装甲车辆红外特征探测性分析

2023-03-27赵耀郑海文刘志同张振友

科学技术与工程 2023年5期

赵耀，郑海文*，刘志同，张振友

(1.陆军炮兵防空兵学院郑州校区，郑州 450052； 2.中国人民解放军95816部队，武汉 432200)

装甲车辆是陆军地面作战的主要突击力量，俄乌冲突等局部战争表明，装甲车辆较强的红外辐射特征容易被红外反坦克武器发现和识别，进而成为被打击的目标，其战场生存能力面临巨大挑战，因此亟须对装甲车辆的红外辐射特性进行研究。由于发射率是控制表面热特征的关键参数，对目标的隐身起到了重要作用。因此大量相关学者进行了相关研究。王刚[1]利用Fluent软件建立了飞机蒙皮表面和内部的传热模型，在考虑环境及表面发射率等因素的基础上，采用OpenGL模拟得到了飞机的红外图像。牛春洋[2]在建立了车辆温度场的基础上计算了目标红外辐射特性，为了使仿真结果更为精确，搭建了发射率测试平台，对车辆表面的发射率进行了测量。李俊山等[3]研究了在水泥和土壤背景下特种车辆表面处于不同发射率时为了达到隐身所需要控制的温度。余慧娟等[4]为了控制车辆的红外辐射特征，降低被打击的概率，提出了低发射率晶体装置，最后通过对研制的样件进行试验来验证红外抑制效果。李叶[5]为了降低目标红外辐射特性，对低发射率的隐身橡胶涂层材料的制备及性能进行了研究。赵晓枫等[6-7]为了对特种车辆红外伪装效果进行分析，利用改进算法对目标红外图像进行探测识别，能够较为精确地评估目标的伪装效果。孙建平等[8]为了完成在复杂背景环境中对空中目标红外特征的精确识别，分析了不同因素对飞行器蒙皮表面红外辐射特性的影响规律，为下一步提高红外制导武器探测能力发展提供了理论参考。白文可[9]为了对红外辐射的探测特性进行研究，利用搜集的实测数据集建立了双向反射率模型，在此基础上进行了外场试验，将试验结果与仿真计算结果进行了对比，验证了模型的精度。刘亦舒[10]以复杂环境背景下的典型空中目标为研究对象，基于红外探测机理提出了目标红外图像处理技术，最终实现了对目标的探测识别。但上述的研究没有分析在发射率较低的情况下在各主要红外波段对探测的影响，也没有充分考虑目标反射的背景辐射，同时也没有确定目标与背景温差与探测距离和探测概率的关系。

现以某型装甲车辆为研究对象，在充分考虑目标反射的背景辐射的情况下，首先建立红外探测器表观温差计算模型，搭建试验测试系统。然后利用MATLAB建立一个图形用户界面，仿真得到各主要辐射波段的表观温差。最后建立基于对比度的隐身效率评估模型，对比分析降低温差和降低发射率两种隐身措施的优劣。以期能够为装甲车辆红外目标特性的研究提供理论参考。

1 表观温差数值计算模型的建立和验证

1.1 表观温差数值计算模型的建立

根据普朗克公式,黑体光谱辐射出射度计算公式为

(1)

式(1)中：λ为波长；c1为第一辐射常数；c2为第二辐射常数；T为目标温度。实际物体的光谱辐射出射度计算公式为

(2)

式(2)中：ε为半球光谱发射率。

红外探测器所接收到的装甲车辆辐射包含车辆自身辐射和对周围环境辐射的反射，这些辐射经大气衰减和辐射，到达探测器，装甲车辆辐射Mtot的计算公式为

Mtot=ετMbλ+(1-ε)τMamb+(1-τ)Matm

(3)

式(3)可以被写为

(4)

可以得到表观目标温度Tobj和表观环境温度Tamb的计算公式为

(5)

(6)

