《计量与翻试技术》２ｏ１３年第４ｏ巷第３期
飞行弹丸红外辐射特性模拟测试研究
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｔｅｓｔ ｏｆ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ
Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｆｌｙｉｎｇ Ｐ ｏｊ ｅｃｔｉｌｅｓ
吕月迎 安 莹
（西安工业大学光电工程学院，陕西西安７１００３２）
摘要：为了消除光电探测靶对背景光源的依赖，研究了大气传输对飞行弹丸红外辐射特性的影响，设计飞行弹丸模拟试验平台，通过此平台对飞行弹 丸红外辐射杼肚进行了模拟测试实验。实验测试表明，该试验平台操作方便、可靠性高、成本低，可以实现对不同口径（Ｓｍｍ～３ｏｒｍ ）弹丸的模拟测试。 关键词：红外辐射；大气透过率；弹丸
１ 飞行弹丸红外辐射理论
红外辐射是一种热辐射，任何绝对物体大于ＯＫ的 物体，都会向外发射红外辐射，根据普朗克定律，飞行弹
丸在温度Ｔ下光谱辐射出射度、辐射亮度可表示为：
．）一５ ０（ ）＝ｅ— 一 （１） ｅｘｐ（ ）一１
在某一时刻，飞行弹丸表面在红外探测器器件有效
波段 １～ ２的辐射亮度为 （ ， ），有
１ ＾２ Ｌ（ ）＝ ｊ Ｍｏ（ ） （２） ｌ，【＾ｌ Ｌ（ ）为飞行弹丸光谱辐射亮度；Ｃｌ和Ｃ２分别是第
一辐射常数３．７４２ Ｘ １０ Ｗ・ｔ，ｍ／ｍ２和第二辐射常数１．４３９ ×ｌＯ４，ｕｍ・ ；￡为弹丸材料的辐射系数； 为弹丸的有效
辐射波长， 为弹丸绝对温度Ｋ。
． ＾， ＝ 』 ｏ（ ， ）ｄａ （３） Ｌ ＾１ 式中：．Ｓ １一飞行弹丸辐射源的有效面积；ｓ２一红外探
测器件有效面积；Ｉ＿０一飞行弹丸与探测器之间距离。
２大气衰减对飞行弹丸红外辐射特性的影响 由文献［２］可知在光电探测靶的红外探测过程中，探
测距离是最主要的技术指标，直接反应着红外探测器的 性能好坏，可知红外探测系统的探ｉ贝４距离方程为：
＝√ 。 ｓ （ 。。南
式中：鸭．一Ａ 一飞行弹丸在 １一 ２波段范围的辐射
出射度；．ｓ一探测器光学系统的人射孔径面积；ｒⅡ（ ）一
】一 ２有效波段范围内的大气平均透过率；Ｄ０一光谱探
测率；Ｚ＂０（ ）一光学系统的光谱透射比；Ｋ一光学系统的
修正因子；△产一代表电路等效噪声带宽；Ａｄ一敏感元件
的有效敏感面积； ／ 一探测系统的信噪比；ｒ。 （ ）一 大气透过率 由（４）式可知，探、坝４距离与大气特性和气象条件密切 相关。大气透过率是影响红外探测靶探测距离关键因
素。辐射衰减由大气透过率来表征，大气对光电探测靶 的影响表现在辐射衰减，红外辐射衰减与以下三种现象
有关：（１）大气气体分子的吸收；（２）大气分子，微粒等的 散射；（３）雨，雪等气象条件的影响）
辐射衰减由大气透过率来表征，计算方程如下：
ｒ。（ ）＝ （ ，Ｒ）／ （ ，０）＝ｅｘｐ｛一 （ ）Ｒ） （５）
大气光谱透过率 （ ）可由下式计算：
ｒ （ ）＝ １（ ）ｒ２（ ）ｒ３（ ） （６）
其中，ｒ１（ ）一被大气气体分子吸收的光谱透过率； ｒ２（ ）一大气影响下的散射的光谱透过率；ｒ３（ ）一因气
象条件衰减下的大气光谱透过率。 计算出大气的光谱透过率之后，可得到大气传输影
