先进红外传感器对隐身飞机作用距离估算研究

何 苹，王莹莹，岳韶华

先进红外传感器对隐身飞机作用距离估算研究

何 苹1，王莹莹2，岳韶华2

（1. 西京学院 信息工程学院，陕西 西安 710123；2. 空军工程大学 防空反导学院，陕西 西安 710046）

为了有效地估算先进红外传感器对隐身飞机的作用距离，以F-22与F-35进行对抗性仿真为想定，计算了F-22在长波和中波波段的红外辐射强度，拟合了典型条件下大气透过率的经验公式，推测了F-35机载IRST和AIM-9X红外导引头的特征参数，利用逐步逼近法，计算了F-35机载IRST和AIM-9X导弹导引头对F-22的作用距离。计算结果表明，F-22具有较强的红外隐身能力，可使F-35的IRST对其迎头作用距离不大于62km，但是F-22在近距作战中，仍将受到红外格斗弹的较大威胁。鉴于F-22的红外辐射随红外传感器探测角度的变化而敏感性高的特点，建议飞机编队进行红外反隐身探测时，采用稀疏编队方式，以提高探测概率。

隐身飞机；作用距离；IRST；红外格斗弹；F-22；F-35

0 引言

随着红外探测技术的发展，世界上主要的第四代战机普遍采用红外隐身技术，以提高战场生存力。比如F-22采用了涂敷红外吸收涂层、二元喷管发动机、尾翼侧向遮挡等技战术措施，降低敌方红外传感器发现、跟踪、识别、攻击的距离和概率[1]。

正确估算先进红外传感器对隐身飞机的作用距离，是研究隐身飞机红外性能和对其进行探测预警的基础。红外传感器对隐身飞机作用距离的研究主要涉及飞机红外辐射、大气红外衰减、红外传感器等方面。国外研究以美国为代表，他们将数值仿真与试验测试手段相结合[2-5]，并且装备了F-22、F-117、B-2等多种具有红外隐身能力的飞机，取得了显著成就，但对相关成果严密封锁。国内在飞机红外辐射、大气红外衰减、红外传感器等方面也做了大量工作[6-10]，有力地推动了飞机红外隐身问题的研究，存在的主要问题：一是对于飞机红外辐射的计算方法尚无统一规范，且采用不同计算方法计算所得的数据差异较大，导致计算结果互不采纳。二是飞机红外隐身性能并不能单纯地用红外辐射强度来衡量，它还与探测飞机所使用的红外传感器密切相关。F-35机载的IRST（infrared search and tracking system）和AIM-9X红外导引头等红外系统代表了世界红外传感器的领先水平，国内对F-35的IRST、AIM-9X红外导引头等先进红外传感器基本战技性能研究较多，而对其传感器性能参数的深入研究稍显不足。

针对以上问题，以F-22为例，将F-22放在模拟的战场环境中，与F-35机载的先进红外传感器进行对抗性仿真研究，构建F-22在长波和中波波段的红外辐射模型，拟合典型条件下大气透过率的经验公式，并依据公开报道的资料和技术原理，推测F-35机载IRST和AIM-9X红外导引头的关键参数，定量研究典型条件下F-35的IRST和AIM-9X红外导引头对F-22的作用距离，并利用已掌握的数据，对研究结果进行初步校验。

1 红外传感器作用距离模型构建

将飞机视为点源目标。则红外传感器对飞机的作用距离（单位m）为[11]：

式中：为目标的红外辐射强度，W/sr；b为背景的红外辐射强度，W/sr；0为光学系统的透过率；0为光学系统入射口径，m；F为光学系统的F数，F＝/0，为光学系统焦距，m；为红外传感器瞬时视场角，sr；*为在红外传感器响应波长范围内的平均探测率，m×W－1×Hz－0.5；int为探测器积分时间，s；SNR为系统可分辨的极限信噪比；a为在红外传感器响应波长范围内的平均大气透过率。

a可表示为：

式中：、为拟合系数。

对于式(1)，等式两边取平方，得到：

由式(4)可知，红外传感器的作用距离主要与目标及背景的红外辐射特性、大气的红外辐射传输特性、红外传感器自身的性能有关。

采用逼近法求值。计算流程如图1所示。首先给定作用距离的期望值I0，由＝[ln＋ln(D)－2lnI0]/计算得到的值与I0比较，如果在要求的误差范围内，就得到所需的解，否则修改I0值，直至值在要求的误差范围内为止。

图1 逼近法求R流程图

2 F-22红外辐射计算

对于涡喷发动机，综合涡轮叶片材料的热极限和强度极限，进入涡轮的气体温度最大值限制在1173K左右。就目前的发动机而言，离开涡轮时的废气温度EGT（exhaust gas temperature）高达973K，只能短时间内存在，比如起飞时存在，在飞机长时间飞行中，能经受的EGT最大值为773～883K。

