飞行器目标空中红外辐射特性测试技术研究

书书书测控技术２０２０年第３９卷第４期航空试验与测试　收稿日期：２０１９－０３－３０作者简介：姚凯凯（１９８９—），男，硕士，工程师，主要研究方向为目标特性试飞。引用格式：姚凯凯，许帆，王怡．飞行器目标空中红外辐射特性测试技术研究［Ｊ］．测控技术，２０２０，３９（４）：６－１０．ＹＡＯＫＫ，ＸＵＦ，ＷＡＮＧＹ．ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＴｅｓｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＡｉｒｂｏｒｎｅＩｎｆｒａｒｅｄＲａｄｉａｔｉｏｎＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＡｉｒｃｒａｆｔ［Ｊ］．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆ＣｏｎｔｒｏｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２０，３９（４）：６－１０．飞行器目标空中红外辐射特性测试技术研究姚凯凯，许　帆，王　怡（中国飞行试验研究院，陕西西安　７１００８９）摘要：空中动态测试能够获取飞行器在飞行状态下的红外辐射特性，测试结果置信度高，为飞行器的红外隐身性能鉴定评估提供数据支撑。针对飞行器辐射温度范围宽、红外热像仪测温范围窄难以一次完全覆盖，提出了角度区域测试法，得到飞机多视向角测试结果；分析影响空中测试距离的因素，通过计算得到最优测试距离为２００～５００ｍ；研究空中近距离的大气传输特性，得到测试高度越高，大气传输对测试结果影响越小的结论。试飞测试结果验证了所提出措施的可行性和正确性，可有效提高飞行器空中动态测试效率，实现飞行器隐身性能的全面测试与评估。关键词：飞行器；红外辐射特性；动态测试；置信度；测试效率中图分类号：Ｖ２１８；ＴＮ２１５　　文献标识码：Ａ　　文章编号：１０００－８８２９（２０２０）０４－０００６－０５ｄｏｉ：１０．１９７０８／ｊ．ｃｋｊｓ．２０２０．０４．００２ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＴｅｓｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＡｉｒｂｏｒｎｅＩｎｆｒａｒｅｄＲａｄｉａｔｉｏｎＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＡｉｒｃｒａｆｔＹＡＯＫａｉｋａｉ牞ＸＵＦａｎ牞ＷＡＮＧＹｉ牗ＣｈｉｎｅｓｅＦｌｉｇｈｔＴｅｓｔＥｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ牞Ｘｉａｎ７１００８９牞Ｃｈｉｎａ牘Ａｂｓｔｒａｃｔ牶Ｔｈｅａｉｒｄｙｎａｍｉｃｔｅｓｔｃａｎｏｂｔａｉｎｔｈｅｉｎｆｒａｒｅｄｒａｄｉａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅａｉｒｃｒａｆｔｉｎｆｌｉｇｈｔｓｔａｔｅ牞ａｎｄｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈａｖｅｈｉｇｈｃｏｎｆｉｄｅｎｃｅ牞ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｄａｔａｓｕｐｐｏｒｔｆｏｒａｉｒｃｒａｆｔｓｉｎｆｒａｒｅｄｓｔｅａｌｔｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ．Ｔｈｅｉｎｆｒａｒｅｄｃａｍｅｒａｈａｓｎａｒｒｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒａｎｇｅ牞ｓｏｔｈａｔｃａｎｎｏｔｃｏｖｅｒｔｈｅａｉｒｃｒａｆｔ．Ｔｈｅａｎｇｌｅａｒｅａｔｅｓｔｍｅｔｈｏｄｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ牞ａｎｄｔｈｅｍｕｌｔｉｖｉｅｗａｎｇｌｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｏｕｇｈａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｆａｃｔｏｒｓｏｆｔｈｅａｉｒｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｄｉｓｔａｎｃｅ牞ｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｄｉｓｔａｎｃｅｗａｓ２００～５００ｍ．Ｔｈｅａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｔｃｌｏｓｅｒａｎｇｅｉｎｔｈｅａｉｒｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ牞ａｎｄｔｈｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｗａｓｔｈａｔｔｈｅｈｉｇｈｅｒｔｅｓｔｈｅｉｇｈｔ牞ｔｈｅｓｍａｌｌｅｒｅｆｆｅｃｔｏｆａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｏｎｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓ．Ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｖｅｒｉｆｙｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙａｎｄｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓｏｆｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｍｅａｓｕｒｅｓ牞ｗｈｉｃｈｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｆｌｉｇｈｔｔｅｓｔｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ牞ａｎｄｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｔｅｓｔａｎｄｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆａｉｒｃｒａｆｔｓｔｅａｌｔｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ牶ａｉｒｃｒａｆｔ牷ｉｎｆｒａｒｅｄｒａｄｉａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ牷ｄｙｎａｍｉｃｔｅｓｔ牷ｃｏｎｆｉｄｅｎｃｅ牷ｔｅｓｔｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　　红外隐身性能作为现代武器装备重要的战技指标，通过提高作战飞行器的红外隐身性能，可以极大增强其战场生存能力及作战能力。提高飞行器红外隐身性能的途径主要有３种：综合红外隐身设计技术、红外低发射率涂料发展、全面的红外隐身性能测试技术［１］。飞行器红外隐身性能的全面测试一方面可验证红外隐身性能指标达标情况，另一方面可以反馈红外隐身设计，为其提供重要支撑和参考，优化最终的红外隐身设计方案。飞行器红外隐身性能动态测试主要有两种途径，一种是地面动态测试，另一种是空中动态测试。地面动态测试是通过地面跟踪测试系统，对被测飞行器进·６·行手动／自动跟踪，红外测试设备单元完成数据的采集记录，该方式主要完成对直升机等低速飞行器的红外辐射特性测试；空中动态测试主要是通过载机挂装机载红外测量吊舱，与被测飞行器编队飞行，通过空中伴飞的方式，完成红外数据的采集记录［２］，其中机载红外测量吊舱由搜索跟踪系统和红外测量设备组成，该方式主要可完成高速飞行器近距红外辐射特性测试，能直观地描述飞行器真实飞行状态下的红外辐射特性，测试结果的置信度高。国外非常重视空中目标红外特性测试与研究，开展红外特性测试工作较早，始于２０世纪５０年代。以美国为代表，对空中目标红外特性测试的设施主要有机载红外测量吊舱和大型飞机（空中目标光学实验室），其装载了多种红外测量设备（包括光谱辐射计、光谱成像仪、短波／中波／长波红外热像仪、可见光ＣＣＤ相机等）［２］，按照既定的规范和流程，获取了大量飞行器、导弹、其他面目标和背景的红外特性数据，形成了完备的测量评估体系。国内开展空中目标特性测试较晚，但经过多年的研究，具备了一定的测试能力，但在测量设备的能力、测试平台、测试体制等方面与国外仍存在较大差距，尚未形成完整的测量体系。飞行器空中动态测试不管是在人力资源方面，还是在经费方面，代价都特别大［３］。因此，主要通过研究空中动态测试过程中的关键环节，突破测试关键技术，提高测试的准确性和测试效率，在有限的试飞架次中完成飞行器隐身性能的全面测试与评估。１　飞行器空中红外辐射特性测试方法飞行器空中红外辐射特性测试一般是利用专用的测量设施获取飞行器在真实工作状态下红外特征信号的过程，按照测试途径，可分为地空动态测试和空中动态测试。１．１　地空动态测试地空动态测试是指测试目标飞行器在低空飞行，红外测试设备搭载于地面自动跟踪测量系统上，测试其热图像和红外辐射强度的过程。测试方法为：根据飞行器的性能及测试内容，选择满足测试要求的跟踪测量系统，飞行器按照一定的飞行轨迹飞向跟踪测量系统，完成测试工作。飞行器正向飞向跟踪测量系统时，测试前下半球红外辐射特征；飞行器远离跟踪测量系统时，测试后下半球红外辐射特征；飞行器在跟踪测量系统侧向飞行时，测试侧下半球红外辐射特征。