表观温差ΔT的计算公式为

ΔT=Tobj-Tamb

(7)

1.2 试验验证

为了验证红外热像仪表观温差计算模型的准确性，搭建了试验测试系统，测试场布置如图1所示。

图1 测试场布置图Fig.1 Test field layout diagram

探测目标为装甲车辆，环境背景为土砂路，选取装甲车辆动力舱的红外特性为目标红外特性，选取相邻路面作为背景。测试时红外探测仪和目标的垂直距离为13.5 m，水平距离为31.5 m，直线距离为34.3 m，红外探测仪采用FLIR A65型红外热像仪，该热像仪包括专用试验台架，广泛应用于工业领域的研发，该仪器的主要技术参数如表1所示。

表1 FLIR A65型红外热像仪参数Table 1 FLIR A65 infrared thermal imager parameters

表观温差数值计算模型试验验证结果如图2所示。可以看出，动力舱温度最大值为45.9 ℃，路面的温度为21.5 ℃，表观温差为24.4 ℃，按照模型的计算结果为26.8 ℃，相对误差为10.71%，符合工程的要求，说明表观温差数值计算模型精度较高。

图2 表观温差数值计算模型试验验证结果Fig.2 Model test results of apparent temperature difference numerical calculation

2 发射率对目标探测的影响

在MATLAB中编制了程序，利用该程序，计算了在给定目标和背景真实温差的情况下，计算目标发射率对红外探测系统表观温差的影响。图3为目标发射率对中红外辐射波段的表观温差的影响。可以看出，随着目标发射率从1降低到0.35，各个真实温差在探测仪上显示的表观温差都出现了降低，当发射率降低到0.35时，真实温差为9、8、7、6、5 K时，表观温差分别降低了16.07%、18.01%、19.04%、23.83%、52.44%。这说明在中红外辐射波段，目标和背景真实温差越小，发射率对表观温差的影响就越明显。

图3 目标发射率对中红外辐射波段的表观温差的影响Fig.3 Effect of target emissivity on apparent temperature difference in mid-infrared radiation band

图4为目标发射率在远红外辐射波段对表观温差的影响。可以看出，随着目标发射率从1减少到0.35，真实温差9、8、7、6、5 K在探测仪上显示的表观温差分别为6.34、4.59、2.66、0.73、-1.42 K。可以发现，当目标和背景真实温差为5 K时，随着发射率的降低，甚至出现了负表观温差的情况。这说明，在远红外辐射波段，如果目标和背景的真实温差较低，则发射率过低，甚至低到一定值时，会导致负表观温差的情况。

图4 目标发射率在远红外辐射波段对表观温差的影响Fig.4 Effect of target emissivity on apparent temperature difference in far-infrared radiation band

红外制导武器发现装甲目标的距离关系着装甲目标的战场生存能力，对同样的装甲目标，探测距离越长，说明目标越容易被发现并打击，探测距离越短，则说明目标的隐身性能较好。红外探测器距离探测性能存在着许多计算模型，采用NVTHERM模型建立了探测距离计算模型，探测距离R的计算公式为

(8)

式(8)中：C为对比度；IB为背景红外辐射强度；τ0为光学系统透过率；D0为系统通光孔直径；D*为探测器归一化探测率；F为焦比；SNR为系统信噪比；ω为瞬时视场角；Δf为等效噪声带宽。

利用探测距离计算模型模拟了目标发射率在中红外辐射波段对探测距离R的影响，如图5所示。可知，随着目标发射率从1降低到0.35，真实温差9、8、7、6、5 K在探测仪上的探测距离分别从6.344 67、5.994 3、5.700 7、5.361 7、5.022 57降到了6.028 14、5.530 94、5.259 74、4.751 17、3.497，降幅分别为4.99%、7.73%、7.74%、11.39%、30.37%。可以看出，在中红外辐射波段，发射率在真实温差越小的情况对探测距离影响比较显著。

