基于MODIS数据的卫星辐射特性研究

本文提出了一种结合MODIS数据产品和MODTRAN模型的典型地形条件空间目标红外辐射特性计算方法。考虑了地形条件和大气环境对空间目标的红外辐射特性影响,应用MODIS 3级陆地,海洋,冰雪圈数据产品得到全球温度分布,地形特征分布,将温度及地形条件代入MODTRAN计算得到地表-目标的辐亮度,进而计算目标的外热流以及表达目标的红外辐射特性。之后以全年第189天为例,计算卫星在某一时刻下的各表面的自身辐射、反射辐射、有效辐射。最后计算目标在不同天顶角下辐射强度随方向角的变化趋势。结果表明,空间目标的红外辐射特性与其运行姿态、所在位置的地形条件、表面材料、观测角度均有关系。     

空中目标红外辐射强度计算通用模型及其应用

提出了一种适用于空中扩展目标和小目标红外辐射强度计算的通用模型,该模型消除了对环境温度依赖较大的背景偏置的影响,可有效提升外场复杂多变环境条件下航空目标红外辐射特性测量结果的精度。结合某型航空目标动态红外特性测试数据,探讨了小目标红外辐射强度的计算问题,结果表明:对于中波红外小目标,大气表观辐射强度对总辐射强度的贡献可以忽略,可以采用简化模型计算总辐射强度,但对于长波小目标红外辐射,简化模型不再适用。对红外小目标和扩展目标的外场动态测试数据分别进行了处理,并与理论结果作比对验证,结果验证了模型的正确性。     

化学反应机理对液氧煤油发动机尾焰红外特性影响研究

提出了一种液氧煤油发动机尾焰红外辐射特性计算方法,首先采用计算流体力学软件对液氧煤油发动机内流场进行计算,然后以获得喷管喉部截面参数作为入口边界条件计算发动机尾焰流场,最后以发动机尾焰流场参数分布为基础,采用有限体积法对发动机尾焰红外光谱辐射特性和成像特性进行计算,并对比验证了模型和方法的准确性。在此基础上,研究了化学反应机理和复燃反应过程对尾焰红外辐射特性影响。结果表明,采用多步化学反应能够准确模拟液氧煤油发动机内流场,温度相比热力学计算大3.34%,压力相比试车测量大2.89%;考虑复燃反应使尾焰红外辐射强度增强显著,在采用单步化学反应和多步化学反应两种工况下2~5波段红外辐射强度分别增大50%~100%和150%~170%,但不会影响尾焰红外光谱辐射特性和红外总辐射强度随探测角变化趋势;采用单步化学反应和多步化学反应都能够获得清晰结构的红外成像图像,但是前者2~5尾焰红外辐射强度要比后者增大90%~190%,且两种工况下发动机尾焰红外光谱辐射特性差别很大,尾焰红外总辐射强度随探测角变化趋势也不同。     

空间目标的可见光散射与红外辐射

利用Lowtran7大气传输模型计算了0．4～0．8μm可见光波段的太阳辐射、大气自身的热辐射以及天地背景辐射。利用粗糙面光散射理论与双向反射分布函数计算了空中目标表面对太阳辐射、云层对阳光反射的散射。并利用传热学和背景辐射理论，根据能量守恒定律建立了空间目标表面温度的热平衡方程。以气球为例，计算了不同表面涂层材料的气球在不同地理位置、不同高度、不同时间、温度及辐射功率的变化。分析了空间目标红外辐射特性的一般规律和特征。     

过冷降膜在红外隐身中的应用研究

提出了利用过冷降膜技术对军事目标进行红外隐身的新构想。建立了层流过冷降膜的流动与传热模型,得出了层流降膜自由表面温度分布的解析表达式,分析了影响液膜自由表面温度的各种因素,计算了过冷降膜对军事目标的红外抑制效果。结果表明:过冷降膜是一种简单有效的红外抑制技术,增大液膜流动的Re数和降低液膜入口温度均可增强对特定目标的红外隐身效果,该技术在军事目标的红外隐身方面应用前景广阔。     