响之下飞行弹丸的红外辐射特性，即红外探测器最终获 得飞行弹丸的红外辐射出射度为：
（ ）＝ｒ。（ ） ０（ ） ３飞行弹丸模拟测试平台设计方案
３．１模拟测试平台的总体设计
如图１所示为本测试平台系统示意图。
图１测试平台示意图 １导轨２滑块３天幕靶４棱镜５步进电机６反射镜７光阑８升降杆９ 升降杆架１Ｏ扩束准直镜ｌ１激光器１２凸台 测试平台中，激光器ｌ１发出的光经过扩束准直镜１
０ 吕局迎等：飞行弹丸红外辐射特性模拟鼬试研究
后，得到一直径３０ｒａｍ的光束，该光束通过光阑７上面的 测试所需要的口径，就得到了与测试所需弹丸口径一致
的光束。然后光束经过反射镜７被反射到了经４上，棱
镜４在步进电机５的带动下进行转动，通过对步进电机 的控制，模拟出弹丸的飞行速度。经过棱镜４的光最终
射人天幕靶３中。 ３．２探测器的选择
天幕靶是一种野外用外弹道参数光电测试仪器，其 功能是探测飞行弹箭到达空间某预定位置的时刻．在常
规靶场试验中，两台天幕靶与一台测时仪配合，能测试弹
丸的飞行速度，多台天幕靶组成光幕阵列与多路数据采 集仪配合实现射击密集度测试．由于采用光电转换原
理，天幕靶属于非接触测量，测量结果不受弹丸材质的影 响，测量精度优于其他原理的同类仪器．加之轻便、可靠
性好愈来愈受到使用者的欢迎，１３前，己在枪、炮、弹和发 射药的生产验收试验中广泛使用，本测试所以选择天幕
靶作为测试平台的探测元器件，如图２所示：
图２ 天幕靶光电系统 ３．３激光扩束准直装置的设计 ３．３．１激光扩束准直的原理 镜头
狭缝
光电管
放大电路
Ｌ
图３伽里略激光扩束器光学原理图 该装置采用伽利略扩束准直结构。这种结构外形尺
寸小，结构简单，在强功率激光下可避免因正目镜会和而
产生的空气击穿现象和透镜的损伤，而且一般低倍率的 扩束系统都采用伽利略结构来设计。图３为伽里略激光 扩束器光学原理图。图中ｈ】，为人射激光束的孑Ｌ径，ｈ２为 出射激光束的孔径；ｆｌ，ｆ２分别为负目镜、正物镜的焦距。
由几何应用光学知识可知：
。 ｈ２：Ａ７ （７） １一
３．３．２激光扩束准直的设计
所以选用伽利略结构来设计实现激光扩束准直，将 激光光束由６ｍｍ扩束的３０ｍｍ。由几何光学易知公式：
：旁 （８）
可知，扩束倍数比近似等于两透镜焦距比，则选用的
凹透镜的焦距为１０ｍｍ，凸透镜的焦距为５０ｒａｍ，即可达到
扩束５倍的关系，将激光光束由６ｍｍ扩束３０ｍｍ。由于 选用的透镜大小需要和结构设计相匹配，所以需要自行 设计透镜。
ｒ２透镜的曲率半径，ｄ透镜厚度，ｒ／，材料折射率。
由式（９）可计算得到透镜，ｒ１＞０，ｒ２＝∞。则
厂，：———— ———了 （１０） （ｎ一１）［ （１一 ）＋（ｎ一１）罢］
由式（１１）可知，透镜材料一定的情况下，透镜焦距只
与曲率半径有关，则需要凹透镜的焦距为１０ｍｍ，选用树 脂材料，／１，＝１．７６，通过计算可知，曲率半径为Ｒ＝７．６。
凸透镜的焦距为５０ｍｍ，选用玻璃材料，／１，＝１．５２，通过计 算可知，曲率半径为 ＝２６。
结合尺寸要求和技术要求，设计激光扩束准直装置
以达到激光扩束准直的作用，其结构图如图４。
圈４扩束准直装置结构图 ３．４可调光阑的设计 本测试平台匕所用光阑为孔径光阑。孔径光阑决定进
入系统光束的大小。人瞳是物面上所有各点决定从系统反
射ｊＪ己束的大小，出瞳是物面上各点发出光束经过整个光学
系统以后从点发出的光束的共同人口；
孔径光阑通过它后 《计量与溺试技术》２。１３年第４ｏ誊第３期
