制冷弹头的红外隐身效果研究
!
杨
华，凌永顺，杜为民，马东辉
（电子工程学院，安徽合肥230037）
摘要：分析了弹道导弹弹头在飞行中段的红外特征，对弹头制冷后红外特征的变化规律进行了数值计算，并定量评估了弹头制冷对美国反导系统的红外隐身效果，最后还论述了在弹头制冷基础上降低弹头表面红外反射率的重要意义。
关键词：红外特征；弹头；美国反导系统中图分类号：TN219
文献标识码：A
文章编号：1001-8891（2002）02-0022-03
!引言
布什新政府已经正式宣布单方面退出1972年美
苏签署的“反弹道导弹条约”，为其部署旨在拦截远程战略弹道导弹的“国家导弹防御系统”扫清了最后的政治障碍，引起了全世界的普遍担忧。弹头制冷被认为是弹道导弹中段飞行过程中对付美国反导系统红外探测、跟踪和识别的有效手段之一，为了弄清楚其干扰效果，本文将计算采取制冷措施前后弹头红外辐射的变化规律，并定量评估弹头制冷对美国反导系统的红外隐身效果。
"弹头的红外辐射
弹道导弹进入中段飞行后，弹体与弹头都已分离，反导系统欲拦截的目标为装载有战斗部的弹头。弹头的红外辐射包括它发射的红外辐射和它反射的背景辐射两部分。".!
弹头发射的红外辐射
在计算弹头发射的红外辐射前，必须将弹头表面划分为大量的小面元，每个面元不仅尺寸非常小，而且应该近似为平面。
弹头表面第m 面元在!1~!2波段的辐射出射度
为
［1］
M T ，m ="!
"!2
!1
c 1
!
5
1e
c 2/!T
-1
c !
（1）
式中："!为弹头在该波段的平均光谱发射率，
T 为该面元的温度，C 1、C 2分别为第一、
第二辐射常数。该面元在该波段空间任意方向的辐射强度为
I T ，m =F m ，T M T ，m S m
（2）
式中：F m ，T 为第m 面元在该方向自发辐射的角系数，
S m 为该面元的面积。弹头的红外辐射在该波段任意方向的辐射强度I T 为它的所有面元在该波段该方向的辐射强度之和
I T =
#m
I T ，m （3）
"."
弹头反射的背景辐射
弹道导弹的中段飞行轨迹一般都位于地球大气层
外，弹头在中段的主要背景辐射是太阳的直接辐射、地球反射的太阳辐射和地球辐射。
弹头表面第m 面元所反射太阳直接辐射在!1~
!2波段任意方向的辐射强度I S ，m 为
I S ，m =E Sum K Sun #Sun ，m F m ，S S m （4）式中：E Sun 为太阳直接辐射在地球大气层外的总辐照
度，K Sun 为太阳直接辐射在地球大气层外在!1~!2波段的辐照度与E Sun 的比值，#Sun ，m 为第m 面元该波段对太阳光谱的平均反射率，F m ，S 为该面元在该方向对太阳直接辐射的角系数。
地球反射的太阳辐射在该面元表面也将被反射，在!1~!2波段任意方向的辐射强度I Se ，m 为
I Se ，m =E Sun #Se #Sun ，m F m ，Se S m （5）式中：#Se 为地球及其大气系统对太阳光谱的平
均反射率，F m ，Se 为第m 面元在该方向对地球反射的太阳辐射的角系数。
弹头在!1~!2波段任意方向反射太阳辐射的辐射强度I S ，r 为它的所有面元在该波段该方向反射太阳
辐射的辐射强度之和
I S ，r =
#m
（I S ，m +I Se ，m ）
（6）
地球辐射为地球及其大气系统的辐射。该面元所
2
2VOI.24NO.2红外技术March 2002
!
