建立模型,精確表征目標隱身能力指標

封面文章|賀元興, 張浩元, 司文濤, 吳統邦, 程軍練. 空中目標紅外輻射強度計算通用模型及其應用[J]. 光學學報, 2019, 39(6): 0612007

2016年11月,在珠海舉辦的第十一屆中國國際航空航天博覽會上,最受人關注的無疑是殲20飛機的首次公開亮相。兩架殲20飛機在該次航展上表演了垂直爬升,并伴有大量翻滾動作,整個飛行表演僅持續了短短兩分鐘時間,卻向世人展示了我國新一代戰機的風采。殲20飛機是由我國成飛公司自行設計和研制的第四代重型戰機,其最大特點便是具有良好的隱身性能。


圖1 J-20飛機

隱身是武器平臺相對于敵方探測系統而言,根據敵方探測器種類(如雷達、紅外探測器、射頻無源探測、聲納等)的不同,可分為雷達隱身、紅外隱身、射頻隱身、聲隱身等。其中紅外隱身是目標隱身的重要方面。紅外輻射特性是衡量目標紅外隱身性能的重要指標,對其精確測量一直是目標特性測試機構追求的目標。

外場主要依托大口徑地基紅外系統開展空中動態目標紅外輻射特性測量。當前,外場在開展空中目標紅外輻射特性測試時面臨兩方面難點問題:

一是外場環境狀態復雜多變,紅外測量系統受地表環境溫度變化等影響,紅外探測器易發生灰度值漂移,進而導致紅外輻射測量結果精度往往較難保證;

二是航空目標不同于航天目標,其飛行高度相對較低,目標在紅外探測器像面上形成擴展圖像較為常見,如何計算擴展目標總輻射強度是急需解決的問題。

針對此問題,空軍某基地的賀元興博士研究團隊提出了一種用于計算空中目標紅外輻射強度的通用模型。該模型建立在基于背景偏置對消原理的擴展目標輻亮度計算方法的基礎之上,消除了環境溫度變化給紅外輻射測量帶來的不利影響,有利于提高目標輻射測量精度。

基于提出的通用模型,針對紅外小目標(通常將在紅外探測器上所成光斑尺寸不超過10pixels×10pixels的目標視為紅外小目標)的特殊情況,該研究團隊提出用于紅外小目標輻射強度計算的簡化模型。

由于通用計算模型中包含目標斜程路徑外的大氣表觀輻射強度項(△),結合外場真實大氣測試數據,重點分析了△項對目標總輻射強度的貢獻情況,如圖2、3所示,目標斜距R分別為10, 12, 14, 16, 18km,目標直徑Φ介于0.3~3m范圍(在一定程度可涵蓋航空目標迎頭或尾后典型尺寸)。結果表明,在利用通用模型計算紅外小目標輻射強度時,不能簡單地認為△項的貢獻可忽略。

   
圖2 中波紅外值隨目標直徑的變化                      圖3 長波紅外值隨目標直徑的變化
 

進一步,通過將實測數據△值和總輻射強度的理論計算結果二者間進行比較分析,表明對于長波紅外小目標,△值占比達9.3%,△值對總輻射強度的貢獻率不可忽略,此時,需要采用所提出的通用模型來計算其總輻射強度值;對于中波紅外輻射,△值占比為1.7%,△值對總輻射強度的貢獻率可忽略,其輻射強度可由不含△值項的簡化模型來計算。

對紅外小目標和擴展目標兩種情況的外場動態測試數據進行數據處理。目標迎頭方向中波紅外輻射強度介于0.26~0.3W/sr之間,目標側身方向中波紅外輻射強度介于0.5~0.6W/sr,長波紅外輻射強度介于9~10W/sr,并與理論結果進行比對,二者結果在一定程度上可互相印證。

該研究內容可為各類型空中目標紅外輻射特性測試的數據處理提供參考。