無人機紅外輻射特性測量方法

呂曉林

(中國人民解放軍92419部隊，遼寧125106)

1 引言

無人機飛行時紅外輻射特性測量受多方面因素影響，測量誤差大，難以滿足試驗要求。通過采用室內紅外熱像儀標定、室外紅外熱成像進行目標紅外輻射特性反演以及大氣傳輸修正，得到了無人機自身紅外輻射特性。

2 測量方法[1]

依托紅外成像測量分析系統，采用紅外成像法測量無人機紅外輻射特性。測量過程包括無人機紅外圖像采集、紅外熱像儀標定、紅外輻射特性計算和大氣傳輸修正。

根據無人機尺寸、布站情況、飛行航線等對紅外熱像儀設置合理的視場和積分時間，由伺服轉臺穩定跟蹤無人機，對無人機進行紅外成像。

紅外熱像儀標定是利用紅外熱像儀對不同溫度黑體進行成像，得到紅外熱像儀輸出信號幅值與黑體溫度、輻射亮度的對應關系。

依據標定結果，將無人機測量像素的電平值轉換為輻射亮度、溫度等紅外輻射特性，無人機所有像素點綜合即可得到無人機的紅外輻射特性。

考慮紅外輻射受大氣傳輸影響，對測量結果進行修正，獲得無人機輻射特性。

2.1 紅外熱像儀標定

在利用紅外熱像儀測量目標輻射特性之前，需要先對紅外熱像儀進行輻射定標，以確定其輻射響應度。

紅外熱像儀輻射定標模型如下

式中：G——紅外熱像儀輸出值；K——待標定的紅外熱像儀輻射亮度響應度；N——黑體在紅外熱像儀測量波段內的輻射亮度；B——由紅外熱像儀自身光機結構熱輻射、散射背景輻射以及探測器暗電流引起的偏移值。

2.2 輻射測量模型

在大氣中測量目標輻射特性時，大氣中的分子和氣溶膠粒子對目標輻射產生吸收和散射衰減，同時大氣自身輻射又疊加到目標輻射上。大氣中的目標輻射測量模型為

式中：G——紅外熱像儀輸出值；K——待標定的紅外熱像儀輻射亮度響應度；B——由紅外熱像儀自身光機結構熱輻射、散射背景輻射以及探測器暗電流引起的偏移值；a——目標與紅外相機之間的大氣透過率；Nt——被測目標輻射亮度；Npath——目標與相機之間的大氣程輻射，一般可利用大氣觀測設備測量大氣參數，然后用大氣輻射傳輸計算軟件計算a和Npath。

由公式(2)可反演得到目標輻射亮度

由公式(3)可知，目標輻射亮度的反演精度取決于系統輸出值、偏移值、輻射亮度響應度以及大氣透過率和程輻射的不確定度，分析如下：

(1)在當前紅外成像技術水平下，紅外熱像儀輸出值的不確定度一般優于1%；

(2)輻射亮度響應度的不確定度一般可控制在5% ～10%；

(3)偏移值的不確定度取決于紅外熱像儀自身熱穩定性以及環境溫度穩定性，如果在20℃常溫下進行定標，則±1℃的環境溫度穩定性帶來的不確定度約為2%；

(4)大氣透過率和程輻射的不確定度取決于大氣參數的測量精度以及大氣輻射傳輸計算軟件的計算精度，一般為10% ～20%。

3 測量情況[2～5]

無人機進行兩個架次飛行，每個架次分別以160m/s及190m/s速度進行兩次進入，每次進入進行一次測量。飛行航線如圖1、圖2所示。

紅外熱像儀布設在無人機飛行航路附近的島嶼上，紅外熱像儀光軸與無人機飛行方向呈一定夾角。紅外熱像儀工作波長為(3.7～4.8)μm。紅外熱像儀采用3600μs積分時間檔。

圖1 飛行航線1Fig.1 Flight line 1

圖2 飛行航線2Fig.2 Flight line 2

測量數據選取原則：

(1)為保證紅外熱像儀響應在線性區域，選取連續多幀不飽和測量數據，進行紅外輻射特性反演；

(2)不選用無人機初始進入視場時捕獲不穩定的測量數據；

(3)不選用無人機沒有相應時刻GPS信息的測量數據。

3.1 紅外熱像儀標定

紅外熱像儀經過標準黑體定標源標定后，擬合得到輸出信號幅值G(量化值)與黑體輻射亮度N(單位：W·m-2·sr-1)相對應的一次線性函數曲線

根據標定數據，按照不同積分時間檔位生成相應的標定曲線和標定系數。紅外熱像儀3600μs積分時間檔位的標定系數為：K=1395.4，B=3172.6。其標定曲線如圖3所示。

3.2 大氣透過率估算

用FasCode軟件對兩個飛行架次的大氣透過率進行了估算，如表1所示。

表1 大氣透過率估算Tab.1 Estimation of atmosphere transmittance

圖3 3600μs積分檔位標定曲線Fig.3 3600μs Integral line

3.3 測量情況

第一個飛行架次的天氣條件為：溫度4.0℃，濕度59%，能見度27km。第一個航路進入時，無人機紅外輻射強度如圖4。第二個航路進入時，無人機紅外輻射強度見圖5。

圖5 無人機第二個航路紅外輻射強度Fig.5 Infrared radiation intensity of the second line

第二個飛行架次天氣條件為：溫度-2.1℃，濕度41%，能見度30km。第一個航路進入時，無人機紅外輻射強度見圖6；第二個航路進入時，無人機紅外輻射強度見圖7。

3.4 測量結果

圖6 無人機第一個航路紅外輻射強度Fig.6 Infrared radiation intensity of the first line

圖7 無人機第二個航路紅外輻射強度Fig.7 Infrared radiation intensity of the second line

第一個飛行架次，無人機第一個航路進入時紅外輻射強度在(1.16～14.8)W/sr之間，均值為5.3 W/sr；無人機第二個航路進入時紅外輻射強度在(2.1～11.1)W/sr之間，均值為 7.4W/sr。

第二個飛行架次，無人機第一個航路進入時紅外輻射強度在(1.34～18.3)W/sr之間，均值為8.9 W/sr；無人機第二個航路進入時紅外輻射強度在(5.27～23.88)W/sr之間，均值為 10.9W/sr。

3.5 結論

(1)測量結果與實際情況一致(無人機紅外輻射強度設計值為10W/sr)；

(2)無人機第一個航路進入時(速度190m/s)紅外輻射強度大于第二個航路進入時(速度160m/s)紅外輻射強度，說明無人機速度越快，發動機推力越大，發動機尾噴口溫度就越高；同時速度越快，蒙皮與空氣摩擦越劇烈，蒙皮溫度越高，導致其紅外輻射強度越強。

4 結束語

無人機紅外輻射特性測量采用內場標定和外場試驗相結合的方式，對選取數據進行了處理，給出了無人機輻射強度在選取航段上的分布情況。測量結果與實際情況一致，試驗結論與理論分析吻合，測量方法有效，測量結果置信度高。