末敏子彈的紅外成像實驗方法

張 俊，劉榮忠，郭 銳，徐國軍

(1.上海海洋大學(xué)工程學(xué)院，上海 201306；2.南京理工大學(xué)智能彈藥國防重點實驗室，江蘇 南京 210094)

0 引言

末敏子彈作為靈巧彈藥的典型代表，能夠在目標(biāo)區(qū)上空自動搜索、掃描、識別并攻擊裝甲目標(biāo)頂部，它具有作戰(zhàn)距離遠(yuǎn)、毀傷效果好、成本低等優(yōu)點[1]。研究末敏彈的紅外輻射特性不僅能為其彈道測試、隱身技術(shù)、紅外成像仿真及小目標(biāo)的跟蹤捕獲等提供理論基礎(chǔ)，而且對于發(fā)展對抗末敏彈的技術(shù)也有重要意義。倘若紅外偵察預(yù)警系統(tǒng)能夠盡早發(fā)現(xiàn)末敏彈，使被攻擊目標(biāo)有一定的反應(yīng)時間，并采取相應(yīng)的應(yīng)對或防御措施。比如及時彈射誘餌氣囊，發(fā)射紅外煙幕彈、電磁干擾信號或主動擊落等，這些措施都能夠有效降低裝甲目標(biāo)被末敏子彈命中或毀傷的概率[2]。

飛行器的紅外輻射特性一直是國內(nèi)外研究熱點，但科研人員主要針對高速飛行器開展研究[3-5]，而對于末敏彈這類有著復(fù)雜運動規(guī)律，尤其是其穩(wěn)態(tài)掃描階段的速度很低，其紅外輻射特性的研究很少。在飛行器熱輻射特性的實驗方面：Sidonie提出了一種模擬飛行器散射紅外特征的試驗方法[6]；Engelhardt開發(fā)了一種可自動根據(jù)環(huán)境的紅外輻射亮度調(diào)節(jié)飛行器蒙皮溫度的實驗裝置[7]，通過控制電路可對蒙皮進(jìn)行加熱或冷卻，使飛行器蒙皮的紅外輻射亮度始終與環(huán)境輻射亮度相近，從而達(dá)到降低飛行器的紅外輻射對比度并縮短紅外導(dǎo)引頭的探測距離。文獻(xiàn)[8]針對高速飛行器的氣動熱環(huán)境進(jìn)行了實驗研究，其原理是通過熱輻射傳遞給飛行器表面的熱流等于氣動加熱傳遞給飛行器的熱流，以進(jìn)行瞬態(tài)飛行熱環(huán)境的模擬和結(jié)構(gòu)熱響應(yīng)分析。文獻(xiàn)[9]分析了末敏子彈的氣動換熱、熱輻射及內(nèi)部導(dǎo)熱的耦合作用機(jī)理，計算了彈體表面的動態(tài)溫度場，對比分析了彈體和降落傘的紅外輻射特性，并對探測視線方向的天空背景輻射特性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[10—11]通過理論建模結(jié)合數(shù)值模擬的方法，研究了末敏彈減速減旋段的氣動加熱及紅外輻射特性。文獻(xiàn)[12]研究了末敏彈穩(wěn)態(tài)掃描階段的紅外輻射特性，針對動態(tài)紅外圖像淹沒于復(fù)雜云層背景的特點，提出了一種組合空域濾波算法，進(jìn)行了紅外圖像處理與目標(biāo)特征提取，但沒有分析末敏子彈的靜態(tài)熱輻射特性。

本文提出了一種針對末敏子彈的紅外成像實驗方法，得到了末敏子彈的靜態(tài)紅外圖像和降落過程中的動態(tài)紅外圖像序列，結(jié)合紅外實驗圖像特點，對比分析了末敏子彈穩(wěn)態(tài)掃描階段的紅外特征及大氣透過率在不同波長和斜程下的分布規(guī)律，研究結(jié)果對于進(jìn)一步開展末敏彈的跟蹤識別、偵查預(yù)警等對抗評估技術(shù)奠定了重要基礎(chǔ)。

