王超哲;童中翔;芦艳龙;柴栋
【摘 要】根据红外辐射的基本原理,提出了基于温度场分布的飞机红外辐射计算方法.依据红外探测器的工作原理,得到经大气传输和目标与背景对比后探测器接收到的有效目标信息.通过探测器对某型飞机探测距离的计算和分析,总结出了影响探测效果的五个主要的飞机红外辐射特性:光谱特性、方位特性、高度特性、速度特性和发动机状态特性.在此基础上讨论了红外探测器的设计和使用上以及飞机红外隐身上应注意的问题.%According to IR radiation's principle,the calculating method of airplane's IR radiation on the basis of temperature field distributing is proposed. The useful object information which the IR detector receives after atmosphere's transmission is gained. By calculating and analyzing the detected distance of a certain plane,five significant characteristics of airplane's infrared radiation that influence the detecting effect are pointed out,which include spectrum characteristic, direction characteristic,altitude characteristic,velocity characteristic and engine state characteristic. Based on the conclusions,problems about IR detector and plane's IR stealth are discussed. 泊松比
【期刊名称】《激光与红外》
【年(卷),期】2011(041)009
【总页数】6页(P996-1001)
【关键词】疯狂英语中学版红外探测器;红外辐射;尾焰;尾喷口;蒙皮
【作 者】王超哲;童中翔;芦艳龙;柴栋
【作者单位】空军工程大学工程学院,陕西西安710038;空军工程大学工程学院,陕西西安710038;空军工程大学工程学院,陕西西安710038;空军工程大学工程学院,陕西西安710038
【正文语种】中 文
【中图分类】TN214
随着雷达隐身技术的发展，作战飞机的雷达反射截面积越来越小，使得利用无线电手段探测目标越来越困难。而这类目标高速运动时与空气的摩擦和其发动机的尾焰均会产生强烈
的红外辐射，有利于红外系统对目标的探测。红外探测是利用目标与背景之间的红外辐射差异，所形成的热点或图像来获取目标和背景信息的，以其被动工作隐蔽性好，探测精度高，不受无线电干扰的影响，可昼夜工作等优势，成为预警或制导探测的发展趋势［1-2］。
飞机目标的红外辐射特性是红外探测的基础，基于探测器的飞机红外辐射特性，即研究飞机红外辐射的哪些特性影响红外探测器对飞机的探测效果——最大可探测距离，从而为探测器的设计和使用提供指导，也为飞机的红外隐身提供依据。
目前在飞机红外辐射领域进行给定条件下飞机辐射计算与仿真的居多，分析飞机红外辐射特性影响因素和变化规律的较少，且计算方法多采用简便易行工程算法，计算精度和通用性不太理想［3-5］。本文根据红外辐射的基本原理，通过温度场的计算确定飞机的红外辐射，具有较高的精度，在此基础上研究飞机辐射对探测器探测距离的影响。相声flash
飞机作为辐射源其红外辐射主要来自三部分：尾焰、尾喷口和蒙皮。根据红外辐射的基本原理，应先确定飞机不同飞行条件下的温度场，然后计算其辐射场。下面建立三部分辐射各自的计算模型。
2.1 尾焰红外辐射模型
尾焰的辐射光谱主要取决于尾焰的成分与温度，尾焰是飞机发动机喷射的高温、高速气流，其主要成分是C2O，NmOn，H2O，CO等，各种高温气体之间存在着放射与吸收红外能量的复杂关系［6］。本文对尾焰辐射的计算采用求解辐射传输方程的方法。
首先需要计算尾焰的温度分布。国内外各大研究机构开发出了多种CFD软件，且能够达到工程计算的要求［7］。本文以某型飞机的发动机为例，利用FLUENT软件求解尾焰流场全三维、可压缩流控制方程组，计算出尾焰的温度分布如图1所示。
根据普朗克定律可以求出尾焰温度场中各点处的光谱辐射度Mλ，b，从而得到各点的光谱辐射亮度Lλ，b。
对于空气喷气发动机尾焰辐射，利用传输方程可得到［8］：
式中，Lλ为尾焰外沿研究点处相对于观测方向的光谱辐射亮度；s为观测方向的传输路径；τ（λ；s′，s）为沿s路径中某一点s′～s的光谱透过率。
合肥中医推拿根据在气体介质中辐射亮度的定义，使公式（1）对波长λ、构成立体角的高低角θ、方位角φ，就可得到观测点处的辐照度：
则尾焰在空中某一方向上在探测器工作波段的光谱辐射强度为：
式中，R为尾焰至观测点的距离；τa为尾焰至观测点的距离R形成的透过率。