面的光学系统所成的像称为出瞳，它最后一个光控初涉的
共同出口。光阑的设计采用了有极可调光阑，如图５。
／
趔 一
＼ ／ ————，
图５可调光阑结构图 ４实验 ４．１辐射源稳定性测试实验 实验平台的搭建，是建立在黑体的模型上。即将弹 丸看做黑体。黑体是理想物体，实际上黑体是不存在的。
但可以用某种装置近似地代替黑体。
表１ 辐射源稳定性测试实验数据 电压（ｍＶ） 电压平均值 归一化 （ｍＶ） ７４。４０ ７４．３９ ７４．３７ ７４．４１ ７４．３７ ７４．４６ ７４．５３ ７４．５８ ７４．６２ ７４．５１ ７４．５２ ７４．５Ｏ ７４．３９ ７４．４０ ７４．３７ ７４．４２ ７４．３８ ７４．４５ ７４．５３ ７４．５９ ７４．６１ ７４．５２ ７４．５１ ７４．５１ ７４，４１ ７４．３９ ７４．３８ ７４．４０ ７４．３７ ７４．４６ ７４．５３ ７４．５８ ７４．６２ ７４．５Ｏ ７４．５２ ７４．５２ ７４．４０００ ７４．３９３３ ７４．３７３３ ７４．４１Ｏ０ ７４．３７３３ ７４．４５６７ ７４．５３０ｏ ７４．５８３３ ７４．６１６７ ７４．５１ｏ０ ７４．５１６７ ７４．５１Ｏ０
图６辐射光源光源辐照度稳定性曲线 标准的黑体是本实验的主要设置，但是标准黑体的
价格很高，成本太大，所以在此飞行弹丸模拟测试平台
中，选取半导体激光发射器作为辐射源，该辐射源可以用 作从近红外至远红外波段的红外光源。激光红外光源的
单色性好、相干性好、方向性强、亮度高、小巧精致、使用 简单方便、稳定性好、寿命长而且价格低廉、利于环保。
在现有的电网条件下，辐射源经过可调光阑口径变 为７．６２ｍｍ，在经过扩束准直系统之后，辐射源面积为
４５．５８嗍２，根据国家标准，探测距离为５００ｍｍ处，每隔５
分钟记录一次标准探测器的输出电压，实验数据和归一 化曲线如表１、图６所示。
从图６可知稳定性误差为：
—１—－—Ｏ ．９—９６７×１００％：０．３３％ ｌ 实验数据和归一化曲线可以看出，激光红外半导体
的稳定性误差为０．３３％，符合国家标准。
４．２ 大气传输对飞行弹丸红外辐射特性影响实验 搭建好实验评好，将平台各旋钮缩进，调节可变光 阑，使光阑口径变为７．６２ｍｍ弹丸和５．８ｍｍ弹丸，改变不
同的探测距离、不同的大气透过率，得到飞行弹丸红外辐
射强度，实验如下：
： Ｌ 吨 ＞ 吕
恬 求
嘿 驿
： 上 ＞ ＞ 吕
梧 求 越 憩 ——无衰减 一 一‘衰减
Ｏ ０．５ １．０ １．５ ２．０ ２．５ ３．０
ｓ／ｍ
图７ ７．６２ｍｍ弹丸随距离辐射强度分布曲线
——无衰减 衰减
０ ０．５ １．０ １．５ ２．０ ２．５ ３．０
ｓ／ｍ
图８ ５．８ｍｍ弹丸随距离辐射强度分布曲线 图７和图８为７．６２ｒａｍ班用步枪弹和５．８ｍｍ冲锋枪
弹丸在无大气影响和经大气衰减情况下探测距离与光电 探、坝４器件获得辐射强度的变化曲线图，从图中可以看出，
在不考虑大气的辐射和吸收的影响时，到达红外探测靶 （下转第３４页） 加 ∞ 蚰 ∞ ∞ 如 嗍 嗍 嗍ｌ蒌 ０ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ １ ０ Ｏ Ｏ 拥 一ｍ 加笱∞ ∞ ∞ ∞ 』
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