收稿日期：2001-08-27；修改日期：2002-02-28
反射的地球辐射在!l~!2波段任意方向的辐射强度I e，m为
I e，m=M earth K earth"e，m F m，e S m（7）
式中：M
earth 为地球辐射的辐射出射度，K
earth
为地球辐
射在!l~!2波段的辐射出射度与M earth的比值，!e，m为
第m面元该波段对地球辐射的平均反射率，F
m，e
为该面元在该方向对地球辐射的角系数。
弹头在!l~!2波段任意方向反射地球辐射的辐
射强度I
e，r
为它的所有面元在该波段该方向反射地球辐射的辐射强度之和
I e，r=!
m
I e，m（8）
弹头在中段飞行过程中，其在!l~!2波段任意方向总的辐射强度I为
I=I T+I s，r+I e，r（9）!计算结果与分析
当某弹头表面的红外反射率为0.l时。同时假定太阳中心、地心和该弹头的中心轴共面，且太阳与从弹头底部中心到弹头尖锥的射线方向的夹角为74 。根据上述理论和方法，通过编程计算获得了该弹头中段飞行过程中在其中心轴和太阳中心、地心所组成的平面内3~5"m和6~l6"m波段辐射强度的分布规律。图l、
图2和图3分别为弹头表面温度为300K、200K 和l00K时弹头的红外辐射在上述平面内3~5"m波段的辐射强度分布曲线，图4为弹头反射的太阳辐射和弹头反射的地球辐射在上述平面内3~5"m波段的辐射强度分布曲线，图5、图6和图7分别为弹头表面温度为300K、200K和l00K时弹头的红外辐射在上述平面内6~l6"m波段的辐射强度分布曲线，图8为弹头反射的太阳辐射和弹头反射的地球辐射在上述平面内6~l6"m波段的辐射强度分布曲线，这些图中横坐标为从弹头底部中心到弹头尖锥的射线方向逆时针偏转到所研究方向的夹角，纵坐标为该研究方向的辐射强度。计算结果表明：在中段对弹头表面制冷后，在3~5"m波段，弹头的辐射强度随着表面温度的降低迅速减小，当弹头表面温度为l00K时，弹头反射的背景辐射（特别是反射的太阳辐射）的辐射强度是弹头自身辐射强度的2.5X l08倍，弹头反射的背景辐射成了冷弹头的主要红外特征；在6~l6"m波段，弹头的辐射强度随着表面温度的降低逐渐减小，当弹头表面温度为l00K时，弹头反射的背景辐射（特别是反射的地球辐射）的辐射强度是弹头自身辐射强度的68倍，弹头反射的背景辐射也是冷弹头的主要红外特征。
按照图l到图8的计算结果，如果对来袭弹头只进行制冷，则当弹头表面从300K制冷到l00K时，弹头在3~5"m波段总的辐射强度将降低76.5%，会使得反导系统在该波段的最大探测距离缩短5l.5%；弹头在6~l6"m波段总的辐射强度将降低97.2%，导致反导系统在该波段的最大探测距离缩短83.2%。如果来袭弹头表面涂有特殊的红外吸收涂层（假定其在上述两个波段的平均反射率为0.02），则图4和图8中弹头反射背景辐射的辐射强度值都将减小80%；当该弹头表面从300K制冷到l00K时，弹头在3~5"m波段总的
辐射强度将降低95.3%，导致反导系统在该波段的最大探测距离缩短78%；当该弹头表面从300K 制冷到l00K时，弹头在6~l6"m波段总的辐射强度将降低99.4%，导致反导系统在该波段的最大探测距离缩短92%
。
图l T为300K时在3~5"m波段I T的空间分布Fig.l The distribution of I T in3~5micrometer band，T=300
K
图2T为200K时在3~5"m波段I T的空间分布Fig.2The distribution of I T in3~5micrometer band，T=200K
"结论
美国反导系统所采用的关键技术之一便是运用各种星载和弹载红外探测器在大气层外探测、跟踪和识别弹道导弹，具体地说就是在弹道导弹的飞行中段一
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2002年3月杨华等：制冷弹头的红外隐身效果研究第24卷第2期
图3!为100K 时在3~5!m 波段"!的空间分布
Fig.3
The distributiOn Of "!in 3~5micrOmeter band ，!=100
K
图43~5!m 波段"s ，r 和"e ，r 的空间分布
Fig.4
The distributiOn Of "s ，r and "e ，r in 3~5!
