气氧煤油发动机尾焰红外辐射特性研究

提出了一种考虑碳烟颗粒的气氧煤油发动机尾焰红外辐射特性计算方法,首先对气氧煤油发动机纯气相内流场进行计算,然后以喷管喉部作为气体和固体碳烟颗粒的入口边界计算发动机尾焰流场,最后以发动机流场参数分布为基础,采用有限体积法和伪气体理论对发动机尾焰红外辐射特性进行计算。进行了气氧煤油发动机点火实验,并将计算结果与实验结果进行对比分析。结果表明,燃烧室内两个压力测量点的测量与计算误差分别为1.4%和3.4%,燃烧室内计算温度与热力学计算误差为2.16%,证明了燃烧室流场计算模型的准确性。含有碳烟颗粒的尾焰流场计算结果与热像仪测量结果比较吻合,证明了尾焰流场计算方法和模型的准确性。4.3 μm波段尾焰红外成像计算结果与工作在4.3 μm波段的红外热像仪测量结果吻合比较一致,证明了尾焰红外辐射特性计算方法和模型的准确性。     

复燃对液体火箭尾焰红外辐射特性的影响

为了定量研究复燃对液体火箭尾焰红外辐射特性的影响,建立了一个可以计算液体火箭尾焰复燃流场和红外辐射特性的模型.首先,使用FLUENT软件计算液体火箭尾焰复燃流场,其中尾焰中的复燃反应使用有限速率化学反应模型计算;然后,使用基于HITEMP数据库的窄带模型计算尾焰内气体的辐射参量;最后,使用有限体积法求解尾焰中的辐射传输方程.通过比较该模型计算的Titan ⅢB尾焰光谱辐射强度与(美国)国家航空航天局公布结果的一致性,证明了该模型的正确性.最后,利用该模型计算了复燃对某液体火箭尾焰光谱和波段红外辐射强度的影响,结果表明,复燃反应可以显著增加尾焰红外光谱辐射强度,在2.5～3.0 μm和4.2～4.7 μm两个主要辐射波段平均辐射强度的增加比例分别达到了30.8％和28.3％,所以,在计算液体火箭尾焰准确的红外辐射特性时,需要考虑复燃的影响.     

自校准多通道红外辐射计的设计与性能测试

为满足遥感器热红外波段自动化观测定标的需求，研制了具有自动化观测能力的自校准多通道红外辐射计。该设备需具有以下特色功能:1）采用电机驱动镀金反射镜的设计，实现0°～90°仰角的大气下行辐射和地表辐亮度的测量，为消除大气下行辐射对反演地表温度的影响提供了技术手段；2）采用滤光轮分光的方法实现了6个光谱通道的自动设置，结合多通道温度与发射率分离算法可以实现场地温度与发射率的分离，为卫星遥感器热红外波段绝对辐射定标提供了2个关键因子；3）采用内置2个控温精度分别优于0.04 K和0.05 K、发射率均高于0.994，稳定性均优于0.0014的黑体实现内部探测器的实时辐射定标，有效地消除了内部背景辐射对辐射测量的影响，定标不确定度小于0.167%。等效测温不确定度为0.2 K（@303 K, 11 μm），为遥感器热红外波段场地自动化定标应用的开展奠定了基础。     

红外光谱辐射亮度测量中温度均匀性和源尺寸效应的研究

在已有的紫外、可见和近红外波段的光谱辐射亮度国家基准的基础上，将光谱辐射亮度的测量范围向红外波段扩展，建立2 μm～14 μm红外光谱辐射亮度计量基准装置，可为遥感对地观测、气候变化、目标识别、材料发射率测量等领域的红外光谱辐射定标提供技术支撑。针对红外光谱辐射亮度测量中的温度均匀性和源尺寸效应进行研究，通过定制光阑或限制所用腔口位置实现了温度均匀性的提升；采用光学仿真、增加光阑和简化光路等方法进行了系统源尺寸效应的分析和抑制，有效地降低了源尺寸效应的不确定度。下一步将对系统的非线性效应等参数进行研究，并对整套系统的不确定度进行评估。     

