CN109459954B - 一种仿形诱饵红外辐射特性控制方法及装置 - Google Patents

一种仿形诱饵红外辐射特性控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种仿形诱饵红外辐射特性控制方法及装置，该控制方法于只读存储模块内预先存入目标及响应器件的特性参数，CPU主控模块不断读取ROM内预先存储的目标特性参数及温度反馈模块采集的仿形诱饵内表面实时温度，经内部比较计算后智能选择对外输出控制指令，D/A模块对其进行转换得到电压及电流信号，二者经驱动放大模块进行放大、扩流处理后作用于红外辐射特性器件阵列使之改变表面发射率和温度，实现仿形诱饵干扰敌方红外探测、保护目标逃过红外制导导弹的视场的目的。本发明提出的仿形诱饵红外辐射特性控制方法，相对于传统的涂层型与燃烧型红外辐射特性控制方式，具有可控程度高、适用性强、响应速度快的特点。

Description

一种仿形诱饵红外辐射特性控制方法及装置
技术领域
本发明涉及新型红外探测与红外制导技术，具体涉及一种仿形诱饵红外辐射特性控制方法及装置。
背景技术
随着新型红外探测与红外制导技术的不断发展，特别是随着红外成像技术和光谱识别技术的应用，现代战场中军事目标的生存变得尤为严峻，在各国开展的电子对抗技术研究中，以仿形诱饵作为假目标干扰敌方探测与制导的无源干扰技术日益得到各国重视。
据已有资料来看，美国利用布制材料制成一种成像化诱饵假目标，通过在充气口放置一个加热器来加热气体使得覆于表面的对应涂层能够发射出模拟目标表面的红外辐射[1]，另有一种利用镀金属(铬、银、铜、铁等)膜的可燃增强碳纤维织物制成的仿形诱饵，可以模拟装甲车辆、飞机和舰船等重要的军事目标[2]。上述两种方法均能在一定程度上调节仿形诱饵表面红外辐射特性，但可控程度不高、难以实现精准调节。国内仿形诱饵多采用特殊制造的橡胶材料和金属混纺布制作而成，具有目标雷达特征、承压能力高、造价便宜和重量轻等优点，但红外模拟能力较差。
另外，在红外辐射特性自动控制装置的研究中，唐光伦与王丽伟等人[4、5]提出的通过采集目标表面或背景红外辐射信号进行调控的方案，在地面目标的红外辐射特性控制中应用广泛，而对于空间目标进行伪装的仿形诱饵，采集目标或背景红外辐射信号均较为困难，因此应用受限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种仿形诱饵红外辐射特性控制方法及装置。
实现本发明目的的技术方案为：一种仿形诱饵红外辐射特性控制方法，包括以下步骤：
步骤1，对目标及仿形诱饵红外辐射特性进行仿真计算，得到目标红外辐射特性参数及包含仿形诱饵表面预期发射率、内表面预期温度、内表面预期热流密度的仿真计算数据，预先测得薄膜电阻片电阻温度特性曲线及电致变色器件发射率与电压特性曲线；
步骤2，对步骤1得到的仿真计算数据及预先获取的特性曲线进行等间隔采样，结果保存为内存初始化文件，供ROM模块上电后加载；
步骤3，CPU主控模块同时获取ROM模块内预存的下一时刻仿形诱饵所需的预期数据及温度反馈模块采集的仿形诱饵内表面实时温度，对二者进行比较后优先选择输出调控电致变色器件表面发射率的控制指令，若电致变色器件发射率变化至其极限值时仍不能达到调控需求，则采用电致变色器件发射率调控和薄膜电阻片温度调控；
步骤4，D/A转换模块接收CPU主控模块发送的调控指令，将其转换为电压信号和电流信号；
步骤5，驱动放大电路对电压信号进行差分放大及电压跟随，同时对电流信号进行放大后扩流，使红外辐射特性器件阵列在二者的作用下按照预期控制改变红外辐射特性。
一种仿形诱饵红外辐射特性控制装置，包含供电模块、ROM模块、温度反馈模块、CPU主控模块、D/A转换模块、驱动放大模块及红外辐射特性器件阵列：
