无人机地面滑跑状态红外辐射特性测量及分析.pdf

第45卷 第8期 红 外 技 术 Vol.45 No.8 2023 年 8 月 Infrared Technology Aug.2023 845 无人机地面滑跑状态红外辐射特性测量及分析 王 东，邹前进，刘小虎（光电对抗测试评估技术重点实验室，河南 洛阳 471003）摘要：为准确得到某型无人机红外辐射特性，用 3.74.8 m 中波、7.710.3 m 长波红外热像仪对某型无人机地面滑跑状态的红外辐射亮度进行了测量，用 MODTRAN 大气辐射传输软件对测量过程的大气透过率、大气程辐射进行了计算。测量结果表明，该状态下无人机机身蒙皮辐射较弱，辐射亮度与地面及背景辐射亮度接近，且各个方向辐射亮度基本一致，长波波段机身蒙皮辐射亮度为相应部位中波波段辐射亮度的 280 倍左右；发动机辐射亮度远高于机身蒙皮辐射亮度，受机身遮挡、机体结构等原因影响，发动机辐射亮度具有方向性，后向辐射最强。关键词：红外辐射；辐射亮度；无人机；大气透过率；大气程辐射 中图分类号：TP732.2 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2023)08-0845-04 Measurement and Analysis of Infrared Radiation Characteristics of Taxiing Unmanned Aerial Vehicles WANG Dong，ZOU Qianjin，LIU Xiaohu(Key Laboratory of Electro-Optical Countermeasures Test&Evaluation Technology,Luoyang 471003,China)Abstract:To accurately obtain the infrared radiation characteristics of an unmanned aerial vehicle(UAV),its infrared radiation luminance was measured with medium-and long-wave infrared thermal imagers of 3.74.8 m and 7.710.3 m,respectively,and the atmospheric transmittance and atmospheric radiation during measurement were calculated with the MODTRAN atmospheric radiation transmission software.The measurement results show that under these conditions,the radiation of the UAV fuselage skin is weak,the radiation brightness is close to the ground and background radiation brightness,and the radiation brightness is essentially the same in all directions.The radiation brightness of the fuselage skin in the long-wave band was approximately 280 times that of the corresponding part in the medium-wave band.The engine radiation brightness was much higher than that of the fuselage skin.For reasons such as fuselage shelter and structure of the body,the engine radiation brightness is directional,and the radiation is strongest in the backward direction.Key words:IR radiation,radiant intensity,unmanned aerial vehicle(UAV),atmospheric transmittance,air path radiation 0 引言 作为一种先进装备，无人机以其得天独特的“无人”优势，广泛执行侦察监视、精确打击、定点轰炸、电子干扰、通信中继、战斗评估等任务，实现了“不见面”、“零伤亡”的现代战争理念，具有极为广阔的应用前景1-2。随着红外探测技术的飞速发展，无人机红外辐射特性研究已成为侦察探测领域的重要的一环。目前，无人机红外辐射特性的研究方法主要有实测研究和仿真建模两种。实测研究具备结果可靠、适应性强等优势，是无人机红外辐射特性研究的重要方法。另外，实测数据也可较好地用于仿真模型的校验。近年来，有关无人机及其他飞行器红外辐射特性的研究已有不少报道，但大多集中在仿真建模方面。