呂曉林
(中國人民解放軍92419部隊(duì),遼寧125106)
無人機(jī)飛行時紅外輻射特性測量受多方面因素影響,測量誤差大,難以滿足試驗(yàn)要求。通過采用室內(nèi)紅外熱像儀標(biāo)定、室外紅外熱成像進(jìn)行目標(biāo)紅外輻射特性反演以及大氣傳輸修正,得到了無人機(jī)自身紅外輻射特性。
依托紅外成像測量分析系統(tǒng),采用紅外成像法測量無人機(jī)紅外輻射特性。測量過程包括無人機(jī)紅外圖像采集、紅外熱像儀標(biāo)定、紅外輻射特性計算和大氣傳輸修正。
根據(jù)無人機(jī)尺寸、布站情況、飛行航線等對紅外熱像儀設(shè)置合理的視場和積分時間,由伺服轉(zhuǎn)臺穩(wěn)定跟蹤無人機(jī),對無人機(jī)進(jìn)行紅外成像。
紅外熱像儀標(biāo)定是利用紅外熱像儀對不同溫度黑體進(jìn)行成像,得到紅外熱像儀輸出信號幅值與黑體溫度、輻射亮度的對應(yīng)關(guān)系。
依據(jù)標(biāo)定結(jié)果,將無人機(jī)測量像素的電平值轉(zhuǎn)換為輻射亮度、溫度等紅外輻射特性,無人機(jī)所有像素點(diǎn)綜合即可得到無人機(jī)的紅外輻射特性。
考慮紅外輻射受大氣傳輸影響,對測量結(jié)果進(jìn)行修正,獲得無人機(jī)輻射特性。
在利用紅外熱像儀測量目標(biāo)輻射特性之前,需要先對紅外熱像儀進(jìn)行輻射定標(biāo),以確定其輻射響應(yīng)度。
紅外熱像儀輻射定標(biāo)模型如下
式中:G——紅外熱像儀輸出值;K——待標(biāo)定的紅外熱像儀輻射亮度響應(yīng)度;N——黑體在紅外熱像儀測量波段內(nèi)的輻射亮度;B——由紅外熱像儀自身光機(jī)結(jié)構(gòu)熱輻射、散射背景輻射以及探測器暗電流引起的偏移值。
在大氣中測量目標(biāo)輻射特性時,大氣中的分子和氣溶膠粒子對目標(biāo)輻射產(chǎn)生吸收和散射衰減,同時大氣自身輻射又疊加到目標(biāo)輻射上。大氣中的目標(biāo)輻射測量模型為
式中:G——紅外熱像儀輸出值;K——待標(biāo)定的紅外熱像儀輻射亮度響應(yīng)度;B——由紅外熱像儀自身光機(jī)結(jié)構(gòu)熱輻射、散射背景輻射以及探測器暗電流引起的偏移值;a——目標(biāo)與紅外相機(jī)之間的大氣透過率;Nt——被測目標(biāo)輻射亮度;Npath——目標(biāo)與相機(jī)之間的大氣程輻射,一般可利用大氣觀測設(shè)備測量大氣參數(shù),然后用大氣輻射傳輸計算軟件計算a和Npath。
由公式(2)可反演得到目標(biāo)輻射亮度
由公式(3)可知,目標(biāo)輻射亮度的反演精度取決于系統(tǒng)輸出值、偏移值、輻射亮度響應(yīng)度以及大氣透過率和程輻射的不確定度,分析如下:
(1)在當(dāng)前紅外成像技術(shù)水平下,紅外熱像儀輸出值的不確定度一般優(yōu)于1%;
(2)輻射亮度響應(yīng)度的不確定度一般可控制在5% ~10%;
(3)偏移值的不確定度取決于紅外熱像儀自身熱穩(wěn)定性以及環(huán)境溫度穩(wěn)定性,如果在20℃常溫下進(jìn)行定標(biāo),則±1℃的環(huán)境溫度穩(wěn)定性帶來的不確定度約為2%;
(4)大氣透過率和程輻射的不確定度取決于大氣參數(shù)的測量精度以及大氣輻射傳輸計算軟件的計算精度,一般為10% ~20%。
無人機(jī)進(jìn)行兩個架次飛行,每個架次分別以160m/s及190m/s速度進(jìn)行兩次進(jìn)入,每次進(jìn)入進(jìn)行一次測量。飛行航線如圖1、圖2所示。
紅外熱像儀布設(shè)在無人機(jī)飛行航路附近的島嶼上,紅外熱像儀光軸與無人機(jī)飛行方向呈一定夾角。紅外熱像儀工作波長為(3.7~4.8)μm。紅外熱像儀采用3600μs積分時間檔。
圖1 飛行航線1Fig.1 Flight line 1
圖2 飛行航線2Fig.2 Flight line 2
測量數(shù)據(jù)選取原則:
