无人机红外辐射特性测量方法

吕晓林

(中国人民解放军92419部队，辽宁125106)

1 引言

无人机飞行时红外辐射特性测量受多方面因素影响，测量误差大，难以满足试验要求。通过采用室内红外热像仪标定、室外红外热成像进行目标红外辐射特性反演以及大气传输修正，得到了无人机自身红外辐射特性。

2 测量方法[1]

依托红外成像测量分析系统，采用红外成像法测量无人机红外辐射特性。测量过程包括无人机红外图像采集、红外热像仪标定、红外辐射特性计算和大气传输修正。

根据无人机尺寸、布站情况、飞行航线等对红外热像仪设置合理的视场和积分时间，由伺服转台稳定跟踪无人机，对无人机进行红外成像。

红外热像仪标定是利用红外热像仪对不同温度黑体进行成像，得到红外热像仪输出信号幅值与黑体温度、辐射亮度的对应关系。

依据标定结果，将无人机测量像素的电平值转换为辐射亮度、温度等红外辐射特性，无人机所有像素点综合即可得到无人机的红外辐射特性。

考虑红外辐射受大气传输影响，对测量结果进行修正，获得无人机辐射特性。

2.1 红外热像仪标定

在利用红外热像仪测量目标辐射特性之前，需要先对红外热像仪进行辐射定标，以确定其辐射响应度。

红外热像仪辐射定标模型如下

式中：G——红外热像仪输出值；K——待标定的红外热像仪辐射亮度响应度；N——黑体在红外热像仪测量波段内的辐射亮度；B——由红外热像仪自身光机结构热辐射、散射背景辐射以及探测器暗电流引起的偏移值。

2.2 辐射测量模型

在大气中测量目标辐射特性时，大气中的分子和气溶胶粒子对目标辐射产生吸收和散射衰减，同时大气自身辐射又叠加到目标辐射上。大气中的目标辐射测量模型为

式中：G——红外热像仪输出值；K——待标定的红外热像仪辐射亮度响应度；B——由红外热像仪自身光机结构热辐射、散射背景辐射以及探测器暗电流引起的偏移值；a——目标与红外相机之间的大气透过率；Nt——被测目标辐射亮度；Npath——目标与相机之间的大气程辐射，一般可利用大气观测设备测量大气参数，然后用大气辐射传输计算软件计算a和Npath。

由公式(2)可反演得到目标辐射亮度

由公式(3)可知，目标辐射亮度的反演精度取决于系统输出值、偏移值、辐射亮度响应度以及大气透过率和程辐射的不确定度，分析如下：

(1)在当前红外成像技术水平下，红外热像仪输出值的不确定度一般优于1%；

(2)辐射亮度响应度的不确定度一般可控制在5% ～10%；

(3)偏移值的不确定度取决于红外热像仪自身热稳定性以及环境温度稳定性，如果在20℃常温下进行定标，则±1℃的环境温度稳定性带来的不确定度约为2%；

(4)大气透过率和程辐射的不确定度取决于大气参数的测量精度以及大气辐射传输计算软件的计算精度，一般为10% ～20%。

3 测量情况[2～5]

无人机进行两个架次飞行，每个架次分别以160m/s及190m/s速度进行两次进入，每次进入进行一次测量。飞行航线如图1、图2所示。

红外热像仪布设在无人机飞行航路附近的岛屿上，红外热像仪光轴与无人机飞行方向呈一定夹角。红外热像仪工作波长为(3.7～4.8)μm。红外热像仪采用3600μs积分时间档。

图1 飞行航线1Fig.1 Flight line 1

图2 飞行航线2Fig.2 Flight line 2

测量数据选取原则：

(1)为保证红外热像仪响应在线性区域，选取连续多帧不饱和测量数据，进行红外辐射特性反演；

(2)不选用无人机初始进入视场时捕获不稳定的测量数据；

(3)不选用无人机没有相应时刻GPS信息的测量数据。

3.1 红外热像仪标定

红外热像仪经过标准黑体定标源标定后，拟合得到输出信号幅值G(量化值)与黑体辐射亮度N(单位：W·m-2·sr-1)相对应的一次线性函数曲线

根据标定数据，按照不同积分时间档位生成相应的标定曲线和标定系数。红外热像仪3600μs积分时间档位的标定系数为：K=1395.4，B=3172.6。其标定曲线如图3所示。

3.2 大气透过率估算

用FasCode软件对两个飞行架次的大气透过率进行了估算，如表1所示。

表1 大气透过率估算Tab.1 Estimation of atmosphere transmittance

图3 3600μs积分档位标定曲线Fig.3 3600μs Integral line

3.3 测量情况

第一个飞行架次的天气条件为：温度4.0℃，湿度59%，能见度27km。第一个航路进入时，无人机红外辐射强度如图4。第二个航路进入时，无人机红外辐射强度见图5。

图5 无人机第二个航路红外辐射强度Fig.5 Infrared radiation intensity of the second line

第二个飞行架次天气条件为：温度-2.1℃，湿度41%，能见度30km。第一个航路进入时，无人机红外辐射强度见图6；第二个航路进入时，无人机红外辐射强度见图7。

3.4 测量结果

图6 无人机第一个航路红外辐射强度Fig.6 Infrared radiation intensity of the first line

图7 无人机第二个航路红外辐射强度Fig.7 Infrared radiation intensity of the second line

第一个飞行架次，无人机第一个航路进入时红外辐射强度在(1.16～14.8)W/sr之间，均值为5.3 W/sr；无人机第二个航路进入时红外辐射强度在(2.1～11.1)W/sr之间，均值为 7.4W/sr。

第二个飞行架次，无人机第一个航路进入时红外辐射强度在(1.34～18.3)W/sr之间，均值为8.9 W/sr；无人机第二个航路进入时红外辐射强度在(5.27～23.88)W/sr之间，均值为 10.9W/sr。

3.5 结论

(1)测量结果与实际情况一致(无人机红外辐射强度设计值为10W/sr)；

(2)无人机第一个航路进入时(速度190m/s)红外辐射强度大于第二个航路进入时(速度160m/s)红外辐射强度，说明无人机速度越快，发动机推力越大，发动机尾喷口温度就越高；同时速度越快，蒙皮与空气摩擦越剧烈，蒙皮温度越高，导致其红外辐射强度越强。

4 结束语

无人机红外辐射特性测量采用内场标定和外场试验相结合的方式，对选取数据进行了处理，给出了无人机辐射强度在选取航段上的分布情况。测量结果与实际情况一致，试验结论与理论分析吻合，测量方法有效，测量结果置信度高。