第３３卷第９期 ２０１１年９月 红外技术 Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｂ１－３３ ＮＯ．９ Ｓｅｐ．２０１１ （制导与对抗＞ 红外目标温度变化对被发现距离的影响研究 赵忠伟，程玉宝，张玉钧 （电子工程学院脉冲功率激光技术国家重点实验室，安徽合肥２３００３７） 摘要：红外目标温度的高低影响着被发现的距离，隐身技术可以降低目标的表面温度。通过分析目标 温度、红外辐射、光电探测等之间的关系，建立了目标温度与被发现距离的数学模型，通过仿真计算， 给出了几种典型红外目标温度变化对被发现距离影响的结果，可为隐身技术手段的运用提供参考。 关键词：红外目标；温度变化；发现距离 中图分类号：ＴＮ２１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１－８８９１（２０１１）０９．０５３０．０３ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｔａｒｇｅｔ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｄｉｓｔａｎｃｅ ＺＨＡＯ Ｚｈｏｎｇ—ｗｅｉ，ＣＨＥＮＧ Ｙｕ—ｂａｏ，ＺＨＡＮＧ Ｙｕ－ｊｕｎ （Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆＰｕｌｓｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｌａｓｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｈｅｉｆｅｉ ２３００３７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｉ虢ｒｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｔａｒｇｅｔ ｃａｎ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｄｉｓｔａｎｃｅ．ａｎｄ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃａｎ ｂｅ ｒｅｄｕｃｅｄ ｂｙ ｓｔｅａｌｔｈ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ．Ａ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔａｒｇｅｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｗａｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｂｙ ａｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆ ｔａｒｇｅｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｉｎｆｒａｒｅｄ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅ位ｃｔ ｏｆ ｓｅｖｅｒａｌ ｔｙｐｉｃａｌ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｔａｒｇｅｔｓ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｎ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｗｅｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｕｓｅｆｕｌ ｉｎ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｅａｌｔｈ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｆｒａｒｅｄ ｔａｒｇｅｔ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ，ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｄｉｓｔａｎｃｅ 引言 在现代战争中，目标被发现就意味着受到威胁。 对于红外目标，其温度的高低影响着被发现的距离， 通常需要降低目标的表面温度，减少红外辐射量，缩 短其被发现的距离，以达到保护目标的目的【】】。 立目标温度与被发现距离的关系模型，然后研究几种 典型目标的温度变化与被发现距离的关系。 １ 红外目标的温度变化与发现距离的关系 模型 设红外目标为朗伯源，其面积为Ａｓ，温度为 在距离尺远处有一光电探测设备，对红外辐射源进行 探测。