基于青海湖辐射校正场的FY3D/MERSI-Ⅱ卫星遥感器热红外波段在轨辐射定标

2018年8月在青海湖辐射校正场开展了针对FY3D/MERSI-Ⅱ卫星遥感器热红外通道的在轨绝对辐射定标试验.采用走航式测量的方式获取了青海湖水表光谱辐亮度数据,结合探空数据,并基于辐射传输模型计算出卫星过境时刻的入瞳辐亮度和亮温,实现了对FY3D/MERSI-Ⅱ卫星遥感器热红外通道24(10.26~11.26μm)和通道25(11.50~12.50μm)的在轨辐射定标.利用国际公认精度的AQUA/MODIS和NPP/VⅡRS卫星遥感器对在轨辐射定标方法进行精度评估,在10.26~11.26μm和11.50~12.50μm波段范围,通道亮温的平均偏差分别小于0.5K和1.0K,表明基于青海湖辐射定标场的在轨辐射定标方法具有较好的定标精度,获得的定标结果合理可靠.将利用青海湖进行的在轨定标结果与星上定标结果进行比较,在10.26~11.26μm和11.50~12.50μm波段范围,通道亮温的平均偏差分别小于0.5K和1.25K,表明FY3D/MERSI-Ⅱ在轨运行稳定.本次试验检验了FY3D/MERSI-Ⅱ星上定标结果,也为FY3D/MERSI-Ⅱ遥感数据的定量化应用提供了保障.     

复燃对液体火箭尾焰红外辐射特性的影响

为了定量研究复燃对液体火箭尾焰红外辐射特性的影响,建立了一个可以计算液体火箭尾焰复燃流场和红外辐射特性的模型.首先,使用FLUENT软件计算液体火箭尾焰复燃流场,其中尾焰中的复燃反应使用有限速率化学反应模型计算;然后,使用基于HITEMP数据库的窄带模型计算尾焰内气体的辐射参量;最后,使用有限体积法求解尾焰中的辐射传输方程.通过比较该模型计算的Titan IIIB尾焰光谱辐射强度与(美国)国家航空航天局公布结果的一致性,证明了该模型的正确性.最后,利用该模型计算了复燃对某液体火箭尾焰光谱和波段红外辐射强度的影响,结果表明,复燃反应可以显著增加尾焰红外光谱辐射强度,在2.5~3.0 μm和4.2~4.7 μm两个主要辐射波段平均辐射强度的增加比例分别达到了30.8%和28.3%,所以,在计算液体火箭尾焰准确的红外辐射特性时,需要考虑复燃的影响.     

高光谱遥感器现场光谱定标精度验证方法研究

鉴于精确的光谱辐射定标精度验证对于高光谱遥感器的现场定标和数据应用非常必要,以SVC光谱辐亮度计为例,利用多波段辐亮度标准传递探测器和新型的光谱可调积分球参考光源,设计了一种高光谱遥感器光谱定标精度的验证方法。该方法利用新型光谱可调积分球参考光源在待测波段内分别输出光谱形状单调上升和单调下降的光谱辐亮度状态,通过光谱匹配技术,即平移改变SVC光谱辐亮度计的波长,分析比对MRSTD和SVC光谱辐亮度计测量辐亮度的相对偏差。比对结果为光谱定标验证精度优于±0.2 nm,辐射定标验证精度小于5%。     

极光对中高层大气临边红外辐射影响的模拟分析

利用中高层大气红外辐射模式模拟分析极光对中高层大气临边红外辐射的影响。模拟结果表明,极光扰动大气时,NO导致2.7μm、5.3μm带临边辐亮度相比于静态值显著增大,2.7μm带辐射不含时变化,5.3μm带辐射含时小幅变化;CO2和NO+导致4.3μm带临边辐亮度相比于静态值显著增大,CO2导致其含时变化;10μm、15μm带临边辐亮度因CO24.3μm带的关联效应也以一定幅度增大,并同样含时变化。因化学反应产生的NO、NO+的高振动能级使2.7,4.3,5.3μm带在包含它们的基带和热谱带的宽光谱范围内都获得增强。根据所获得的辐射特性,初步模拟了一次极光扰动大气的4.3μm带临边观测事件,并与实测值进行对比分析,验证了中高层大气红外辐射模式的正确性。     

H_2O和CO_2高温混合气体喷流红外辐射特性

利用数值仿真方法研究了H_2O和CO_2高温混合气体喷流的红外辐射特性。根据H_2O和CO_2两种气体的吸收特性,将红外波段划分为1.32~1.69μm、1.56~2.27μm、2.27~3.8μm、3.8~8.3μm和8.3~20μm五个波段。建立了基于某型发动机喷嘴的尾流红外辐射特性模型,并利用此模型分别研究了H_2O和CO_2高温混合气体喷流在这五个波段的辐射特性分布。仿真结果表明,喷流中H_2O含量越高,越有助于能量的扩散,因此喷流温度和辐射能量也越低;在高温喷流的辐射特性中,中波红外波段辐射能量最强,长波红外波段的最弱。     