王军等测试研究了某型短程固定翼无人侦察机的红外辐射特性，给出了无人侦察机光谱辐射特性及热场分布特征3；许爱华等利用 Fluent 仿真软件对某型高空高速无人机尾焰流场分布进行了仿真，计算了不同方位尾焰的红外辐射强度4；徐顶国等建立了某型无人机红外辐射的数学模型，计算了该无人机在背景辐射下的红外辐射特征，同时对无人机红外隐身技术进行了研究5-6；孙占久等采用计算流体动力学方法开展了某收稿日期：2021-10-13；修订日期：2022-02-01.作者简介：王东（1978-），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为光电及光电对抗。E-mail：。第45卷 第8期 红 外 技 术 Vol.45 No.8 2023 年 8 月 Infrared Technology Aug.2023 846 无人机蒙皮气动加热性能、发动机排气系统温度和组分摩尔浓度分布仿真，给出了不同参数下该无人机外形特征、发动机喷管构型和尾喷焰流场分布对红外辐射的影响7。为了得到不同角度的红外辐射特性，本文采用中波、长波红外热像仪对某型无人机地面滑跑状态进行了测量，并给出了辐射亮度与测量角度的对应关系，并对其不同部位、不同波段的红外辐射特性进行了分析比较。1 测量设备及布局 测量设备包括红外热像仪（中波、长波各一台）、ISDC IRl50 黑体、手持 GPS、气象设备等。主要设备参数见表 1、表 2。表 1 红外热像仪参数 Table 1 Technical parameters of measuring equipment Parameters Mid-wave Long-wave Wavelength/m 3.7-4.8 7.7-10.3 Focal length/mm 150 150 Pixel size/m 2825 2825 Resolution/mrad 0.18 0.18 Digitalizing bit/bit 14 14 表 2 ISDC IRl50 黑体参数 Table 2 Technical parameters of ISDC IRl50 blackbody Parameters Value Temperature range/50-500 Irradiation area/mm2 300300 Emissivity 0.960.02 Temperature resolution/0.1 Temperature accuracy/0.2 Temperature stability/0.2 按图 1 所示布置红外热像仪和某型无人机。红外热像仪架设在安全距离之外，为了准确获得该无人机的红外辐射亮度，测量前需用 ISDC IRl50 面源黑体对红外热像仪进行标定。标定完成后，无人机在机场跑道滑跑，红外热像仪对无人机进行测量。无人机飞参系统同步记录无人机的状态信息，包括速度、航向、位置等；手持 GPS 测量红外热像仪位置坐标；气象设备记录环境参数，包括温度、湿度、压力、风速、风向、能见度等地面常规气象参数等。2 标定及数据处理方法 2.1 标定及结果 对红外热像仪进行标定时，将 ISDC IRl50 面源黑体依次设置为不同的温度，红外热像仪对不同温度黑体的辐射亮度进行测量，得到红外热像仪的辐射亮度响应度和其自身偏移值 DN0之间的对应关系，定标模型如下8-9：DNLDN0 (1)图 1 测量系统布局 Fig.1 Composition diagram of measurement system 式中：DN 为红外热像仪的数码输出值；为辐射亮度响应度；DN0为红外热像仪自身热辐射、散射背景辐射以及探测器暗电流等引起的偏移值。L 为 ISDC IRl50面源黑体在红外热像仪测量波段内的辐射亮度。图 2、图 3 分别给出了中波、长波红外热像仪标定结果，图中横坐标为黑体辐射亮度 L，Wm2sr1，纵坐标为不同辐射亮度条件下红外热像仪的数码输出值 DN。利用最小二乘法对定标结果进行线性拟合，得到中波红外热像仪辐射亮度响应关系为：DNM2184L3281 (2)长波红外热像仪辐射亮度响应关系为：DNL177L3786 (3)2.2 数据处理方法 红外热像仪对无人机红外辐射进行探测时，大气中的分子、气溶胶粒子等对无人机辐射会产生吸收和散射衰减，同时大气自身红外辐射又叠加到无人机辐射上。大气中的红外辐射特性测量模型为8-10：tpath0DNDNLL (4)式中：Lt为被测无人机的辐射亮度；为无人机与红外热像仪之间的大气透过率；Lpath为无人机与红外热像仪之间的大气程辐射，测量时可利用气象设备监测大气参数，然后用大气辐射传输软件计算气透过率 和大气程辐射 Lpath。由式(4)可反演得到无人机的红外辐射亮度为：0tpathDNDNLL (5)由式(5)可知，无人机红外辐射亮度Lt的测量反演精度取决于红外热像仪自身原因及标定、测量过程造成的输出值DN、偏移值DN0、辐射亮度响应度等的 UAV blackbody Thermal imager 第45卷 第8期 Vol.45 No.8 2023 年 8 月 王 东等：无人机地面滑跑状态红外辐射特性测量及分析 Aug.2023 847 图 2 中波红外热像仪标定结果 图 3 长波红外热像仪标定结果 Fig.2 Calibration results of mid-wave infrared imager Fig.3 Calibration results of long-wave infrared imager 不确定度，以及大气测量及计算过程造成的大气透过率、大气程辐射Lpath的不确定度。