1 典型末敏彈的作用原理

典型末敏彈是一種由子彈彈體、中央控制器、紅外探測器、毫米波天線及天線罩組件、穩(wěn)態(tài)掃描裝置、減速減旋裝置、傘彈連接裝置、爆炸成型彈丸(EFP)戰(zhàn)斗部系統(tǒng)及電源等組成的智能彈藥[12]。減速減旋裝置在穩(wěn)定子彈的同時，可將末敏子彈的速度和轉(zhuǎn)速按照規(guī)定時間或距離降至有利于主渦環(huán)旋轉(zhuǎn)降落傘可靠張開的條件，隨之拋出渦環(huán)旋轉(zhuǎn)傘，帶動彈體同步旋轉(zhuǎn)并穩(wěn)定降落。此時，彈軸與鉛垂方向成一定角度，復(fù)合敏感器在地面以螺旋線形式由外向內(nèi)對預(yù)定目標(biāo)進(jìn)入掃描搜索狀態(tài)，當(dāng)子彈距地面高度進(jìn)入預(yù)定攻擊范圍時，復(fù)合探測系統(tǒng)進(jìn)一步識別目標(biāo)，此時，子彈的落速穩(wěn)定于約10 m/s，轉(zhuǎn)速約3 r/s。當(dāng)探測系統(tǒng)確認(rèn)并鎖定目標(biāo)后，根據(jù)其距地面高度、轉(zhuǎn)速以及檢測識別算法等，計算最佳瞄準(zhǔn)點并起爆EFP戰(zhàn)斗部攻擊目標(biāo)頂部。如未能識別目標(biāo)，在離地20 m或者落地后當(dāng)熱電池的電壓降低至給定值時自毀。傘彈系統(tǒng)的穩(wěn)定運動姿態(tài)是末敏子彈復(fù)合探測系統(tǒng)能否準(zhǔn)確識別目標(biāo)的必要條件。穩(wěn)態(tài)掃描狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)模型主要由子彈彈體、渦環(huán)旋轉(zhuǎn)降落傘、傘繩、傘盤、摩擦盤、連桿等組成，其中，渦環(huán)旋轉(zhuǎn)降落傘由傘衣幅和不同長度的傘繩連接而成。傘衣幅上不對稱的開口設(shè)計可以實現(xiàn)降落傘在充滿氣的情況下，形成一定的凸面和傾斜度，在下落過程中由于不對稱空氣動力和力矩的作用下保持穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。圖1為典型傘降末敏彈的全彈道作用原理。

圖1 傘降末敏彈的作用原理Fig.1 Working principles of TSS with a parachute

2 紅外成像及輻射傳輸模型

利用紅外熱像儀對末敏子彈進(jìn)行熱輻射測溫時，其自身的熱輻射、反射的環(huán)境輻射以及大氣輻射經(jīng)鏡頭被聚焦到紅外探測器的焦平面列陣上，經(jīng)過視頻信號放大器的放大處理，信號處理系統(tǒng)將目標(biāo)的紅外輻射信號轉(zhuǎn)換為三維熱分布圖像信號，最后在監(jiān)視器上以灰度或偽彩的方式顯示出來，其光譜變換作用主要表現(xiàn)在紅外探測器對入射到光學(xué)窗口內(nèi)的紅外輻射的選擇性接收和顯示器熒光屏的光譜輻射分布。圖2為末敏子彈的紅外圖像生成原理。

圖2 末敏子彈的紅外圖像生成原理Fig.2 Infrared image generation of TSS

紅外熱像系統(tǒng)的入瞳輻射由三部分組成，被測目標(biāo)表面的輻射能、環(huán)境物體反射的輻射能以及大氣的輻射能：

Eλ(T)=τaλελEbλ(To)+
τaλ(1-αλ)Ebλ(Te)+εaλEbλ(Ta)

(1)

根據(jù)熱像儀工作波段下的響應(yīng)電壓和普朗特公式，可導(dǎo)出被測目標(biāo)表面溫度為：

(2)

當(dāng)被測目標(biāo)表面滿足灰體漫射特性，并近似認(rèn)為大氣吸收率等于發(fā)射率時，可得灰體表面的真實溫度：

(3)

