建立模型,精确表征目标隐身能力指标

封面文章|贺元兴, 张浩元, 司文涛, 吴统邦, 程军练. 空中目标红外辐射强度计算通用模型及其应用[J]. 光学学报, 2019, 39(6): 0612007

2016年11月,在珠海举办的第十一届中国国际航空航天博览会上,最受人关注的无疑是歼20飞机的首次公开亮相。两架歼20飞机在该次航展上表演了垂直爬升,并伴有大量翻滚动作,整个飞行表演仅持续了短短两分钟时间,却向世人展示了我国新一代战机的风采。歼20飞机是由我国成飞公司自行设计和研制的第四代重型战机,其最大特点便是具有良好的隐身性能。


图1 J-20飞机

隐身是武器平台相对于敌方探测系统而言,根据敌方探测器种类(如雷达、红外探测器、射频无源探测、声纳等)的不同,可分为雷达隐身、红外隐身、射频隐身、声隐身等。其中红外隐身是目标隐身的重要方面。红外辐射特性是衡量目标红外隐身性能的重要指标,对其精确测量一直是目标特性测试机构追求的目标。

外场主要依托大口径地基红外系统开展空中动态目标红外辐射特性测量。当前,外场在开展空中目标红外辐射特性测试时面临两方面难点问题:

一是外场环境状态复杂多变,红外测量系统受地表环境温度变化等影响,红外探测器易发生灰度值漂移,进而导致红外辐射测量结果精度往往较难保证;

二是航空目标不同于航天目标,其飞行高度相对较低,目标在红外探测器像面上形成扩展图像较为常见,如何计算扩展目标总辐射强度是急需解决的问题。

针对此问题,空军某基地的贺元兴博士研究团队提出了一种用于计算空中目标红外辐射强度的通用模型。该模型建立在基于背景偏置对消原理的扩展目标辐亮度计算方法的基础之上,消除了环境温度变化给红外辐射测量带来的不利影响,有利于提高目标辐射测量精度。

基于提出的通用模型,针对红外小目标(通常将在红外探测器上所成光斑尺寸不超过10pixels×10pixels的目标视为红外小目标)的特殊情况,该研究团队提出用于红外小目标辐射强度计算的简化模型。

由于通用计算模型中包含目标斜程路径外的大气表观辐射强度项(△),结合外场真实大气测试数据,重点分析了△项对目标总辐射强度的贡献情况,如图2、3所示,目标斜距R分别为10, 12, 14, 16, 18km,目标直径Φ介于0.3~3m范围(在一定程度可涵盖航空目标迎头或尾后典型尺寸)。结果表明,在利用通用模型计算红外小目标辐射强度时,不能简单地认为△项的贡献可忽略。

   
图2 中波红外值随目标直径的变化                      图3 长波红外值随目标直径的变化
 

进一步,通过将实测数据△值和总辐射强度的理论计算结果二者间进行比较分析,表明对于长波红外小目标,△值占比达9.3%,△值对总辐射强度的贡献率不可忽略,此时,需要采用所提出的通用模型来计算其总辐射强度值;对于中波红外辐射,△值占比为1.7%,△值对总辐射强度的贡献率可忽略,其辐射强度可由不含△值项的简化模型来计算。

对红外小目标和扩展目标两种情况的外场动态测试数据进行数据处理。目标迎头方向中波红外辐射强度介于0.26~0.3W/sr之间,目标侧身方向中波红外辐射强度介于0.5~0.6W/sr,长波红外辐射强度介于9~10W/sr,并与理论结果进行比对,二者结果在一定程度上可互相印证。

该研究内容可为各类型空中目标红外辐射特性测试的数据处理提供参考。