图5 目标发射率在中红外辐射波段对探测距离的影响Fig.5 The influence of target emissivity on detection range in mid-infrared radiation band

利用探测距离计算模型模拟了目标发射率在远红外辐射波段对探测距离的影响，如图6所示。从图中可知，随着目标发射率从1降低到0.35，真实温差9、8、7、6、5 K在探测仪上的探测距离分别从6.427 9、6.125 05、5.766 13、5.351 01、5.059 37降到了6.041 99、5.537 26、5.212 03、4.123 86、3.529 45，降幅分别为6.00%、9.60%、9.61%、22.93%、30.24%。其中需要注意的是：在真实温差为5 K且发射率为0.472时，3.285 62 km为最小探测距离，当发射率继续降低时，探测距离的变化趋势跟其他温差不同，开始出现了上升的趋势，这说明在远红外波段，并不是发射率越低探测距离就越低，如果目标和背景的真实温差较低，则发射率低到一定值时，不仅会造成表观温差为负值，甚至会导致目标更长的被探测范围。

图6 目标发射率在远红外辐射波段对探测距离的影响Fig.6 The influence of target emissivity on detection range in far-infrared radiation band

3 目标隐身效果评估

红外制导武器对目标的发现和识别主要依据目标与背景的对比特性及其成像特征来实现。目标的隐身效果评价涉及两个要素：探测距离和探测概率。因此，装甲车辆目标隐身效率的评价首先要确定温差与探测距离和探测概率的关系。

3.1 相同探测距离下探测概率与温差的关系

作用距离是红外制导武器的一个重要的综合性能指标，它主要取决于红外导引头成像系统的性能，是系统探测的信噪比为某一定值时的最大探测距离[11]。

对于装甲车辆目标来说，红外制导反坦克导弹大多采用面源目标探测方式，红外探测仪以图像探测方式进行工作，用于探测目标的信号强度由接收到的目标与背景之间的辐射度差ΔI决定，其计算公式为

ΔI=τ(Iobj-IB)

(9)

式(9)中：Iobj为目标的红外辐射强度。

装甲车辆目标采用红外隐身措施后，被红外导引头发现的距离减小，或者说在相同距离内被发现的概率降低。因此，目标的红外隐身效果可由在一定的探测概率条件下红外热成像系统的发现距离进行评估，也可由在一定的距离内的探测概率进行评估。

红外导引头成像系统能够检测到的目标的探测距离的计算方法一般是利用目标和背景的表观温度而非真实温度，而在对装甲目标的隐身效果进行评估时，目标与背景红外辐射强度差和大气透过率是测量要素，红外导引头的作用距离和探测概率则是评估要素。

对于空间频率为f的目标，它与背景的真实温差ΔTa在经过大气衰减到达热成像系统时的表观温差ΔT，应大于或等于系统对应该频率的最小可分辨温差MRTD(f),同时目标对系统的张角θ应大于或等于观察等级所要求的最小视角，人眼通过热成像系统才能观察到目标[12]。视距估算计算模型为

(10)

式(10)中：H为目标自身高度；Ne为不同观察等级所要求的目标等效条带数。

依据Johnson准则，可得出其不同探测概率下的探测距离与温差的关系如图7所示。可以看出：随着真实温差增加，不同探测概率下的探测距离都有所增加，但增加的幅度并不呈现线性增长的趋势。

图7 不同探测概率下的探测距离与温差的关系Fig.7 Relationship between detection distance and temperature difference under different discovery probability

通过式(10)计算，得到了在固定距离20 km处，温差与可分辨线对数的关系如图8所示。

针对图8计算的结果，可采用幂函数来拟合真实温差和可分辨线对数的关系为

图8 20 km处温差与可分辨线对数的关系Fig.8 The relationship between temperature difference at 20 km and the number of distinguishable lines

n=-7.527ΔT0.068+15.95

(11)