式中，Eλ為熱像儀接收的輻射能；Ebλ為同溫度下的黑體輻射能；To為被測目標(biāo)的表面溫度；Te為環(huán)境溫度；Ta為大氣溫度；ελ為被測目標(biāo)表面發(fā)射率，τaλ為大氣光譜透射率，εaλ為大氣發(fā)射率；對于InSb(3～5 μm)探測器，n為8.68；對于HgCdTe探測器，工作波段為(6～9 μm)時，n為5.33，(8～14 μm)時，n為4.09。

對于氣流溫度為T∞、相對濕度為r、降雨強(qiáng)度為Jr、降雪強(qiáng)度為Js的氣象條件下，紅外輻射在傾斜路程(探測距離S、仰角θ、海拔高度H0)總的大氣光譜透射率為：

(4)

式(4)中，f為溫度T為時，飽和空氣中的水蒸汽質(zhì)量；μo、μc分別為大氣溫度為5℃、相對濕度為100%時，水蒸汽和二氧化碳的光譜吸收系數(shù)；Vm表示最大氣象視程；q為取決于大氣能見度的經(jīng)驗常數(shù)。

在紅外圖像中，目標(biāo)與背景的全光譜輻射對比度為：

(5)

式(5)中，Mt為末敏子彈在紅外波段λ1～λ2內(nèi)的輻射出射度，Ma為天空大氣背景在相同波段內(nèi)的輻射出射度；將背景溫度Ta和溫差ΔT代入上式，即可求得目標(biāo)與背景的全光譜輻射對比度。由上式看出目標(biāo)與背景溫度差ΔT越大，其輻射對比度越大，成像效果越好。

3 末敏子彈的紅外成像實驗

3.1 靜態(tài)紅外成像

圖3 末敏子彈的靜態(tài)紅外圖像序列Fig.3 Static infrared image sequences of TSS

由末敏彈的作用原理可知，目標(biāo)存在兩次減速導(dǎo)旋運動過程，其穩(wěn)態(tài)掃描運動過程中的速度較低，不存在氣動加熱，而彈體內(nèi)部的熱電池為中央處理器和復(fù)合探測系統(tǒng)供電，在工作過程中所釋放的熱量是主要熱源。圖3為末敏子彈的熱電池激活后，利用熱像儀監(jiān)測得到的紅外圖像序列，熱像儀為軍用高分辨率MIKRON型號。采用黑體標(biāo)定后，發(fā)射率設(shè)定為0.6，工作波段為長波8～14 μm，存儲速率為每秒25幀，每次可記錄24 s，測試距離約為1.6 m。實驗圖像結(jié)果表明，熱電池激活后，彈上熱電池附近的溫度迅速升高，末敏子彈的零視距紅外特征明顯，并主要以熱傳導(dǎo)的方式逐漸向整個彈體擴(kuò)散，監(jiān)測到第24 s時，熱電池附近的最高溫度接近80 ℃，面向探測器的其它區(qū)域溫度約為45 ℃。

3.2 動態(tài)紅外成像

圖4為試驗樣彈，熱氣球距地面的高度一定。以熱氣球在地面上的投影為中心，等間距對稱布置六個模擬裝甲目標(biāo)，用于考核末敏子彈上的紅外與毫米波復(fù)合探測系統(tǒng)對金屬目標(biāo)的探測識別效能。高速攝像儀的視場角一定，用于測試末敏子彈的下落速度。采用熱成像系統(tǒng)的配套軟件MIKROSPEC R/T實時監(jiān)測并存儲實驗圖像，圖5為紅外圖像存儲與處理的軟件界面。