根据哈得逊经验公式，尾喷口外排出的废气温度，即发动机尾焰温度f为：

相比涡喷发动机，隐身飞机采用的涡扇发动机尾喷管、尾焰的温度要低些。仿真计算中，假设F-22涡扇发动机尾喷管可能的温度范围为508～828K，则对应尾焰可能的温度范围为432～704K[12-13]。

已知F-22机长18.92m，机高5.08m，翼展13.56m，机翼展弦比2.4[1]。估算得到飞机特征面积为140.1m2，侧视面积为45.6m2，前/后视面积为23.3m2。假定蒙皮光谱发射率可能的取值范围为0.1～0.5。发动机尾喷管后视面积为1.08m2，尾喷管顶/仰视面积为1.3m2，尾喷管光谱发射率取0.9。尾焰顶/仰/侧视面积为1m2，后视面积为0.2m2，尾焰光谱发射率取0.5。假设F-22飞行马赫数为0.9～2.0。

采用普朗克公式可求出F-22在给定波段内各辐射源的红外辐射亮度，根据各辐射源在不同方向上的辐射面积，可计算出各辐射源的红外辐射强度。为了得到飞机红外辐射强度方向图，设在机翼平面上，探测点和机体的连线与机体纵轴间的夹角为。则飞机在0°～360°方位上红外辐射强度1为：

通过仿真计算比较，当F-22飞行马赫数为1.6，蒙皮发射率为0.1，发动机尾喷管温度为588K，尾焰温度为500K时，在采用红外吸波涂料技术、二元喷管技术、遮挡技术等综合隐身措施后，可使前半球8～12mm波段红外特征降低约90%，下降比例如图2所示，与文献[14-15]报道的F-22的红外隐身能力基本吻合。

因此，在下面计算中，F-22蒙皮发射率取0.1，涡扇发动机尾喷管温度取588K，尾焰温度取500K。

长波探测时，当F-22马赫数为0.9～2.0时计算得到0°～360°方位上的红外辐射强度如图3所示。中波探测时，当F-22飞行马赫数为0.9和2.0，计算得到0°～360°方位上的红外辐射强度如图4所示。

由图3、图4可知：

1）长波探测时，F-22飞行马赫数越大，飞机的红外辐射强度越大；不同的探测角度下飞机的红外辐射差异较大；由于发动机的贡献，F-22后半球红外辐射强度大于前半球。

图2 F-22在8～12mm波段红外辐射下降比例图

2）中波探测时，由于发动机尾喷管、尾焰为主要的中波红外辐射源，蒙皮辐射与之相比、较为微弱，因此F-22后半球红外辐射强度远大于前半球。

图3 F-22在8～12mm波段红外辐射方向图

图4 F-22在3～5mm波段红外辐射方向图

3 大气透过率计算

依据作战想定研究，利用F-35机载IRST来探测F-22，可假定F-22飞行高度为12km；利用F-35机载AIM-9X与F-22进行对抗时，可假定F-22飞行高度为5km。由于F-35机载IRST工作波段为8～12mm，AIM-9X工作波段为3～5mm，因此，对飞机飞行高度为5km时中波段、12km时长波段的大气透过率曲线进行拟合。

3.1 高度12km的大气透过率曲线拟合

大气条件：中纬度春夏季，气溶胶模型为乡村消光系数，缺省气象视距为23km。利用红外大气传输软件的原始数据，飞机飞行高度为12km，8～12mm波段平均大气透过率拟合公式为：

拟合曲线如图5所示，拟合精度较高，最大相对误差为2.2%。

3.2 高度5km的大气透过率曲线拟合

大气条件：中纬度春夏季，气溶胶模型为乡村消光系数、缺省气象视距为23km。利用红外大气传输软件的原始数据，飞机飞行高度为5km，3～5mm波段平均大气透过率拟合公式为：

拟合曲线如图6所示。除个别样本点需剔除之外，拟合精度较高，最大相对误差为2.28%。

4 红外传感器作用距离计算

4.1 先进红外传感器参数推测

4.1.1 F-35机载IRST参数推测

采用8～12mm波段碲镉汞探测器，像元数为1k×1k元，探测器辐射探测率波段平均值为7×108m×W-1×Hz-1/2；取瞬时视场角1°×1°；光学系统焦距为1.173m，取系统F数为3，则系统入射口径为0.391m；设光学玻璃数为3，则光学系统透过率为0.86；为了保证IRST系统95%的探测概率，信噪比取5；积分时间取0.5ms[11,16-17]。