设光电探测设备的光学窗口面积为 ，核心探 测器的面积为 ，探测器响应波长范围为 ～ ，探 测灵敏度为 ，二者关系如图１所示。 降低红外目标的温度，是隐身技术一种重要手 段，而当前只能在一定的范围内降低目标的温度Ｌ２ Ｊ。 如果要进一步降低目标的温度，不仅成本过高，而且 技术上也难以实现。因此为了满足战术要求，必须研 究目标所降低的温度与被发现距离的关系，以便很好 地运用此隐身技术手段。 目前，大多数研究集中在目标发射率与被发现距 离的关系，通过添加涂层等手段改变目标表面发射率 来降低被发现距离，达到隐身目的Ｌ６ Ｊ，而关于目标温 度变化与被发现距离关系的研究比较少。本文首先建 收稿日期：２０１１－０３—１６；修订日期：２０１１－０８—２９． 作者简介：赵忠伟，男，河北保定人，硕士研究生，主要研究方向为光学工程。 通讯作者：程玉宝，男，安徽桐城人，副教授，主要研究方向为光电对抗和光电探测技术。 图１辐射源与探测器 Ｆｉｇ．Ｉ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ ｄｅｔｅｃｔｏｒ 第３３卷第９期 ２０１１年９月 、，０１．３３ ＮＯ．９ 赵忠伟等：红外目标温度变化对被发现距离的影响研究 Ｓｅｐ．２０１１ 由于二者距离相距较远，远远大于本身的尺寸， 皆看作小面源。 设辐射源在波长范围 １～ 内的发射率为 ～ ， 则探测器输出电流ｉ。为： ‘＝ （ ）・ ～ （Ｔ）ｄＡ （８） 根据普朗克公式可知：在温度为 时，光谱辐射出射 当探测器输出电流 大于等于阈值电流矗时，红 外目标被发现，此时的红外目标与光电探测设备之间 度 ～ （ ）为： ＾～ 的距离是目标被发现的距离。 综合式（１）～式（８），可得Ｒ与 的关系为： （ ）＝ ‘ 而Ｉ＿ ’ ～ ｄ２ （１） 式中：Ｃｌ为第一辐射常数；Ｃ１＝２ ｃ ＝３．７４×１０ Ｗ．ｐ．ｍ．１ＴＩ＿。；Ｃ２为第二辐射常数，Ｃ２＝ｈｃ／ｋａ＝１．４４×１０ ｇｍ．Ｋ， 为波尔兹曼常数； 为绝对温度 ］。 根据辐射出射度 的定义，可以得到辐射亮度 与Ｍ的关系式： Ｒ（ｒ）＝（ ・！ ・ ・ｃｏｓ０ｓ・ｃｏｓ ・Ｂ・ｆ・ 兀 。９１ Ｊｉ２ 南 ｄ２） ，２ ２ 不同红外目标的温度变化与发现距离的关系 根据红外目标温度的不同，可将其分为ｌ低温目 标、中温目标和高温目标三类，本文以人体、汽车和 导弹分别代表三类目标进行仿真，分析其温度变化与 被发现距离的关系。 假定探测设备的各项参数为：透镜透过率龟＝ Ｍ＝【 一 ・Ⅱ球面度 ｃｏｓ８ｄ．（２ 式中：劝辐射方向与法线方向的夹角。 角元ｄＯ＝ｓｉｎＯｄＯｄｑ￣，则式（２）可写为： 、 （、２） 一对于朗伯辐射源而言， 与呒关，球坐标的立体 Ｍ：Ｌ Ｉ 面厦 ＣＯＳ ｄ ＝ （３） ｄ 上ｃｏｓＯｓｉｎ８ｄＯ＝ 则在温度为 、波长在 ｌ～ 范围内辐射源辐射 亮度为： ～ ０．９５，响应率 ＝０．８４ ｍＡ／ｍＷ，探测器面积Ａ＝１．６ ×１０一ｍ２探测器响应波长范围：８～１４ｇｍ；光学窗 蜀 ∞船船ｎ ｎ口面积Ｂ＝０．０１ ｍ２；阈值电流ｉｔ＝５ ｕＡ。并假设大气 ，０ ７耳ｌ ８ 透过率ｒ＝０．８。 （ ）： （４） ２．１人体温度变化与被发现距离的关系 对于单兵，可假定人体皮肤为辐射源，有效辐射 面积平均为Ａｓ＝Ｏ．６ ｍ ，皮肤的发射率很高，正常温 度在３６￣Ｃ左右，在波长大于４ ｇｔｍ以上的平均值为 峰值波长在９ ｇｍ；，由于被发现距离远大于单 兵的身高，因此，可设ＯＡ＝Ｏ，Ｏｓ＝０。 基于上述数据，在Ｍａｔｈｃａｄ中，运用式（９）进行仿 ，，辐射源在 方向上的辐射强度为：． ｚ（ｒ）＝ ～ （Ｔ）。 ‘ｃｏｓ０ｓ 射经光学窗口聚焦到探测器上 ］。 （５） 光电探测设备的工作原理图如图２所示，红外辐 真计算，得到被发现距离 随温度 的变化曲线图， 如图３所示。 光学窗口 图２光电探测设备框图 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ 设光电探测器的面积为 ，光谱响应度为 （ ， 光学窗口的面积为 ，光学透镜透过率为龟，红外辐 射在传输过程中受到大气透过率为 ，则光学窗口上 的红外辐射照度 ～ （ ）为： （ ）： （６） Ｆｉｇ．３ 图３人体为辐射源时被探测距离与温度变化关系 Ｔｈｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｄｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ｔａｒｇｅｔ 式中：尺为目标被发现距离； 为辐射源法线和探头 至辐射源间连线之问的夹角； 为光电探测器法线和 探测方向间的夹角，如图１所示。 ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｈｕｍａｎ ｂｏｄｙ ｉｓ ｔｈｅ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｓｏｕｒｃｅ 从图３中可看出：被发现距离Ｒ随温度 的升高 线性增大；温度每变化一度，被发现距离变化１．