所述ROM模块用于存储目标及仿形诱饵红外辐射特性仿真计算数据，同时，薄膜电阻片与电致变色器件的特性曲线经采样后生成的文件存入ROM模块；温度反馈模块用于实时采集红外辐射器件中薄膜电阻片的温度，CPU主控模块实时读取ROM内预存的红外辐射特性仿真计算数据及温度反馈模块实时采集的薄膜电阻片温度并对其进行比较计算，对外输出控制指令，D/A转换模块将CPU主控模块输出的控制指令进行数模转换得到电压信号和电流信号，驱动放大电路对电压信号进行放大并对电流信号进行扩流，红外辐射特性器件阵列改变发射率和温度进而实现装置对仿形诱饵红外发射率的控制。
与现有技术相比，本发明的显著优点为：(1)由于设计了红外辐射特性器件阵列调控的办法，使得仿形诱饵能够形成可控性高、调节精准的面源干扰，应对红外探测与红外制导的能力增强；(2)由于设计了ROM模块，伪装目标更换时，更换烧录至ROM模块的包含新的仿真计算结果的初始化文件即可实现新的控制功能，因此具备了适用性强的优点；(3)由于大量复杂算法交由计算机仿真计算完成，本装置仅用于实时控制驱动，且能够优先选择发射率调节的控制指令，因此响应迅速，结构简单，系统功耗低；(4)采用集成度高的各类芯片，并设计了基于薄膜电阻片自身的温度反馈模块用于实时监测仿形诱饵内表面温度，控制功能更加可靠，装置也更加轻便。
附图说明
图1是仿形诱饵在调控前后对目标红外辐射特性实时跟随而显现的效果示意图。
图2是一种仿形诱饵的红外辐射特性器件组成及阵列排布示意图。
图3是控制装置功能模块框图。
图4是温度反馈模块惠斯通电桥连接示意图。
具体实施方式
一种仿形诱饵红外辐射特性控制方法，包括以下步骤：
步骤1，利用计算机对目标及仿形诱饵红外辐射特性进行仿真计算，得到目标红外辐射特性参数及包含仿形诱饵表面预期发射率、内表面预期温度、内表面预期热流密度的仿真计算数据，预先测得薄膜电阻片电阻温度特性曲线及电致变色器件发射率与电压特性曲线；
步骤2，对步骤1得到的仿真计算数据及预先获取的特性曲线进行等间隔采样，结果保存为内存初始化文件(Memory Initial File,mif)，供ROM模块上电后加载；
步骤3，CPU主控模块同时获取ROM模块内预存的下一时刻仿形诱饵所需的预期数据及温度反馈模块采集的仿形诱饵内表面实时温度，对二者进行比较后优先选择输出调控电致变色器件表面发射率的控制指令，以降低系统功耗，若电致变色器件发射率变化至其极限值时仍不能达到调控需求，则采用电致变色器件发射率调控与薄膜电阻片温度调控的混合调控方式使控制可靠；
步骤4，D/A转换模块接收CPU主控模块发送的调控指令，将其转换为电压信号和电流信号；
步骤5，驱动放大电路对电压信号进行差分放大及电压跟随，同时对电流信号进行放大后扩流，使红外辐射特性器件阵列在二者的作用下按照预期控制改变仿形诱饵的红外辐射特性。
进一步的，所述ROM模块选用外部ROM，或者根据CPU主控模块所选的控制芯片的类型，划分其芯片内部存储资源，设置成为内置ROM，包括ROM IP Core以及查找表。
进一步的，所述温度反馈模块无需引入热电偶等测温原件，采用围绕薄膜电阻片搭建惠斯通电桥的设计，测得薄膜电阻片的实时电阻，依据薄膜电阻片的电阻温度曲线获取薄膜电阻片的实时温度。
进一步的，所述CPU主控模块实现核心控制的芯片类型可根据仿形诱饵表面红外辐射特性器件阵列的规模进行选择或替换，包括但不限于DSP、FPGA、单片机等。
一种仿形诱饵红外辐射特性控制装置，包含供电模块、ROM模块、温度反馈模块、CPU主控模块、D/A转换模块、驱动放大模块及红外辐射特性器件阵列：
所述ROM模块用于存储目标及仿形诱饵红外辐射特性仿真计算数据，包括表面预期发射率、内表面预期温度及内表面预期热流密度，同时，薄膜电阻片与电致变色器件的特性曲线经采样后生成的文件也存入ROM模块；
温度反馈模块用于实时采集红外辐射器件中薄膜电阻片的温度；