图6 大气透过率拟合曲线

4.1.2 AIM-9X导引头参数推测

采用3～5mm波段碲镉汞探测器，像元数为128×128元；探测器辐射探测率波段平均值取为3×109m×W-1×Hz-1/2；导引头瞬时视场角为3°×3°；光学系统焦距为0.132m，取系统F数为3，则系统入射口径为0.044m；光学系统透过率为0.73；信噪比取5；积分时间取1ms[10-11,18]。

4.2 F-35机载IRST对F-22作用距离计算

当F-22飞行马赫数为0.9～2.0时，F-35的IRST对F-22的作用距离如图7所示。

图7 F-35机载IRST对F-22作用距离

根据图7可得到，随着F-22飞行的马赫数不同，在迎头和尾后两个探测方向上，F-35的IRST对F-22的作用距离如表1所示。

表1 F-35机载IRST对F22的作用距离

由图7和表1可知：

1）当F-22飞行马赫数为0.9～2.0时，F-35的IRST对F-22迎头的作用距离≤62km，据报道，先进IRST对三代机迎头探测距离为185km[12,14]。IRST探测时，由于迎头探测为主要作战方向，因此，F-22的红外隐身效果显著。

2）F-22飞行马赫数为0.9～2.0时，F-35的IRST对F-22尾后的作用距离≥129km。尾后探测时，虽然飞机主要红外辐射源的红外辐射面积比侧视和仰视时要小，但由于发动机的贡献，飞机的红外辐射仍很大，因此F-35的IRST对F-22尾后作用距离较大。

3）从IRST的角度看，以F-22飞行马赫数为1.6为例，在方位平面上迎头方向±30°范围内，F-35机载IRST对F-22的作用距离为44.3～69.3km，IRST探测角度的变化对传感器作用距离的影响敏感度较高。因此，在飞机编队进行红外反隐身作战中，编队之间应保持一定的距离差和高度差，采用稀疏编队方式，从而有利于提高编队利用红外传感器发现敌隐身飞机的概率。

4.3 AIM-9X对F-22作用距离计算

AIM-9X导引头在3～5mm波段探测F-22时，假设F-22飞行马赫数为0.9和2.0，计算得到导引头的作用距离如图8所示。

图8 AIM-9X导引头的作用距离

由图8可知，当F-22的飞行马赫数为0.9～2.0时，AIM-9X的导引头对F-22前半球作用距离均小于20km，而后半球的作用距离在18～42km范围内。由于红外格斗弹攻击时，尾后攻击为主要作战方向，因此，F-22在近距作战中，相比三代机并不具备明显优势，进入近距作战的AIM-9X红外导弹对F-22的威胁较大。

5 结束语

依据公开资料和技术原理，研究了F-22的红外辐射特性，依据大气红外传输软件，拟合了典型条件下的大气透过率经验公式，外推了F-35的IRST和AIM-9X红外导引头的特性参数，计算了F-35的IRST和AIM-9X红外导引头对F-22的作用距离。研究结果对于飞机红外隐身设计与效能评估，以及红外隐身反隐身作战方案制订具有一定理论参考。为提升研究结果的合理性和有效性，可结合高精度飞行器红外特征软件、大气红外传输软件、红外传感器数据库，以及外场它机飞行试验，对本文研究方法和计算模型进行校验和修改完善。

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Operating Range of the Advanced Infrared Detector for the Stealth Aircraft

HE Ping1，WANG Yingying2，YUE Shaohua2

(1.,,710123,;2.,,710046,)

To compute the operating range of the advanced infrared detector for the stealth aircraft, the combat simulation scenario of F-22 and F-35 is given in the paper. In the scenario, the infrared radiation intensity of F-22 is computed in middle wave-band and long wave-band, the fitting formula of the atmospheric transmittance is given under typical conditions, the characteristic parameters of the F-35 airborne IRST and AIM-9X infrared seeker are inferred and the operating ranges of F-35 airborne IRST and AIM-9X infrared seeker for F-22 are computed with the gradually approaching method. The computation shows that F-22 has good stealth capability and the operating ranges of F-35 airborne IRST is less than 62km from the nose of F-22 while the infrared dog-fight missiles threat F-22 in short range strikes. The infrared radiation of F-22 is sensitive to the detection angle of the infrared sensors, thus in the aircraft fleet anti-stealth infrared detection, sparse formation is adopted to increase the detection probability.

stealth aircraft, operating range, infrared search and tracking system(IRST), infrared dog-fight missile, F-22, F-35

TN219

A

1001-8891(2020)06-0899-06

2019-07-23；

2019-08-19.

何苹（1982-），男，副教授，博士，主要研究武器装备军民融合发展。E-mail：47619870@qq.com。

中国博士后科学基金面上资助项目（2013M532222）。