式(11)中：n为可分辨线对数。

通过式(11)可得到相同距离下温差与探测概率的关系，因此可以计算出在20 km处，当真实温差降至0.625 ℃时，目标的探测概率接近为0。

3.2 相同探测概率下探测距离与温差的关系

根据式(10)可以求解得到目标探测距离与真实温差的关系如图9所示。

采用幂函数对图9中的数据进行拟合，得到的公式为

图9 目标探测距离与真实温差的关系Fig.9 Relationship between target detection distance and real temperature difference

R=-8.513ΔT0.056+17.4

(12)

当温差由大变小时，相同探测距离下的探测概率会变小，同时当温差由大变小时，相同探测概率下，目标被发现的距离也会变小。经计算可以发现：当温差降至42 ℃时，95%探测概率的情况下，装甲车辆被发现的最远距离为10 km。

3.3 试验分析

3.3.1 评估准则

隐身效果评估主要研究的是在不同的探测概率情况下的目标能被发现的最远距离与温差的变化关系，在评估时以红外热像系统对未采取隐身措施的装甲车辆目标达到50%的探测概率时的作用距离为基准，比较在此距离内红外热成像系统对采取隐身措施前后的目标的探测概率，依据探测概率的变化倍率确定目标的红外隐身效果[13]。

假设目标隐身前后红外热成像系统的探测概率分别为p0和p1，探测概率的变化倍率k的计算公式为

(13)

将目标的红外隐身效果根据k分为5级，分级公式为

(14)

对于n次试验，目标的探测概率p的计算公式为

(15)

式(15)中：m为发现目标的次数。

根据式(15)可以计算红外探测系统在装甲目标采用隐身措施前后的探测概率，然后根据式(14)来评估目标的隐身效果。

3.3.2 试验分析

(1)试验方案。试验地点为某驾驶车场，风速为2.54 m/s，大气温度为9～19 ℃，大气压力为101 kPa，天空晴朗少云，大气透明度为0.75，2辆装甲车辆同时发动，一辆未采用任何隐身措施，一辆则喷涂了低发射率的隐身涂料，试验工况为2 000 r/min，油门开度为80%。让装甲车辆工作至柴油机达到热平衡状态，散热器进出口水温和油温保持稳定，这时开始测试。

(2)测试仪器。FLIR A65型红外热像仪1台，用于拍摄试验对象热像图；NP 15型便携式红外测温仪1台，用于测试试验对象标记部位的温度；RS 485型温湿度表用于获取试验中的气象数据；RWRFC2-6000H型激光测距仪，用于准确测量试验目标的距离。

(3)测试时间。从当日上午10：00到次日上午10：00，每30 min测量1次数据。

(4)结果分析。通过测量可知未采用任何隐身措施的装甲车辆与环境某点的温差为42 ℃，在50%探测概率下，其被发现的距离为20.6 km。然后依据评估准则在20.6 km处使用红外热像仪来评定采用隐身材料和温差变化对装甲车辆隐身效果的影响。

经过计算发现，喷涂隐身涂料的装甲车辆在同一时刻，其探测概率经过计算为23.5%，换算成探测概率的变化倍率，数值为0.47，属于3级隐身效果，说明采用隐身涂料等隐身技术措施可以显著增强隐身效果。当未采用任何隐身措施的装甲车辆与环境的温差降低为19.9 ℃时，通过计算，其探测概率为27%，换算成探测概率的变化倍率，数值为0.54，属于2级隐身效果。

通过进一步计算可以发现：未采用任何隐身措施的装甲车辆的温差降幅为52.6%，但探测概率的降幅仅为46%，小于温差降幅，同时测量发现温度下降到19.9 ℃的时间长达23 min。对比喷涂隐身材料的装甲车辆，在同样的车况下，探测概率降幅则达到了53%，可以看出采用隐身材料等技术手段可以显著降低装甲车辆目标的探测概率，提高装甲车辆的隐身效果。