CPU主控模块实时读取ROM内预存的红外辐射特性仿真计算数据及温度反馈模块实时采集的薄膜电阻片温度并对其进行比较计算，对外输出控制指令；优先选择输出调节电致变色器件表面发射率的控制指令以降低系统功耗，若电致变色器件发射率变化至其极限值时仍不能达到调控需求，即采用电致变色器件发射率调控加薄膜电阻片温度调控的办法使控制可靠。
D/A转换模块将CPU主控模块输出的控制指令进行数模转换得到电压信号和电流信号，驱动放大电路对电压信号进行放大并对电流信号进行扩流；
红外辐射特性器件阵列改变发射率和温度进而实现装置对仿形诱饵红外发射率的控制。所述红外辐射特性器件阵列由如若干个成对的薄膜电阻片及电致变色器件组成，薄膜电阻片贴附于仿形诱饵内表面，通电后薄膜电阻片发热，向仿形诱饵内表面提供热流，电致变色器件贴附于仿形诱饵外表面，施加电压后电致变色器件发射率改变。薄膜电阻片与电致变色器件用漆包线引出，与驱动放大模块的输出端相连接。
本发明具备可靠性高、适用性强、质量轻便、响应迅速、结构简单、功耗低的优点，由于无需采集目标表面或背景的红外辐射信息，本发明尤其适用于对空间目标的红外伪装与保护；能够控制仿形诱饵形成长时间的面源干扰，提高目标应对红外探测和红外制导的能力。
下面结合附图进一步说明本发明一种仿形诱饵红外辐射特性控制装置。
实施例
如图1所示，利用本发明一种红外辐射特性控制装置对立方体型目标1进行红外伪装，调控前的仿形诱饵2红外辐射特性均匀分布，调控后的仿形诱饵3红外辐射特性实现对立方体型目标1红外辐射特性的跟随。
如图2所示，红外辐射特性器件阵列5紧密覆于仿形诱饵4的表面，组成红外辐射特性器件阵列5的薄膜电阻片7贴附于仿形诱饵4内表面，组成红外辐射特性器件阵列5的聚苯胺型电致变色器件8贴附于仿形诱饵4外表面，薄膜电阻片7与聚苯胺型电致变色器件8中间为仿形诱饵4的囊体6。
如图3所示，本实施例中选用FPGA作为CPU主控模块实现核心控制的芯片，ROM模块由FPGA划分片上存储资源配置得到。通过对电致变色器件测试可知，当施加在其两端的电压从-2V变化至+1V时，电致变色器件在3-5μm红外波段发射率从0.35变化至0.90，在8-14μm红外波段发射率从0.35变化至0.80，按照电压采样间隔ΔV＝0.1V对电致变色器件的发射率与电压特性曲线进行等间隔采样。预先测得5×6cm薄膜电阻片的电阻温度特性曲线并对其进行等电阻间隔采样。此外，利用计算机对仿形诱饵建模并进行红外辐射特性仿真计算，得到仿形诱饵预期的表面红外发射率、内表面热流密度及内表面温度随时间变化的关系，分别按照时间采样间隔为Δt＝1s对其进行等间隔采样。将上述采样结果保存为mif文件，本发明一种仿形诱饵红外辐射特性控制装置上电后加载所述mif文件实现ROM模块的初始化从而建立所述各关系曲线的查找表。
如图4所示，所述温度反馈模块基于薄膜电阻片7自身搭建惠斯通电桥用于实时测量薄膜电阻片7的阻值，电桥电路由薄膜电阻片7和三个相同的定值电阻11、9、10组成，当薄膜电阻片7内有电流通过时，其温度升高造成阻值发生变化，导致A测量点12和B测量点13的电势差发生变化，设薄膜电阻片7的阻值为R1，则其与电势差ΔU(UB-UA)满足如下关系：
Figure BDA0001867756340000061
上式所述R2、R3、R4分别对应定值电阻11、9、10的阻值，对所述电势差ΔU进行差分放大并输入温度反馈模块内的A/D转换电路，FPGA接收A/D转换芯片输出的数据并读取薄膜电阻片7的电阻温度查找表获取仿形诱饵4内表面实时温度。
在完成ROM模块初始化和温度反馈模块设计的基础上，本发明一种仿形诱饵红外辐射特性控制装置的具体控制方法分为以下步骤：
步骤1，FPGA不断获取ROM模块内仿形诱饵下一时刻的表面预期发射率、内表面预期热流密度、内表面预期温度及温度反馈模块输入的仿形诱饵内表面实时温度；
步骤2，FPGA对步骤1所述仿形诱饵下一时刻内表面预期温度和内表面实时温度进行比较，依据二者大小关系选择恰当的控制模式以提升控制效果并降低整体功耗；