2.2 尾喷口红外辐射模型
由涡后面的加力筒形成的热空腔是典型的灰辐射体，辐射率ε≈0.8，温度同发动机工作状态有很大关系，额定工作状态的温度要远远小于加力工作状态的温度。热空腔温度可认为是排气温度，其红外辐射在空中某一方向上在探测器工作波段的辐射强度It模型为：
式中T为热空腔平均温度；At为喷口壁在轴线上的投影面积；n为发动机台数；θ为喷口表面法线与探测器光轴之间的夹角，当θ＞90°时，It＝0。
2.3 蒙皮红外辐射模型
蒙皮的红外辐射可分为自身辐射和反射环境辐射两部分。由于飞行环境的不确定性，本文
的研究先不考虑飞机对太阳辐射的反射。
飞机高速飞行时，气动加热使飞机蒙皮温度升高，其温度分布可以用FLUENT软件计算，计算方法同上，只是边界条件和尾焰不同。在获取飞机蒙皮温度分布后，针对飞机外形进行简单的几何模拟，将其表面沿轴向和径向分成n×m个小面元，对温度变化明显的部分实施局部加密，以提高计算精度。根据普朗克定律求出各面元的光谱辐射度Mλ，ij（Tij），再利用积分可以求出该面元在任意波段内的辐射度。
为进一步获取飞机蒙皮的辐射强度，则必须确定观察点。在某时刻把观察点可观察到的所有面元的辐射强度进行求和，即可得到辐射强度：
式中，ΔAij为面元面积；θij为视线与面元法线之间的夹角，当θij＞90°时，Iij＝0。显然在某一时刻，飞机蒙皮在某一光谱波段内的辐射强度除与飞机蒙皮在该时刻表面温度有关外，还与观察点位置及飞机在空中的姿态有关。
2.4 组合红外辐射模型
上面分别建立了飞机红外辐射三个主要组成部分的辐射计算模型，但飞机的总体红外辐射
并不是三部分的简单加和，因为热空腔的辐射线穿过高温尾焰时会被强烈地吸收，而且飞机机身会对某方位的辐射形成遮挡。
尾焰的吸收对飞机后半球红外辐射影响很大，故对热空腔的辐射应加以修正：
式中，It，λ（λ，a）为热空腔向后半球的辐射通过喷口平面上某一小面元a的光谱辐射强度；τ（λ，a，s）为通过尾焰的路径a-s的透过率。则飞机总体红外辐射模型为：
通过式（7）可算出任意飞行状态、任意视线方向上飞机在给定波段的红外辐射强度。
飞机的红外辐射能被红外探测器接收，将其转换为便于测量的电能，最终形成目标的信息，用于预警、制导等。探测器接收到有效的目标信息，要经过大气传输和目标与背景的对比两个主要步骤。
3.1 红外辐射在大气中的传输
红外辐射在大气中的传输特性由大气透射率来描述［9］。红外辐射在到达红外导引头之前受到大气中某些气体的选择性吸收、悬浮微粒的散射而衰减。因此大气透射率为：
式中，τa（λ）为大气吸收所产生的透射率；τγ（λ）为大气散射所产生的透射率。
（1）大气吸收。大气中对红外辐射产生选择性吸收的主要是水蒸气和二氧化碳。目前已经根据理论分析结合实验测量得到了海平面水平路径上水蒸气及二氧化碳的光谱透射率。可以对海平面水平路径上水蒸气及二氧化碳的光谱透射率进行修正，求出其他路径上的透射率。具体方法为：对于水平路径，把高度H上的路程长度x折合成等效海平面上的路程x0，然后查计算光谱透射率，x和x0的关系为：
式中，P，P0分别为高度H处和海平面的大气压强；T，T0分别为高度H处和海平面的大气温度，其值可通过前面的标准大气模型求得。对于不变组分二氧化碳，可以用传输路程直接从海平面水平路径上二氧化碳的光谱透射率表中查出大气透射率。对于大气中的可变组分水蒸气，根据可凝水量从海平面水平路径上水蒸气的光谱透射率表中查出透射率。
对于倾斜路程大气透射比的计算，把倾斜路程分成若干段，每段路程看成是水平的，以每段的中点处的压强作高度修正，然后把每段的透射率相乘，就得到整个倾斜路程的透射率。
（2）大气散射［10］。利用严格的散射理论来计算大气的散射是很麻烦的，本文利用可见距离，以经验公式来计算大气对给定辐射波长的散射系数和散射引起的透射率。任意波长λ的散射系数为：lw8-40.5
式中，λ0＝0.55μm；Rγ为可见距离，单位为km；q按如下条件取值：当Rγ＞80km时，q＝1.6；中等可见距离的典型大气中q＝1，3；Rγ＜6km的低能见度大气中q＝0.585 Rγ1/3。
所以，大气散射引起的透射率为：
3.2 目标辐射与背景辐射的对比
在有背景辐射的情况下，红外系统响应的不是单独目标的辐射，而是响应目标与背景辐射之差。
红外系统面临的背景辐射主要有天空辐射、地面辐射和海洋辐射。其中，天空辐射包括阳光散射和大气辐射，散射亮度随探测器的仰角、太阳的高度角而变化，本文取测量的平均值；大气辐射则近似为一个温度等于环境温度的黑体辐射。地面辐射近似为一个温度为28
0K的黑体辐射。海洋辐射也可考虑为水面对阳光散射和一个黑体辐射的叠加。
总之，背景对红外探测器接收的目标信息产生一定的影响，应根据背景辐射与目标辐射的对比对探测器接收的目标信息进行修正。影响探测距离的有效辐射亮度为：
式中，Lt，Lb分别为目标和背景的辐射亮度；k为红外系统对实际辐射体的辐射利用系数，即：
其中，τa为大气透过率；τ0为光学系统透过率；d*（λ）为相对单辐射探测率。
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