喷气发动机红外辐射成像测试、处理与评估的分析

赵 征，董泉润

（西北工业大学动力与能源学院，陕西 西安 710129）

喷气发动机红外辐射成像测试、处理与评估的分析

赵 征，董泉润

（西北工业大学动力与能源学院，陕西 西安 710129）

喷气发动机作为现代化设备，其中的红外辐射成像效果决定了设备性能的好坏，与设备隐身设计存在密切联系。从测试、处理和评估3个方面探讨了喷气发动机红外成像情况。

喷气发动机；红外辐射成像；测试；处理与评估

随着社会经济的不断发展，我国航空航天事业取得了长足发展。航空喷气发动机是作战飞机的主要辐射源，也是红外精确制导武器系统的关键。因此，加强对红外辐射成像测试及处理的研究具有现实意义，能够为作战机隐身设计、反隐身探测提供更多支持。

1 喷气发动机红外辐射成像测试

国外发达国家已有多款具备红外隐身能力的作战飞机出现，整体水平优于我国；而国内多数研究集中在模仿仿真方面，在实践上取得的成果少之又少。对于作战飞机来说，其隐身设计至关重要，能够确保自身安全，提高作战能力。决定飞机隐身的关键在于红外辐射技术。为确保实践具备可操作性，本文选取喷气发动机作为研究对象，借助红外热像测试，对其连续、中间状态时产生的红外辐射强度进行测试。

1.1 试验系统

试验系统是由发动机外场试车台、红外测试设备等构成，其中，外场试车台能够为发动机提供场外试验平台，具备可移动、油电自给等特点，有效突破了时空方面的限制。供油供电系统能够为设备提供航空煤油，满足设备运行需求[1]。在发动机红外辐射测试过程中，我们还需要引入现代化设备，即美国FLIR公司生产的中波热像仪、探测器等。测控车内涉及油门、测量系统等，能够实现对参数的有效控制，使得测试能够有序开展。

图1 热像仪测点布局情况

1.2 测点布局

发动机红外辐射由高温部件、尾喷流产生，喷流在尾向横线长条状向外扩散。在前期准备工作中，受到设备视场的影响，如果喷流全部置于视场内，需要将仪器设备放在远处，此时大气衰减明显，且能够降低设备的信噪比。因此确定测点布局，要充分考虑辐射范围、测试精度等要素，以确保布局科学、合理，为后续测试做好充分的准备。图1是热像仪测点布局情况。

1.3 多积分组合测试

从红外成像原理来看，在光学系统的支持下将目标辐射能量聚集到平面之上，将辐射能量转变为电信号，经过颜色映射处理后，在显示器上呈现出二维伪彩色图像。与热电偶测温具有相似之处，红外探测器对辐射能量的感应范围具有限制。一般来说，超量便会饱和，过少便会出现停止现象。二者最大的区别在于探测器接收到的能量会随着时间的增加而增加[2]。因此在实践中，对于较大范围温度的测量可以采取2个途径：一方面改变滤镜，通过滤镜衰减，能够将辐射能量控制在响应范围以内；另一方面通过对积分时间的调整，使得设备接收到的辐射能量能够满足测温需求，具有较强的针对性，提高实践可操作性。红外热像仪辐射响应输出，可以借助数字电平DL表示，DL取值范围已经固定，与积分时间IT内接收到的光子数量与能量相协调。如果少于积分时间，那么单位时间内的目标辐射光子数量也会随之增多，集聚的能量也有所增长；反之，则会与前者相反。

2 数据分析处理

从对数据有效性分析来看，单帧图像轮廓边界不规则，且气流运动异常剧烈，无法直接对测试数据进行处理和分析。根据图像来看，在低温背景下像素点会逐渐消失，与辐射温度曲线相吻合。同时，无论哪幅图像，都存在不同程度的饱和情况。因此多积分时间组合方式具有可行性，得出的结果科学、合理，采集的原始数据具有有效性。

根据图像来看，由于在测试中我们采用了4个不同的积分时间，因此视场范围内的每个像素点都会形成4个辐射亮度，仅取其中一个值有效[3]。根据原理来看，分析处理过程中，确定每个像素点合理辐射亮度取值，能够直接消除背景辐射产生的影响，并合成红外图像，图像内包含所有信息。从理论层面来看，红外热像仪与光谱辐射仪测试原理相似，离散后热像的分布以平面阵列为主，因此借助红外成像测试数据，可以根据公式度。但值得注意的是，在计算中，还要考虑到辐射校准、目标面积等要素，以此来提高测试有效性。

3 结果评估

为了证明本文所用的测试与数据处理方法具有科学性，需要对结果进行评估，采用红外光谱仪，对处于同一波段的积分辐射强度进行比较和分析。在试验中，对布置的4个测点进行测试，能够发现设备所采集到的数据信息可靠，且整个过程没有出现较大的波动，较为稳定。从测试结果来看，二者总体上吻合较好，最大偏差没有超过10%，随着方位角的不断增加，热像仪所得值大于光谱辐射仪，二者偏差较大，究其根本是目标辐射能量有所下降，使得设备信噪比也随之发生变化，但红外热像仪在测试中并未受到外界因素的影响，能够保持较高的稳定性、可靠性，因此其结果更具可信度。

4 结论

综上所述，喷气发动机红外辐射成像测试作为一项基础性工作，与作战飞机隐身设计存在密切联系。因此，本文立足于发动机排气系统温度动态化特征，引入多积分时间组合测试方法，进行针对性、科学化测试。

在实践中，利用多帧热像时间平均处理方法，能够有效消除目标红外辐射特征波动现象。同时获取到的数据精确、合理，与合成图像相符合。随着技术的不断发展，针对发动机红外辐射成像的测试，我们还要积极应用现代化技术，提高测试结果的精准性，从而为实践提供参考依据，促进作战飞机设计和制造可持续发展。

［1］蔡文祥，祁斌，马虎，等.有阀式脉动喷气发动机出口瞬态速度场测量［J］.航空动力学报，2014，29（12）：2824-2829.

［2］陈世国，江勇，方浩百，等.喷气发动机红外辐射成像测试、处理与评估［J］.红外与激光工程，2014，43（03）：727-731.

［3］梅飞，江勇，陈世国，等.一种航空发动机喷流红外成像仿真模型［J］.激光与红外，2014，12（15）：123-125.

V235

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.20.080

2095－6835（2017）20－0080－02

〔编辑：刘晓芳〕