步骤3，FPGA依据步骤2选择的控制模式及计算修正得到的仿形诱饵内表面热流密度，确定向D/A转换模块输出的控制信号；
步骤4，D/A转换器对收到的控制信号进行转换得到电压模拟信号与电流模拟信号，驱动放大电路对电压信号进行差分放大、电压跟随等处理，同时对电流信号进行扩流处理提高电压信号与电流信号的驱动能力并降低红外辐射特性器件阵列作为负载对其造成的影响，红外辐射特性器件阵列在驱动放大电路的驱动下，使仿形诱饵能够在较长一段时间内形成面源红外辐射干扰，进而保护目标成功应对敌方红外探测设备及红外制导装置。

Claims (5)

1.一种仿形诱饵红外辐射特性控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，对目标及仿形诱饵红外辐射特性进行仿真计算，得到目标红外辐射特性参数及包含仿形诱饵表面预期发射率、内表面预期温度、内表面预期热流密度的仿真计算数据，预先测得薄膜电阻片电阻温度特性曲线及电致变色器件发射率与电压特性曲线；
步骤2，对步骤1得到的仿真计算数据及预先获取的特性曲线进行等间隔采样，结果保存为内存初始化文件，供ROM模块上电后加载；所述ROM模块选用外部ROM，或者根据CPU主控模块所选的控制芯片的类型，划分其芯片内部存储资源，设置成为内置ROM，包括ROM IPCore以及查找表；
步骤3，CPU主控模块同时获取ROM模块内预存的下一时刻仿形诱饵所需的预期数据及温度反馈模块采集的仿形诱饵内表面实时温度，对二者进行比较后优先选择输出调控电致变色器件表面发射率的控制指令，若电致变色器件发射率变化至其极限值时仍不能达到调控需求，则采用电致变色器件发射率调控和薄膜电阻片温度调控；
步骤4，D/A转换模块接收CPU主控模块发送的调控指令，将其转换为电压信号和电流信号；
步骤5，驱动放大电路对电压信号进行差分放大及电压跟随，同时对电流信号进行放大后扩流，使红外辐射特性器件阵列在二者的作用下按照预期控制改变红外辐射特性。
2.根据权利要求1所述的仿形诱饵红外辐射特性控制方法，其特征在于，所述温度反馈模块采用围绕薄膜电阻片搭建惠斯通电桥，测得薄膜电阻片的实时电阻，依据薄膜电阻片的电阻温度曲线获取薄膜电阻片的实时温度。
3.一种仿形诱饵红外辐射特性控制装置，其特征在于，包含供电模块、ROM模块、温度反馈模块、CPU主控模块、D/A转换模块、驱动放大模块及红外辐射特性器件阵列：
所述ROM模块用于存储目标及仿形诱饵红外辐射特性仿真计算数据，同时，薄膜电阻片与电致变色器件的特性曲线经采样后生成的文件存入ROM模块；温度反馈模块用于实时采集红外辐射器件中薄膜电阻片的温度，CPU主控模块实时读取ROM内预存的红外辐射特性仿真计算数据及温度反馈模块实时采集的薄膜电阻片温度并对其进行比较计算，对外输出控制指令，D/A转换模块将CPU主控模块输出的控制指令进行数模转换得到电压信号和电流信号，驱动放大电路对电压信号进行放大并对电流信号进行扩流，红外辐射特性器件阵列改变发射率和温度进而实现装置对仿形诱饵红外发射率的控制；所述红外辐射特性器件阵列由若干个成对的薄膜电阻片及电致变色器件组成，薄膜电阻片贴附于仿形诱饵内表面，薄膜电阻片与电致变色器件用漆包线引出，与驱动放大模块的输出端相连接。
4.根据权利要求3所述的仿形诱饵红外辐射特性控制装置，其特征在于，所述ROM模块选用外部ROM，或者根据CPU主控模块所选的控制芯片的类型，划分其芯片内部存储资源，设置成为内置ROM，包括ROM IP Core以及查找表。
5.根据权利要求3所述的仿形诱饵红外辐射特性控制装置，其特征在于，所述温度反馈模块采用围绕薄膜电阻片搭建惠斯通电桥，测得薄膜电阻片的实时电阻，依据薄膜电阻片的电阻温度曲线获取薄膜电阻片的实时温度。
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