基于琼斯法的高亮度积分球定标光源

针对目前光学口径不断增大的空间光学遥感器实验室辐射定标的需求,基于琼斯法设计了一种在400~900 nm波段积分辐亮度为6 800 W/(m2·sr)的高亮度积分球定标光源。对该光源的热设计表明:采用水冷散热的方式能够满足高亮度积分球定标光源的散热需求。实验表明,该定标光源在400~900 nm波段范围内积分辐亮度达到6 714 W/(m2·sr),经过散热后积分球球体温度场分布满足定标要求,可应用于工程实践。     

Infrared radiation characteristics of liquid oxygen/kerosene rocket engine plume with different number of nozzles

A method for calculating the liquid oxygen (LOX)/kerosene rocket engine plume infrared radiation characteristics was proposed, infrared radiation characteristics of the gas oxygen/kerosene model engine were studied by simulation and experiment, and the accuracy of the method was proved. On this basis, studies on infrared spectral radiation characteristics and infrared imaging characteristics of single- and double-nozzle 120?ton thrust LOX/kerosene engine plume were carried out. It is found that, the engine nozzle number can be determined according to infrared imaging characteristics of the engine plume at the appropriate detection angle. Compared to using 2–5?µm band, the infrared radiation imager with clearer plume structure can be obtained using the spectral band such as 2.7 and 4.3?µm bands. The change in the detection angle and the increase in the engine number will have a significant effect on the infrared radiation intensity of the LOX/kerosene engine plume, but they will not change the infrared spectral radiation characteristics.     

Monte Carlo scattering of sunlight by high altitude rocket plumes

A comprehensive model for the scattering of sunlight by high altitude rocket plumes is presented. The model consists of a Monte Carlo simulation of the multiple absorption-emission of solar photons by plume molecules. The physical and optical properties of high altitude plumes are discussed. It is shown that the expansion of rocket exhaust gases into a vacuum produces a highly nonequilibrium distribution of quantum state populations. As an example, the terminal translational and rotational temperatures for CO₂, for a 1 kN thrust engine, are predicted to be 10 and 15 K, respectively. Because these very low rotational temperatures result in a molecular absorption spectrum which consists of only several rotational lines, the optical opacity of both i.r. and u.v. transitions can be of order unity at large distances from the nozzle exit. For a 1 kN thrust engine, the centerline optical diameter equals unity at axial distances of approx. 10 m for CO₂ (4.3 μm) and 100m for CO (2,0) A → X. Detailed Monte Carlo calculations are presented for i.r. [CO₂(4.3 μm), H₂O (2.7 μm), and CO (4.6 μm)] and u.v. [H Lyα and CO A → X, B → X, C → X] transitions which demonstrate the dependence of scattered solar power on engine thrust, plume length and solar illumination angle. In general, plumes characterized by thrusts greater than 10 kN and lengths less than 0.1 km are optically opaque for i.r. transitions. However, u.v. transitions for H Lyα are quite optically thick even for a thrust as small as 1 kN and a plume length of 1 km. The u.v. transitions for CO can be optically opaque for 1 kN thrust and a plume length less than 1 km.     

被动差分吸收光谱法测量烟羽速度的方法研究

差分吸收光谱技术(differential optical absorption spectroscopy, DOAS)是利用气体分子在紫外-可见光谱范围的特征吸收来测量其浓度含量。被动DOAS以天顶太阳散射光为光源通过对污染源排放烟羽进行扫描测量能获取污染气体(如SO₂,NO₂)柱浓度的连续分部,再结合风场信息后可以估算出污染源污染气体的排放总量。在实际测量中由于无法准确获取烟羽速度这一重要参数使得排放总量的计算变得比较困难,并且这也成为估算总量中的主要误差来源。文章研究了被动DOAS测量污染源排放烟羽速度的原理和方法,两套系统以固定夹角在烟羽下方获取烟羽通过一定距离的时间差从而得到烟羽运动速度。通过两套被动DOAS系统对某电厂排放烟羽进行测量得到了两个时刻的烟羽速度3.6和5.4 m·s-1,并与单经纬仪测风法获取当时烟羽高度上的风速结果进行对比表明,这种基于被动DOAS光学遥测方法能够满足烟羽速度的测量。     

Three Dimensional Monitoring of Stack Plume Dynamics by a Scanning Mie Lidar System as a Plume Watchdog Station

A scanning lidar system was developed to watch the nighttime diffusion process of plume from a smokestack of a large incinerator located around 3 km from the system. Observed data sets were visualized as three dimensional images in which could be seen the diffusion pattern from any direction, and this made it easy to investigate the exhaust dynamics. Observation results showed that the original plume extended at least 1.6 km, where there was a residential area, from the smokestack increasing in diameter to about 500 m. High density aerosols originating from the smokestack were measured in that area even at midnight. The lidar system performance as a plume watchdog station was discussed from the standpoint of publichealth-related plume monitoring.     

卷云短波红外辐射特性

 采用离散纵标法耦合大气分子吸收，模拟计算了卷云大气的反射特性。研究了在短波波段卷云辐射性质随波长、卷云光学厚度、卷云有效尺度、云高和卷云中冰晶粒子形状等的变化关系，分析了卷云对大气红外背景辐射的影响。结果表明：在2.7 μm的水汽强吸收带上，卷云的出现明显增强了该波段的大气背景辐射，反射率随光学厚度和云高增大而增大。     

高空离轨发动机流场红外辐射特性研究

高超声速飞行器大攻角机动时,其离轨发动机产生的喷流与高速稀薄的大气来流产生强烈干扰,流场情况复杂,流场红外辐射也是天基红外系统探测的标志性事件.本文针对高超声速飞行器发动机喷流与稀薄来流的相互干扰情况,采用数值求解Navier-Stokes方程模拟干扰流场,采用逐线积分法得到气体红外辐射特性,结合反向蒙特卡洛方法计算得...     

一种气体吸收的逐线计算模型及其实验验证

建立一种高分辨率的气体吸收光谱的逐线计算模型,分子谱线参数数据库采用了最新的低温库HITRAN2008和高温库HITEMP2010,能根据温度条件自动选择合适的谱带参数库,并可同时满足高温和常温气体辐射计算。计算波数采用等间隔取样,取样间隔大小以能分辨出典型分子谱线为条件确定。线翼截断采取等波数截断,总内配分函数由Gamache拟合三次多项式计算。谱线线型根据气体温度和压力来选择,最后,利用该模型计算了压力为1atm,不同温度、浓度和路径长度下CO2在4.3μm和2.7μm的透射率。考虑FTIR仪器增宽,将逐线计算结果降为窄带透射率,与中分辨率的试验结果对比均吻合,并能在较宽的温度范围内保证精度。     

Testing technology of vacuum ultraviolet spectral radiance北大核心CSCD

The spectral radiance of vacuum ultraviolet (UV) target is of crucial significance to plenty of researches including deep space exploration and spacecraft damage test. Two types of test systems and methods for vacuum UV light sources were studied. Through the research of test method for vacuum UV spectral radiance, a corresponding test system was developed, which included vacuum UV standard light source, optical imaging system, light splitting module, vacuum UV detector module, vacuum chamber and data processing system. According to the direct measurement method and the comparative method, the spectral radiance of deuterium lamps was tested and analyzed, the influencing factors and the relative index error of vacuum UV spectral radiance were discussed, and the accurate measurement of vacuum UV spectral radiance in the five wavelength ranges of 121.2 nm, 135.6 nm, 160 nm, 180 nm, 200 nm at 0.01 μW/cm2·nm·sr~1 μW/ cm2·nm·sr was realized. The repeatability of the measurement is 0.001 34, which shows that the proposed test system can realize the test of vacuum UV signal. © 2022 Editorial office of Journal of Applied Optics. All rights reserved.     

海雾的遥感光学辐射特性

为实现海雾的卫星自动监测,利用大量AVHRR3/NOAA17卫星观测数据,比较不同目标物(海雾区、不同云系及晴空下垫面)在可见光、近红外波段的反射辐射特性差异,统计分析了海雾的遥感光学辐射特性.结果表明,海雾区三通道反射率满足RCh1RCh3a>RCb2,甚至出现RCh3a>RCh1>RCh2不同于其它目标物(RCh1>RCh2>RCh3a.运用Streamer辐射传输模式模拟了海雾、不同云系在卫星高度处的三通道反射率特性,从理论上进一步验证了海雾所具有的光学辐射特性,同时指出,Ch3a的反射率对粒子粒径的响应明显,即粒子粒径越小,Ch3a的反射率越高.通过米氏散射理论对这一现象进行原因分析.