基于仿真技術的艦船紅外特征抑制方法研究?

葉宗民 張 澍

（91404部隊 秦皇島 066000）

1 引言

艦船的紅外特征抑制是一個復雜的過程，它涉及到很多技術問題，需要采用成熟的工程知識和清晰地經驗定義，用系統的方法來明確提出艦船紅外特性抑制需求。為滿足艦船紅外特性抑制的需要，首先必須考慮艦船紅外輻射主要因素，艦船紅外特性的分析必須考慮組成平臺特性的所有因素，主要分為兩大類：1）內熱源：發動機和煙霧，內部散熱；2）外熱源：太陽反射和背景特性。

通過分析艦船主要紅外輻射源，發現將目標一部分的特性縮減到絕對的零值而保留其它顯著的特征源不變是沒有意義的；使平臺消失是不可能的，但可以使其成為低等級的模糊目標，從而使目標融入背景雜波之中。因此，應用不同等級的抑制，采用綜合平衡的方法減縮目標的紅外特性是可行的方法，主要包括：1）冷卻可見的熱金屬和煙霧；2）隔熱和內部空間的通風；3）使用噴水降溫的方式冷卻被太陽照射的船體。

2 紅外抑制

目前世界上紅外導引頭技術很廣泛，一些人會認為紅外特征抑制對于先進的高靈敏度、智能、成像導引頭是無用的。但是，任何威脅分析必須考慮偶然碰到特殊威脅類型的概率。遇到老式的、性能落后的威脅的概率要高得多，這種情況下，紅外特征抑制可以提供有效的保護。

艦船目標紅外特征抑制方法的選取最終選擇取決于威脅程度和系統成本，基于多年艦船紅外特征抑制的經驗，大部分紅外特征抑制方案可以歸為四個等級，大多數現代海軍艦船傾向于選擇等級2或等級3，一些處于設計階段的艦船可望達到等級4。基本等級分類如下：

1）無抑制；

2）可見的煙道金屬的基本的冷卻，以及使用已有手段（船用核生化洗消）的表面冷卻；

3）煙道冷卻，煙霧冷卻至250℃，以及使用已有手段的表面冷卻；

4）煙道冷卻，煙霧冷卻至150℃，整體表面冷卻（有專用的船用噴水降溫裝置）。

紅外特征抑制系統的最終效果可依據紅外易感性的降低來度量。紅外易感性可通過成熟的分析工具來完成。通過實際海洋測試驗證仿真結果的成熟度，使得對類似代碼的置信度不斷增加。圖1給出了紅外特征抑制方案的不同等級是如何影響平臺的易感性和主動紅外對抗的有效性的。

圖1 紅外特征抑制方案的實際影響

2.1 抑制技術要求的輸入

技術要求的輸入是包括影響平臺威脅易感性的所有參數，如表1所示。

表1 影響平臺威脅易感性的參數

以上所有參數輸入分析可以表征：

1）真3D形狀；

2）實際的海洋和天空效應；

3）表面多次反射；

4）大氣衰減；

5）煙羽輻射。

2.2 抑制技術要求的制定

應用紅外特征抑制就是為了減少艦船對紅外制導威脅的易感性。但是，抑制技術要求的最終確定取決于能做到什么以及代價如何。基于威脅等級設計的過程和規范確保艦船滿足最終的特性目標。以下基本的原則應用于紅外特性抑制技術要求的制定：

1）要求的確定必須針對威脅的程度；

2）制定的抑制技術必須是可實現的和成本在控制范圍內的；

3）所有重要的紅外特性分量必須以均衡的方式進行抑制處理；

4）所有紅外特性分量要在明確的規定環境和作戰條件下進行量化；

5）抑制的結果必須是可驗證的。

抑制技術要求可以用兩個基本的方式表述。一種是在明確規定的條件下給出實際艦船紅外特性的限制要求。基于預測威脅的鎖定距離，這些限制要求一般以瓦/球面度的單位給出。另一種是規定必須安裝在艦船上的硬件設備所需達到的紅外特性等級，包括：1）隔熱；2）內部空間通風；3）涂層；4）發動機紅外特征抑制；5）噴水降溫系統組件、噴頭組件、水流量。

2.3 艦船特性建模

抑制技術要求是以定義未使用紅外特征抑制措施的平臺的基線特性為出發點。驗證抑制技術要求是否達到要求通常結合海試進行。海試的問題是實驗的條件不可控，一般情況下，這些條件與在抑制技術要求中明確規定的條件不一致。因此，使用仿真技術對實驗結果進行修正是必要的，且這確實是進行修正的唯一可用的方法。

圖2 一般的護衛艦模型

分析需要在作戰和背景條件下進行。這允許我們定義預期特性的范圍。該范圍的界限通過“最優可能特性”（Best Possible Signature，BPS）和“最差可能特性”（Worst Possible Signature，WPS）來定義。這個定義通常在標準大氣條件下，觀察者距船右舷1km來獲得。圖2給出了作為樣例平臺的一般的護衛艦模型。