圖4 實驗樣彈Fig.4 Sample projectiles

圖5 紅外圖像存儲與處理的軟件界面Fig.5 The software for infrared images storage and processing

圖6為末敏子彈穩(wěn)定降落過程中的部分紅外圖像序列，“方框”標(biāo)出了末敏子彈所在區(qū)域。圖7給出了其中兩幀圖像的三維灰度分布規(guī)律。對比分析紅外圖像序列發(fā)現(xiàn)：末敏子彈幾乎完全淹沒于復(fù)雜云層背景和噪聲之中，其空間分辨力比可見光圖像低很多，在整體效果上沒有立體感，分辨率極低；這不僅是由于紅外成像器件的分辨率、靈敏度以及噪聲(主要包括熱噪聲、散粒噪聲、光子電子漲落噪聲等)的影響，更主要是由于紅外波段的輻射波長比可見光長，在紅外輻射的傳輸過程中會經(jīng)過大氣吸收和隨機(jī)散射的作用。另外，復(fù)雜云層背景對成像的影響很大，紅外圖像的視覺表現(xiàn)為模糊、噪聲大、串?dāng)_、畸變等非均勻性，末敏子彈為只占幾像素到十幾像素的奇異點，缺乏尺寸、形狀等結(jié)構(gòu)信息，屬于典型的紅外弱小目標(biāo)；降落傘的紅外特征比彈體明顯，這是由于傘衣的幾何尺寸和發(fā)射率相對較大；對比分析末敏子彈的靜態(tài)、動態(tài)紅外實驗圖像發(fā)現(xiàn)，末敏子彈穩(wěn)態(tài)掃描階段的紅外輻射特征弱，利用紅外系統(tǒng)遠(yuǎn)距離跟蹤定位、探測識別的難度較大。

圖6 末敏子彈穩(wěn)定降落過程中的紅外圖像序列Fig.6 Infrared image sequences in the falling process of TSS

圖7 紅外圖像的三維灰度分布Fig.7 3-D grayscale distributions of infrared images

3.3 紅外輻射的大氣透過率

設(shè)氣象條件為天氣晴朗，無云、霧、雨、雪等氣象粒子的衰減，空氣相對濕度為80%，大氣能見度為10 km，海拔高度為1 km，傳播角度為30°。圖8給出了該氣象條件下，大氣透過率隨不同波長和作用距離的三維分布規(guī)律。 圖9給出了H2O和CO2氣體分子在不同波段下對紅外輻射的吸收衰減規(guī)律。結(jié)果表明，紅外輻射衰減隨著紅外系統(tǒng)的作用距離增加而增大，而且在各波長區(qū)間范圍內(nèi)，其衰減程度的差別較大，其中，在1～3 μm、3～5 μm及8～14 μm這三個大氣窗口的波長范圍內(nèi)，紅外輻射的衰減程度較低；在2.6～3.1 μm和5.1～7.6 μm波段內(nèi)因水蒸氣吸收衰減，其透過率幾乎為零；在4.2～4.4 μm波段內(nèi)，由于CO2氣體分子對紅外輻射的吸收衰減作用，其輻射透過率也幾乎為零。

圖8 大氣透過率在不同波長、斜程下的分布規(guī)律Fig.8 Distribution of atmospheric transmittance at different wavelengths and slant paths

圖9 H2O、CO2的熱輻射吸收規(guī)律Fig.9 Absorption laws of thermal radiation in H2O and CO2

4 結(jié)論

采取紅外成像實驗研究方法，獲得了末敏子彈的靜態(tài)紅外圖像序列和降落過程中的動態(tài)紅外圖像序列，結(jié)合實驗圖像對比分析了末敏子彈的靜態(tài)、動態(tài)紅外特征以及紅外輻射大氣透過率在不同波長和斜程下的分布規(guī)律，得到以下結(jié)論：

1)末敏子彈的腔內(nèi)熱電池是其穩(wěn)態(tài)掃描階段的主要熱源，熱電池激活后，電池附近區(qū)域的溫度迅速升高，熱量逐漸向彈體表面擴(kuò)散，約24 s時，最高溫度接近80 ℃，面向探測器的其它區(qū)域溫度約為45 ℃。

2)在紅外輻射的傳輸過程中，由于受到大氣吸收、散射以及復(fù)雜云層背景的影響，其紅外圖像空間分辨力比可見光圖像低，目標(biāo)淹沒于復(fù)雜的云層背景和噪聲中，紅外圖像表現(xiàn)為只占幾像素到十幾像素的奇異點，缺乏幾何形狀和尺寸等特征信息。利用紅外系統(tǒng)遠(yuǎn)距離實時跟蹤探測識別此類紅外弱小目標(biāo)的難度較大。

研究結(jié)果對于結(jié)合末敏彈的運動特點開展動態(tài)紅外圖像的目標(biāo)檢測以及紅外偵查預(yù)警仿真系統(tǒng)的對抗評估技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。