飞机目标红外成像建模与仿真

0　引　　言

　　在现代战争中,作战飞机具有空中侦察、监视、运输、支援、打击等多种功能,已成为夺取战场主动权的有力武器。随着现代科学技术的发展进步,对飞机目标的探测、跟踪与识别技术研究已成为国内外光电子技术领域的一个重要课题。由于红外技术具有被动探测、隐蔽性好、探测距离远、成像精度高等优点,已成为作战过程中对飞机目标进行探测、跟踪、识别、和打击的有效手段。目前国内外开展飞机目标红外辐射特性研究的方法主要有两种:一种是在真实条件下使用红外传感器进行实际测量;另一种是采用计算机仿真建模的方法。尽管实测数据的置信度较高,但是由于实际战场环境的复杂性和目标的多样性,并且需要消耗大量的人力和物力资源,因此,国内外普遍采用计算机建模仿真的方法得到空中目标红外图像。本文在深入研究飞机红外辐射特点和传感器结构功能的基础上,建立飞机目标红外辐射模型和传感器功能仿真模型,通过软件编程可实时生成飞机目标红外仿真图像。

　　1　仿真流程设计

　　对飞机目标红外成像仿真的软件设计思想主要是模拟从飞机目标发出的红外辐射经大气传输衰减后到达红外传感器成像的全过程,整个系统仿真流程如图1所示。本文在运用3DMAX软件建立飞机目标三维坐标模型的基础上,重点分析研究飞机目标自身红外辐射建模和红外传感器功能仿真两个重要组成部分,其中对飞机红外辐射建模主要依据飞机自身的温度分布特点,对传感器建模主要依据传感器各部分功能组成,通过消隐、遮挡等信息处理过程,实现飞机目标红外成像仿真。

　　2　目标红外辐射模型

　　2.1　尾喷管辐射建模

　　尾喷管实际上是被排出的气体加热的圆柱形腔体,可将发动机尾喷管及其热部件看作灰体(ε=0.9),根据其温度和尾喷管面积来计算其辐射量。在工程计算中,尾喷管相应的黑体光谱辐出度Mbb(T)为:

式中:T为尾喷管的温度,λ为辐射波长,h为普朗克常数,c为光速,k为玻耳兹曼常数,计算尾喷管在某波段范围内的辐射强度:

式中:A为尾喷管面积,θ为尾喷管截面法线与观测方向的夹角。

　　2.2　蒙皮辐射建模

　　蒙皮辐射可视为发射率ε=0.6的灰体辐射,根据普朗克辐射定律,由式(2)可根据蒙皮温度和面积计算其红外辐射强度。飞机高速运动将在机体表面产生气动加热效应,蒙皮表面驻点温度Ts的计算公式为:

　　式中:T0为周围大气的温度,单位为K;pr为普朗特数,pr表示温度恢复系数,层流为0.82,紊流为0.87;γ为空气定压定容热容量之比,一般取1.4;Ma为飞行马赫数,T0为周围大气温度。随着高度的增加,当飞行在对流层和同温层(高度超过11.3 km)时,由于飞行体表面层流的影响,蒙皮驻点温度按下列表达式计算可得: