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Firma infrarroja

La firma infrarroja , tal como la utilizan los científicos de defensa y los militares , es la apariencia de los objetos para los sensores infrarrojos . [1] Una firma infrarroja depende de muchos factores, incluidos la forma y el tamaño del objeto, [2] la temperatura , [3] y la emisividad , el reflejo de fuentes externas ( luz de la Tierra , luz del sol , luz del cielo ) de la superficie del objeto, [4] el fondo contra el que se observa [5] y la banda de onda del sensor de detección. Como tal, no existe una definición que abarque todo de la firma infrarroja ni ningún medio trivial para medirla. Por ejemplo, la firma infrarroja de un camión visto contra un campo variará significativamente con el cambio de clima, la hora del día y la carga del motor.

Dos ejemplos bastante exitosos de definición de la firma infrarroja de un objeto son la diferencia de temperatura aparente en el sensor y las definiciones de intensidad radiante de contraste (CRI).

Diferencia aparente de temperatura

El método de diferencia de temperatura aparente para definir la firma infrarroja proporciona la diferencia de temperatura física (por ejemplo, en grados Kelvin ) entre el objeto de interés y el fondo inmediato si los valores de radiancia registrados se hubieran medido a partir de fuentes de cuerpo negro perfectas . Los problemas con este método incluyen diferencias en la radiancia a lo largo del objeto o el fondo inmediato y el tamaño finito de los píxeles del detector. El valor es una función compleja del rango, el tiempo, el aspecto, etc.

Contraste de intensidad radiante

El método de intensidad radiante de contraste para definir la firma infrarroja consiste en tomar la diferencia entre la radiancia promedio del objeto y la del fondo inmediato y multiplicarla por el área proyectada del objeto. Nuevamente, el valor CRI dependerá de muchos factores.

Software comercial

En la fase de diseño, suele ser conveniente emplear un ordenador para predecir cuál será la firma infrarroja antes de fabricar un objeto real. Se pueden realizar muchas iteraciones de este proceso de predicción en poco tiempo y a bajo coste, mientras que el uso de un rango de medición suele requerir mucho tiempo, ser caro y propenso a errores.

Varias empresas de software han creado paquetes de software de predicción de firmas infrarrojas. Estos generalmente requieren un modelo CAD de interés más un gran conjunto de parámetros para describir un entorno térmico específico y las temperaturas internas de la plataforma y las propiedades térmicas de los materiales de construcción. Luego, el software resuelve un conjunto de ecuaciones térmicas a través de los límites y para la propagación electromagnética en una banda de ondas infrarrojas especificada. El resultado principal es una medida de la firma infrarroja, aunque generalmente se pueden proporcionar las temperaturas de la superficie (ya que generalmente se deben calcular para obtener la predicción de la firma infrarroja) y también representaciones visuales de cómo puede aparecer la escena en varios detectores infrarrojos de imágenes.

Los modelos de predicción de firmas infrarrojas son muy difíciles de validar, excepto en casos sencillos, debido a la dificultad de modelar un entorno complejo. Tanto el análisis de sensibilidad de este tipo de software como las mediciones experimentales han demostrado que pequeñas variaciones en el clima pueden tener un impacto significativo en los resultados. Por ello, existen limitaciones en lo que se puede lograr a partir de la modelización del problema infrarrojo y, a veces, es necesaria la experimentación para lograr un conocimiento preciso de la naturaleza de la existencia física de un objeto en las bandas de ondas infrarrojas.

Sigilo por infrarrojos

El sigilo por infrarrojos es un área de la tecnología de sigilo destinada a reducir las firmas infrarrojas. [6] Esto reduce la susceptibilidad de una plataforma a las armas guiadas por infrarrojos y a los sensores de vigilancia por infrarrojos, [7] y, por lo tanto, aumenta la capacidad de supervivencia general de la plataforma. El sigilo por infrarrojos es particularmente aplicable a los aviones militares debido a los motores detectables [8] y a las columnas de humo [9] de las aeronaves no furtivas, pero también se aplica a los helicópteros militares, [10] buques de guerra, vehículos terrestres y soldados desmontados.

Un objetivo militar al estudiar las señales infrarrojas es comprender la probable señal infrarroja de las amenazas (y desarrollar el equipo necesario para detectarlas) y reducir la señal infrarroja de sus propios activos a sensores de amenazas. En la práctica, esto podría significar equipar un buque de guerra con sensores para detectar las columnas de humo de los misiles antibuque que se aproximan y, al mismo tiempo, tener una señal infrarroja por debajo del umbral de detección del sensor infrarrojo que guía el misil.

Una columna de escape contribuye con una significativa firma infrarroja. Un medio para reducir la firma infrarroja es tener un tubo de escape no circular (una forma de hendidura) para minimizar el volumen de la sección transversal del escape y maximizar la mezcla del escape caliente con el aire ambiente frío (ver Lockheed F-117 Nighthawk). A menudo, se inyecta aire frío deliberadamente en el flujo de escape para impulsar este proceso (ver Ryan AQM-91 Firefly y Northrop B-2 Spirit ). La forma de la boquilla podría diseñarse para facilitar la mezcla del escape con el aire ambiente como con las boquillas rectangulares en el Lockheed Martin F-22 Raptor . A veces, el escape del jet se ventila por encima de la superficie del ala para protegerlo de los observadores que están debajo, como en el Lockheed F-117 Nighthawk y el no sigiloso Fairchild Republic A-10 Thunderbolt II . Para lograr el sigilo infrarrojo , el gas de escape se enfría a las temperaturas donde las longitudes de onda más brillantes que irradia son absorbidas por el dióxido de carbono atmosférico y el vapor de agua , reduciendo drásticamente la visibilidad infrarroja de la columna de escape. [11] Otra forma de reducir la temperatura de escape es hacer circular fluidos refrigerantes como el combustible dentro del tubo de escape, donde los tanques de combustible sirven como disipadores de calor enfriados por el flujo de aire a lo largo de las alas. [12]

El combate terrestre incluye el uso de sensores infrarrojos tanto activos como pasivos, por lo que el documento de requisitos de uniforme de combate terrestre del USMC especifica estándares de calidad de reflexión infrarroja. [13]

Véase también

Referencias

  1. ^ Manual del SAS y las fuerzas de élite. Cómo luchan y ganan los profesionales. Editado por Jon E. Lewis. pág. 330: tácticas y técnicas, habilidades y técnicas personales. Robinson Publishing Ltd 1997. ISBN 1-85487-675-9
  2. ^ Mahulikar, SP, Potnuru, SK y Kolhe, PS: (2007) "Estimación analítica del ángulo sólido subtendido por superficies complejas bien resueltas para estudios de detección infrarroja", Applied Optics , v. 46(22) , págs. 4991-4998.
  3. ^ Mahulikar, SP, Sane, SK, Gaitonde, UN, y Marathe AG: (2001) "Estudios numéricos de los niveles de firma infrarroja de aeronaves completas", Aeronautical Journal , v. 105(1046) , págs. 185-192.
  4. ^ Mahulikar, SP, Potnuru, SK y Rao, GA: (2009) Estudio de la luz solar, del cielo y de la tierra para la detección infrarroja de aeronaves, Journal of Optics A: Pure & Applied Optics , v. 11(4) , n.º 045703.
  5. ^ Rao, GA, y Mahulikar, SP: (2005) "Efecto de la transmisión atmosférica y la radiancia en las firmas infrarrojas de las aeronaves", AIAA Journal of Aircraft , v. 42(4) , págs. 1046-1054.
  6. ^ Mahulikar, SP, Sonawane, HR y Rao, GA: (2007) "Estudios de firmas infrarrojas de vehículos aeroespaciales", Progress in Aerospace Sciences , v. 43(7-8) , págs. 218-245.
  7. ^ Rao, GA, y Mahulikar, SP: (2005) "Nuevo criterio para la susceptibilidad de las aeronaves a los misiles guiados por infrarrojos", Aerospace Science & Technology , v. 9(8) , págs. 701-712.
  8. ^ Mahulikar, SP, Kolhe, PS y Rao, GA: (2005) "Predicción de la temperatura de la piel del fuselaje trasero de la aeronave con un modelo térmico multimodo", AIAA Journal of Thermophysics & Heat Transfer , v. 19(1) , págs. 114-124.
  9. ^ Mahulikar, SP, Rao, GA, Sane, SK y Marathe, AG: (2005) "Firma infrarroja de la columna de aire de la aeronave en modo sin postcombustión", AIAA Journal of Thermophysics & Heat Transfer , v. 19(3) , págs. 413-415.
  10. ^ Mahulikar, SP, Prasad, HSS y Potnuru, SK: (2008) "Supresión de la firma infrarroja del conducto del motor del helicóptero basada en "ocultamiento y camuflaje"", AIAA Journal of Propulsion & Power , v. 24(3) , págs. 613-618.
  11. ^ [1] La guerra óptica: la nueva frontera
  12. ^ Katz, Dan (7 de julio de 2017). «La física y las técnicas del sigilo por infrarrojos». Semana de la aviación . Penton Media. Archivado desde el original el 14 de agosto de 2018. Consultado el 12 de abril de 2019 .(se requiere suscripción)
  13. ^ GAO-10-669R Apoyo al combatiente