3 对某型无人机测量结果及分析 3.1 测量结果 测量时间为春季晴朗白天，大气能见度78 km，温度1619，湿度13.0%15.0%。为获得某型无人机的辐射亮度，根据辐射亮度反演公式(5)，首先依据测量期间的大气参数、距离等参数，利用MODTRAN大气辐射传输软件计算该无人机和红外热像仪之间的大气透过率和大气程辐射。利用红外热像仪辐射亮度响应度、偏移值，大气透过率、程辐射等数据，由测量的输出值DN反演得到了该无人机地面滑跑状态不同角度的辐射亮度。图4、图5分别给出了测量得到的该无人机不同部位相对辐射亮度与测量角度之间的对应关系图。其中，测量角度表示热像仪光学系统轴线与无人机机头方向的夹角，各部位辐射亮度均相对于同波段机身40方向辐射亮度测量结果进行了归一化处理，地面为混凝土材质，背景为低空自然背景。另外，图4中在测量角度大于90时由于无人机发动机温度过高，中波热像仪探测器局部达到饱和，未能准确给出发动机辐射亮度测量结果。图6给出了该无人机机身相同部位中波、长波辐射亮度对比结果，图中各测量角度的辐射亮度均相对于中波波段机身40方向辐射亮度测量结果进行了归一化处理。3.2 结果分析 综合图4、图5、图6，可以得到如下结论：由于该无人机滑跑阶段速度较低，气动加热造成的蒙皮辐射较弱，中波、长波波段机身辐射亮度较低，且同波段各个方向的测量结果基本一致，说明蒙皮辐射没有方向性。另外机身蒙皮辐射亮度略低于地面及背景辐射亮度，背景辐射亮度略低于地面辐射亮度，原因为混凝土地面受太阳照射温度略高于机身和背景温度。图 4 中波辐射亮度与测量角度关系 Fig.4 Relationship between mid-wave radiant intensity and test angle 图 5 长波辐射亮度与测量角度关系 Fig.5 Relationship between long-wave radiant intensity and test angle 第45卷 第8期 红 外 技 术 Vol.45 No.8 2023 年 8 月 Infrared Technology Aug.2023 848 图 6 机身部位中、长波辐射亮度对比 Fig.6 Contrast of mid-wave and long-wave radiant intensity 从左前侧观测（测量角度小于90），由于机身遮挡无法观测到无人机发动机尾喷口红外辐射；从侧面观测（测量角度90），发动机尾喷口辐射亮度明显高于机身、地面及背景辐射亮度，同时，由于该发动机为涡桨发动机，未观测到明显的尾焰辐射；从尾部观测（测量角度大于90），随着测量角度的增大，发动机尾喷口辐射亮度逐渐增大，说明发动机侧向、后向红外辐射高于前向红外辐射，尾喷口红外辐射具有方向性。受发动机加热影响，发动机附近的蒙皮温度较高，中波、长波波段在该部位的蒙皮辐射均呈现出高辐射亮度，明显高于机身其它部位蒙皮辐射亮度。机身蒙皮长波辐射亮度为中波辐射亮度的280倍左右，测量角度大于90时，由于发动机温度过高，红外辐射过强，导致中波热像仪探测器饱和，该条件下无法准确测量发动机尾喷口中波辐射亮度。测量过程还发现，机身部分位置能够清晰观察到中波波段的太阳光反射，相同位置未观察到长波波段的太阳光反射，说明机身对太阳光反射具有明显的波段选择性，波长越短反射效果越强。4 结束语 利用3.74.8 m中波、7.710.3 m长波红外热像仪对某型无人机进行了红外辐射测量，利用MODTRAN大气辐射传输软件对测量过程的大气透过率、大气程辐射进行了计算，通过反演计算得到了某型无人机不同部位的红外辐射亮度。经分析，对该无人机进行侦察探测时，在迎头方向，由于机身遮挡发动机红外辐射，对侦察探测起主要作用的是气动加热造成的机身蒙皮辐射；在侧向和尾追方向，由于发动机红外辐射亮度很强，对侦察探测起主要作用的是发动机热辐射，此时的侦察探测距离将大于迎头方向的侦察探测距离。此外，由于长波波段的机身蒙皮辐射亮度远高于相应的中波波段辐射亮度，相同条件下长波在迎头方向侦察探测更有优势，论文的测量数据及结论对目标特性研究、红外侦察探测、红外侦察设备研制及检测具有一定的参考价值。参考文献：1 朱平安,张晓龙.无人机载制导炸弹的发展综述J.四川兵工学报,2015,36(3):5-8.ZHU Pinan,ZHANG Xiaolong.Review of development of UAV airborne guided bombJ.Journal of Sichuan Ordnance,2015,36(3):5-8.2 郭昊,周德云,张堃.无人作战飞机空战自主机动决策研究J.电光与控制,2010,17(8):28-32.GUO 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