度

降低舰艇的红外辐射强度也就是降低舰艇与背景环境因素的热对比度，使敌方红外探测器接收不到足够的能量，减少舰艇被发现、识别和跟踪的概率。它主要是通过降低辐射体的温度和采用有效的涂料来降低舰艇的辐射功率。其原理主要包括减热、隔热、吸热、散热和降热等等。

具体可采用以下几项技术手段:

(1)减少舰艇散热源

尽量减少散热源，采用散热量小的设计和部件，采用闭环轻型冷却系统，改善气动力特性，减少气动力摩擦。

(2)热屏蔽技术

采用热屏蔽技术，以隔阻舰艇内部发出的热量，使之难以外传。一是在整机布局上考虑热屏蔽手段，以求降低舰艇的红外辐射强度;二是对喷管等重要部位进行红外遮挡。

(3)喷涂涂料

在舰体表面涂敷降低红外辐射的绝热涂料，减弱对太阳能的吸收和辐射，从而降低舰体表面的温度，达到降低辐射功率的目的。

(4)空气对流散热技术

空气的辐射集中在大气窗口以外的波段上，是一种能对红外辐射进行自遮蔽的散热器。所以红外探测系统只能探测热目标，而不能探测热空气。空气对流散热技术充分利用空气的这一特性，将热能从舰艇表面或涂层表面传给周围空气。

(5)热废气冷却技术

舰艇所排放的热废气也是舰艇主要的红外辐射源，为了降低其红外辐射强度，主要有2种方法:①将废气通过排气管中注入海水使之冷却到60～80℃后，在船尾稍高于水线的部位排放;②改变烟囱设计，使废气从烟囱中排放出来之前，经过冷空气或者冷水的冷却，从而降低其废气的红外特征信号。

(6)喷淋水雾系统

1)喷淋系统

喷淋系统主要借助海水对舰艇表面的过热区域进行冷却。这可以使舰艇在各种大气环境下大大降低红外特性，理想情况下，喷淋系统能够将整条船表面与周围环境之间，以及船体各表面之间的温差降低到5℃。

2)喷雾系统

水雾对红外辐射的衰减主要是由于水雾对红外辐射的吸收和散射作用。水雾对红外辐射具有选择性吸收作用，水分子在 3.17，4.63，4.81，11.80 μm等波长处具有很强的吸收作用。水雾粒子的半径大部分在0.5～5.0 μm之间，与红外辐射的波长差不多，因此水雾对红外辐射会产生米氏散射。如英国的“海魂”号就装备了独特的喷雾系统，需要时可在几秒种内产生细水雾，将全舰罩起来，大大降低红外辐射［8］。