圖3是該護衛艦模型在水中熄火，發動機不工作時，在外界日光作用下產生的BPS和WPS。可見這個范圍很大，說明在紅外特性抑制技術要求中明確單獨的特性值是困難的。BPS通常是在夜間條件下，水中熄火狀態。WPS通常是船側向太陽，水中熄火狀態，無相對風。

圖3 外部特性分量最差和最優值估算

所有發動機全功率運轉時確定了該護衛艦內部的WPS。這種情況增加了可視的煙道熱金屬和熱的羽煙，也可能增加了該護衛艦表面的紅外特性。如圖4所示。

圖4 最差可能內部特性分量

內部和外部WPS和BPS可聯合給出基線船的總的整體特性范圍。圖5給出了該護衛艦的情況。

3 紅外抑制的應用

艦船的基線特性一經確定，就可能應用各種等級的紅外特征抑制技術。我們將紅外特征抑制技術應用于發動機排氣系統和艦船表面。

3.1 發動機廢氣的紅外特征抑制

根據經驗，對于發動機排氣系統的紅外特征抑制基本上分為四個等級：

1）無抑制（基線）；

2）可視的煙道金屬冷卻至周圍溫度+30℃；

3）金屬冷卻+煙羽冷卻至250℃；

4）金屬冷卻+煙羽冷卻至150℃。

圖6給出了當前用于發動機IRSS的一些系統。這些系統包含了薄膜冷卻和空氣引射。對于一些系統，使用了噴水技術以進一步降低煙羽的溫度。

圖5 聯合的內部/外部特性

圖6 發動機紅外特征抑制系統

當抑制的等級提升，成本和復雜程度也隨之提升，如圖7所示。如圖示，紅外特征抑制的成本與未經抑制的排氣系統的成本直接相關。例如，一個等級2抑制系統（僅冷卻金屬）的成本約為基線煙道成本的兩倍，等級4系統（金屬冷卻+煙羽冷卻至150℃）的成本約為未經抑制的煙道成本的5.5倍。

圖7 抑制與成本和復雜度的關系

圖8給出了不同排氣抑制等級的艦船特性和鎖定距離的關系。

3.2 艦船表面的紅外特征抑制

艦船表面特性取決于日光加熱和內部空間的熱泄漏。對于內部的熱泄漏，解決方案是熱隔離和通風。對于日光加熱，解決方案是噴水降溫和低日光吸收率涂料。

圖9給出了表面特性抑制的益處。如圖示，用于紅外特征抑制的全船船體噴水降溫，應用到最差的日光加熱情況時，船特性降為1/30，這將預期威脅（3μm～5μm，噪聲等效溫差（NETD）=0.1℃）的鎖定距離從23km降至5km，顯示了表面抑制的巨大益處。

圖8 發動機紅外特征抑制效能

圖9 表面特性抑制的益處

涂層的變化并不能提供相似的益處，如圖10所示。

圖10 涂層對日間表面特性的影響

3.3 整體的抑制

圖11 所示為發動機排氣紅外特征抑制和表面紅外特征抑制結合的方案，可用于抑制的四個等級。該圖給出了不同等級帶來的益處。圖12所示為系統的相對成本。這個成本收益概覽最終被用于選擇艦船紅外特征抑制的方法，且決定了紅外特征抑制技術要求的細節。

圖11 四個等級的紅外特性抑制

圖12 相對成本

4 總的紅外抑制技術要求

一經確定所需的紅外特性抑制等級，就可以定義紅外特征抑制技術要求。如前所述，這些要求可以通過兩種方式表述：

1）硬件抑制技術要求給出所需的特性等級；

2）指定特性等級給出所需的易感度。

建議選擇第一種方法，因為通過這種方法，要求硬件限制紅外特性并滿足艦船易感度要求是可以實現的，且這是管理特性最為容易的方法。但是，艦船是由裝船子系統構成，這些子系統的紅外特性也必須被作為整體方法的一部分來管理。鑒于此，硬件抑制技術要求必須包括對這些設備的限制，最好通過限制艦面設備表面溫度來實現。如果表面溫度限制不能滿足，則對這些設備進行表面處理就是必要的，例如使用隔熱襯墊。

5 結語

本文以一般的護衛艦為例，提出了一種為艦船選擇紅外特征抑制技術要求的綜合方法。該方法也可被用于地面和空中平臺。該過程以分析確定未經紅外特性抑制的艦船的基線情況為起點，然后應用抑制的四個等級并定量描述了各自的益處，據此，可進行成本收益分析以確定所需抑制的最終等級。特性抑制技術要求可根據紅外特性需要寫出，或是根據要滿足的特性等級所需的硬件要求給出。最后，特性抑制技術要求必須包括驗證預設目標是否滿足要求的檢測方法。