６ ｍ 左右。 光电探测器上接受到的辐射通量 ～＾（ ）为： ～ （ ）＝ ～ （ ） （７） ５３１ 第３３卷第９期 ２０１１年９月 红外技术 Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 、，０ｌ＿３３ ＮＯ．９ Ｓｅｐ．２０１１ ２．２汽车温度变化与被发现距离的关系 如图５所示。 汽车发动机为立方体，假定每个面面积为Ａ ： ０．１６ ｍ２。汽车在行驶过程中，从任何一侧进行探测， 其辐射源均可看成是发动机的一个顶面、一个侧面和 地面反射。由于远距离探测汽车，所以 顶≈ 底≈ ０．００８，０Ａ顶≈０Ａ底≈０，ａｓ侧≈ｏＡ侧≈０， 底、 侧分别为发动机顶面、地面和发动机侧面法线和探 头至辐射源间连线之间的夹角， ｒ蠢、ａＡ侧分别 为光电探测器法线和探头至发动机顶面、地面和发动 机侧面连线之间的夹角。相应的式（９）变为： （ ）：［ ‘ｆ＿ｆ．Ｌ’（ ｃ。ｓＯｓ顶’ｃ。ｓ 顶＋ １ ‘Ｏ￣￣ＣＯＳ ７Ｋ 底。 图５ 导弹为辐射源时被探测距离与温度变化关系 ｃｏｓＯＡｒ￣＋４’ｃｏｓＯｓ侧’ｃｏｓＯ侧）’Ｂ‘ｆ‘ｚ．－Ｂ’ Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｄｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ｔａｒｇｅｔ 南 ｄｇ］“ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｍｉｓｓｉｌｅ ｉｓ ｔｈｅ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｓｏｕｒｃｅ ・从图５中可看出：被发现距离Ｒ随温度 的升高 （１０） 非线性增大；温度越高，每变化一度，被发现距离变 发动机正常工作外壳温度一般在８０￣Ｃ到９０℃之 化幅度将减小。 间，发动机在波长在８～１ ４ ｕｍ的发射率为 ～＾＝Ｏ．８５，地面反射率为ａ＝Ｏ．５。 ３结束语 基于上述数据，在Ｍａｔｈｃａｄ中，运用式（１Ｏ）进行 本文通过建立数学模型，分析了红外目标温度与 仿真计算，得到被发现距离别遍温度 的变化曲线图， 被发现距离的关系，经过仿真得出二者的关系曲线。 如图４所示。 对于低温红外目标，其温度每降低一度，被发现距离 从图４中可看出：被发现距离 随温度 的升高 随温度基本呈线性减小。对于高温红外目标，其温度 线性增大；温度每变化一度，被发现距离变化１．１４ｍ 每降低一度，被发现距离随温度呈非线性减小。目标 左右。 温度越高时，每降低一度，被发现距离减小的幅度将 变小。 参考文献： ［１］ 胡永茂，方静华，陈秀华，等．红外隐身技术的研究与进展［Ｊ】ｌ云南大 董 学学报：自然科学版，２００２，２４（１Ａ）：９０－９４． ［２１ 许鹏程，李晓霞，胡亭，等．红外隐身原理及发展［Ｊ］．红外，２００６， ２７（１）：１６－２０． ［３１李晓光，胡江华，张品，等．降温涂料在红外隐身中的应用【Ｊ】．红外， ２００７，２８（６）：２９—３２． 【４］穆武第，程海峰，唐耿平，等．热红外隐身伪装技术和材料的现状与 ／Ｋ 发展［Ｊ］＿材料导报，２００７，２１（１）：１ １４—１ １７． 图４发动机为辐射源时被探测距离与温度变化关系 ［５ 胡丽萍，王智慧，满红，等．坦克装甲车辆红外隐身技术的发展【５］Ｊ】．光 Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｄｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ｔａｒｇｅｔ 电机信息，２００９，２６（６）：ｌ７～２１． ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅ ｉｓ ｔｈｅ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｓｏｕｒｃｅ 【６】 徐鹏．红外隐身技术的发展动向与分析【ｊ】．舰船电子工程， ２．３导弹温度变化与被发现距离的关系 ２００９，７：４０—４４． 飞行中的弹道导弹是一种强烈的辐射源，导弹穿 过稠密的大气时其外壳温度高达几千Ｋ，假定导弹有 ［７】路远，凌永顺，吴汉平，等．地面目标的红外被动测距研究［Ｊ］．红外与 效辐射面积为Ａｓ＝０．８ ｍ ，在波长在８～１４ ｍ的发射 毫米波学报，２００４，２３（１）：７７￣８０． ［８】张建奇，方小平．红外物理［Ｍ］．西安：西安电子科技大学出版社， 率为 ＾＝０．８５，设ａＡ＝ｎ／６， ＝ｎ／６。 ２００４：５６—５７． 基于上述数据，在Ｍａｔｈｃａｄ中，运用式（９）进行仿 ［９］安毓英，曾晓东．光电探测原理［Ｍ】．西安：西安电子科技大学出版社， 真计算，得到被发现距离 随温度 的变化曲线图， ２００９：４ ８． ５３２