m 图5!为300K 时在6~16!m 波段"!的空间分布
Fig.5
The distributiOn Of "!in 6~16!m band ，!=300K
方面利用天基红外系统（SBIRS ）的低轨道卫星通过星载的中波和长波红外探测器对弹头进行精确的跟踪和
识别［2］
；另一方面借助国家导弹防御（NMD ）系统、战区
高空区域防御（THAAD ）系统和海军全战区（NTW ）系统拦截弹上的中波或长波红外成像末制导导引头来捕获、跟踪、识别和拦截来袭弹头。在弹道导弹中段飞行过程中，
对弹头表面制冷能大幅度地降低弹头自身图6
!为200K 时在6~16!m 波段"!的空间分布
Fig.6
The distributiOn Of "!in 6~16!m band ，!=200
K
图7
!
为100K 时在6~16!m 波段"!的空间分
Fig.7
The distributiOn Of "!in 6~16!m band ，!=100
K
图86~16!m 波段"s ，r 和"e ，r 的空间分布
Fig.8thaad
The distributiOn Of "s ，r and "e ，r in 6~16!
m band 的红外辐射，从而有效降低弹头在反导系统红外探测
波段总的辐射强度，最终有效缩短反导系统的红外探测距离。当弹头的表面温度降低到一定程度后，弹头反射的背景辐射便成了冷弹头的主要红外特征，如果在降低弹头表面温度的基础上降低弹头表面的红外反射率，则还能进一步缩短反导系统红外探测系统的探测距离。
（下转第33页）
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2VOI.24NO.2红外技术March 2002
2002年3月刘成康等：电流模技术在CMOS读出电路中的应用第24卷第2期
参考文献
［1］姚玉洁等译.开关电流-数字工艺的模拟技术［M］.北京：高等教育出版社，1997.
［2］Sun Tai-Ping.NoveI CMOS Readout Technigues for UncooIed PyroeIectric［A］.SPIE［C］，1998.3360：66~70.
［3］Chin Yuan-Lung.New Design Structure of Direct Injection Input Circuit With Adaptive Gain ControI Technigues［A］.SPIE［C］，1998.3436：12917.
作者简介：刘成康，男，重庆大学光电集成器件研究室博士研究生。
袁祥辉，男，重庆大学光电集成器件研究室教授，博士生导师。
The Application of Current-mode Technigue in CmOS ROIC
LIU Chen-kang，YUAN Xian-hui，WANG Tao，JIA Gong-xian
（Chongging Uniuersity，Chongging400044，China）
Abstract：A CMOS ROIC structure for uncooIed pyroeIectric IR FPA is presented，and simuIative and
experimentaI resuIts are gived in this paper.In addition，a new ROIC structure is proposed in which with the CMOS current-mode technigue for anaIogue signaI processing，a voItage differentiaI function is achived on chip.This wiII increase S/N and response speed of the system.
Key words：Current-Mode；CMOS ROIC；DiffernetiaI
（上接第24页）
参考文献
［1］刘景生.红外物理［M］.北京：兵器工业出版社，1992.
［2］LyIes L.1997Report to the Congress on Ballistic Missile Defense［R］.USA BaIIistic MissiIe Defense Organization.
作者简介：杨华，男，1969年出生，博士研究生，主要从事电子对抗方面的研究。
凌永顺，男，1937年出生，教授，工程院院士，博士生导师，主要从事电子对抗方面的研究。
Study on Infrared Stealth Effect of Cooled Warhead
YANG Hua，LING Yong-Shun，DU Wei-Min，MA Dong-Hui
（Electronic Engineering Institute，Hefei230037，China）
Abstract：FirstIy，the infrared characteristic of warhead fIying above aerosphere is anaIyzed.SecondIy，speciaI computer program is designed to caIcuIate the changing trend of the warhead’s infrared characteristic after its surface is cooIed.Then，effect of cooIed warhead interfering with USA missiIe defense systems in infrared band is evaIuated guantitativeIy.FinaIIy，the significance of reducing the surface refIectivity of warhead during cooIing process is presented.
Key words：Infrared characteristic；warhead；TMD；NMD
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