(1)為保證紅外熱像儀響應(yīng)在線性區(qū)域,選取連續(xù)多幀不飽和測量數(shù)據(jù),進(jìn)行紅外輻射特性反演;
(2)不選用無人機(jī)初始進(jìn)入視場時捕獲不穩(wěn)定的測量數(shù)據(jù);
(3)不選用無人機(jī)沒有相應(yīng)時刻GPS信息的測量數(shù)據(jù)。
紅外熱像儀經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)黑體定標(biāo)源標(biāo)定后,擬合得到輸出信號幅值G(量化值)與黑體輻射亮度N(單位:W·m-2·sr-1)相對應(yīng)的一次線性函數(shù)曲線
根據(jù)標(biāo)定數(shù)據(jù),按照不同積分時間檔位生成相應(yīng)的標(biāo)定曲線和標(biāo)定系數(shù)。紅外熱像儀3600μs積分時間檔位的標(biāo)定系數(shù)為:K=1395.4,B=3172.6。其標(biāo)定曲線如圖3所示。
用FasCode軟件對兩個飛行架次的大氣透過率進(jìn)行了估算,如表1所示。
表1 大氣透過率估算Tab.1 Estimation of atmosphere transmittance
圖3 3600μs積分檔位標(biāo)定曲線Fig.3 3600μs Integral line
第一個飛行架次的天氣條件為:溫度4.0℃,濕度59%,能見度27km。第一個航路進(jìn)入時,無人機(jī)紅外輻射強(qiáng)度如圖4。第二個航路進(jìn)入時,無人機(jī)紅外輻射強(qiáng)度見圖5。
圖5 無人機(jī)第二個航路紅外輻射強(qiáng)度Fig.5 Infrared radiation intensity of the second line
第二個飛行架次天氣條件為:溫度-2.1℃,濕度41%,能見度30km。第一個航路進(jìn)入時,無人機(jī)紅外輻射強(qiáng)度見圖6;第二個航路進(jìn)入時,無人機(jī)紅外輻射強(qiáng)度見圖7。
圖6 無人機(jī)第一個航路紅外輻射強(qiáng)度Fig.6 Infrared radiation intensity of the first line
圖7 無人機(jī)第二個航路紅外輻射強(qiáng)度Fig.7 Infrared radiation intensity of the second line
第一個飛行架次,無人機(jī)第一個航路進(jìn)入時紅外輻射強(qiáng)度在(1.16~14.8)W/sr之間,均值為5.3 W/sr;無人機(jī)第二個航路進(jìn)入時紅外輻射強(qiáng)度在(2.1~11.1)W/sr之間,均值為 7.4W/sr。
第二個飛行架次,無人機(jī)第一個航路進(jìn)入時紅外輻射強(qiáng)度在(1.34~18.3)W/sr之間,均值為8.9 W/sr;無人機(jī)第二個航路進(jìn)入時紅外輻射強(qiáng)度在(5.27~23.88)W/sr之間,均值為 10.9W/sr。
(1)測量結(jié)果與實(shí)際情況一致(無人機(jī)紅外輻射強(qiáng)度設(shè)計值為10W/sr);
(2)無人機(jī)第一個航路進(jìn)入時(速度190m/s)紅外輻射強(qiáng)度大于第二個航路進(jìn)入時(速度160m/s)紅外輻射強(qiáng)度,說明無人機(jī)速度越快,發(fā)動機(jī)推力越大,發(fā)動機(jī)尾噴口溫度就越高;同時速度越快,蒙皮與空氣摩擦越劇烈,蒙皮溫度越高,導(dǎo)致其紅外輻射強(qiáng)度越強(qiáng)。
無人機(jī)紅外輻射特性測量采用內(nèi)場標(biāo)定和外場試驗(yàn)相結(jié)合的方式,對選取數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理,給出了無人機(jī)輻射強(qiáng)度在選取航段上的分布情況。測量結(jié)果與實(shí)際情況一致,試驗(yàn)結(jié)論與理論分析吻合,測量方法有效,測量結(jié)果置信度高。