地空动态测试示意图如图１所示。由于环境大气对测试结果的影响较大，因此在测量期间，应实时记录测试区域的气象参数。图１　地空动态测试示意图１．２　空中动态测试空中动态测试是指装载红外测试设备的飞行器与目标飞行器编队飞行，测试热图像和红外辐射强度的过程。测试方法为：红外测量设备安装在吊舱系统内，选择飞行性能满足要求的载机挂装吊舱，根据测试内容，载机与目标飞行器空中伴飞，伴飞的方式通常为载机正向挂装测量吊舱，在目标飞行器侧后方进行编队飞行，完成目标飞行器后向红外辐射特性测量；载机反向挂装测量吊舱，在目标飞行器侧前方进行编队飞行，完成目标飞行器前向红外辐射特性测量。空中动态测试示意图如图２所示。图２　空中动态测试示意图２　测试设备用于红外辐射特性测试的设备主要有红外热像仪、红外光谱仪及黑体标校系统［４］。红外热像仪可用于获取目标的红外辐射亮度、强度及温度场分布；红外光谱仪可用于获取目标的光谱辐射分布、光谱辐射亮度及光谱辐射强度；黑体标校系统主要用于红外热像仪和红外光谱仪的定标，减小测试设备响应曲线漂移对测试结果的影响。红外热像仪的工作原理为将物体表面分解为多个像元，成像组件将各像元温度的辐射能量汇聚到探测器上，探测器输出与辐射能量成正比的电信号，经信号处理，显示出对应于物体表面温度分布的图像，通过定标得到物体表面的辐射温度。热像仪探测的辐射亮度包括被大气衰减的目标辐射亮度、目标反射并经大气衰减的周围环境辐射亮度以及沿途大气的辐射亮度。·７·飞行器目标空中红外辐射特性测试技术研究因此，为了得到目标的辐射亮度，还需进行大气透过率修正以及大气程辐射修正等。红外光谱仪的工作原理为将视场内所有目标的入射能量通过光电转换成为电信号，在各光谱节点输出辐射能量分布。除大气衰减及大气程辐射外，其受背景辐射的影响也很大，故在进行光谱数据处理时，还需考虑背景辐射的影响，并将其扣除，进而得到目标的光谱辐射亮度和光谱分布。测量吊舱系统是将多个红外及辅助测量设备以合理的布局安装在吊舱内，图３为吊舱挂装飞机机翼下方及吊舱局部放大图。从图３可看出，吊舱中安装了多台红外测量设备及辅助测量设备，其包括１台长波红外热像仪、１台红外跟踪相机、１台激光测距仪、３台中波红外热像仪、１台中波光谱辐射计、３台可见光相机等，美军使用该吊舱对Ｆ２２进行了多架次的空中红外特性飞行试验［５］。图３　吊舱挂装飞机机翼下方示意图３　测试关键因素分析及解决措施３．１　空中动态测试主要流程空中动态测试过程如图４所示，主要包括以下几部分。①测试设备选择：根据被测飞行器的测试内容，选择满足测试要求和测试精度的红外测试设备。②测试载机选择：飞行高度和速度等飞行性能满足被测飞行器的测试内容要求，同时能够装载测试吊舱系统。③测试方案制定：根据测试设备的配置和能力，以及测试内容，确定测试载机和被测飞行器的编队方式，包括飞行高度、速度、相对距离、相对方位、姿态等参数要求。④测试工作开展：天气要求为晴朗无云，按照测试方案进行测试。⑤定标：包括测试前测试设备的光轴一致性校准和定标，以及测试后的数据定标。⑥数据处理与修正：对定标后的测试数据按照要求计算处理得到红外辐射亮度／强度、光谱辐射亮度／强度，并对计算结果进行修正，如大气传输修正、吊舱整流罩修正等，分析红外辐射特性测试结果。图４　测试流程图３．２　关键因素分析①空中飞行状态飞行器的机身蒙皮温度可达－３０℃甚至更低［６］，发动机尾喷管的辐射温度高达几百乃至上千摄氏度［７］，对于这种宽温范围目标，热像仪测温范围有限，难以一次全部覆盖，导致测试准确性不高。②测试距离是影响空中动态测试数据质量的另一关键因素，从大气传输角度考虑，测试距离越近越有利，距离越近，大气吸收越小。从成像需求考虑，若测试距离过近，可能会导致飞行器在测试设备上的成像大于测试设备的视场，使得超出测试设备视场的飞行器的红外特征测不到，导致测试无效；若测试距离远，导致飞行器的成像在整个成像画面中所占的比例较小，使得数据处理的误差增大。图５为成像大小与测试距离关系示意图。图５　成像大小与测试距离关系示意图③空中测试过程中，测试距离、飞行高度、测试波段等因素均会影响大气透过率，且大气传输对红外测试影响巨大。因此，研究大气传输的变化规律，可为空中测试方案的制定提供一定的支撑。３．３　解决措施３．３．１　宽温范围目标测试飞行器整体的辐射温度范围宽，但是其具有明显的方向性，在不同的测试角度下，其辐射温度存在巨大差异［８－９］，表现为：从机身前向进行测试，主要为飞行器的进气口和前机身的蒙皮辐射，属于低温辐射区；从机身侧向进行测试，主要为飞行器的机身和排气尾焰的辐射，属于低温辐射和中温辐射的混合区；从机身后·８·《测控技术》２０２０年第３９卷第４期向进行测试，主要为飞行器的发动机热部件及排气尾焰的辐射，属于高温辐射区。基于飞行器红外辐射特性与测试角度的变化规律，提出一种角度区域测试方案，测试前向红外辐射特性时，即０°～３０°（机头朝向为０°），以长波测试设备为主，设置的测温范围为低温；测试侧向红外辐射特性