低空红外小目标外场模拟方法研究

阐述了掠海导弹红外特性模拟的意义，通过分析红外成像系统对点源目标探测的影响因素，确定了红外辐射强度、光谱分布、空间分布、运动速度为模拟特征量。以红外辐射、反射理论为基础，研究了模拟特征量估计方法，给出了两种典型模拟器实现方法。     

空间目标的可见光散射与红外辐射

利用Lowtran7大气传输模型计算0.4～0.8μm可见光波段的太阳辐射、大气自身的热辐射以及天地背景辐射.依据粗糙面光散射理论与双向反射分布函数计算空中目标表面对太阳辐射和云层对阳光反射的散射.利用传热学和背景辐射理论,根据能量守恒定律建立空间目标表面温度的热平衡方程.以气球为例,计算不同表面涂层材料的气球,在不同地理位置、不同高度和不同时间条件下,其温度及辐射功率的变化.分析空间目标红外辐射特性的一般规律和特征.     

高超声速飞行器红外可探测性能研究

以高超声速乘波体为例,针对稀薄大气空间高超声速目标的红外可探测性能进行分析研究。采用工程算法计算了不同飞行条件下的飞行器驻点热流分布,由此得到其辐射平衡温度;采用小区间求和方法计算大气对红外辐射的传输衰减作用;考虑了目标与背景辐射强度差异、点目标成像的弥散现象对探测器作用距离的影响,建立了新的红外探测系统作用距离计算模型。仿真实验表明,弥散系数随着目标探测器间距离而变化;随着飞行器飞行速度的增加,系统对目标的探测距离增大,同时与长波波段相比,中短波波段时的探测距离更大。外场试验结果表明,与现有算法相比,本文方法具有较高精度。     

建筑物温度场理论建模研究及逐时计算

建筑物温度场计算是目标红外图像理论建模的基础,本文研究了建筑物外表面温度场理论模型的建立,探讨了蒙特卡罗法在求解建筑物表面辐射传递系数中的应用,文中以哈尔滨市最高建筑物华融大厦为对象,逐时、逐季节计算了其辐射传递系数及温度场分布,阐述了模型的合理性。     

运输机蒙皮红外辐射特性建模与分析

为了研究了C-17运输机的红外辐射特性,依据红外辐射的基本原理以及运输机的结构、材料等数据,对飞机机体进行几何建模和网格划分,通过流场仿真计算得到机体蒙皮的温度分布,并结合表面的多重遮挡算法计算出不同马赫数、不同视线方向的飞机蒙皮在红外(8 μm~12 μm)波段的总辐射强度。结果表明,方位角为0°时,相对于0.5马赫,1马赫飞行状态时,红外辐射强度增加32%,马赫数对红外辐射强度影响非常大,气动加热为其辐射强度的主要贡献源。从正前方或正后方探测时,红外辐射强度峰值随天顶角接近对称分布,从侧方探测时,红外辐射强度分布较为平均,因此天顶角对红外辐射强度影响较小。     

深空背景下空间目标红外特性建模方法研究

针对空间目标红外特性提出了一种精确建模方法.根据空间目标的背景辐射环境,充分考虑到目标表面间的热传导及内热源的影响,建立了空间目标的热平衡方程.基于目标的结构特性和材料特性,利用节点网络法求解了目标表面的温度分布.根据光辐射定律、光散射定律建立了空间目标红外特性的数学模型.结合具体的参数,对深空目标资源一号卫星和风云三号卫星的温度场分布和辐照度分布进行了数值计算,仿真结果验证了理论分析的正确性.     

地面目标动态红外特征模拟与隐身技术的研究

针对易受敌方红外制导武器攻击的地面军事目标,模拟并计算出其红外辐射特征。通过合理的假设,将复杂的三维辐射与对流耦合传热问题简化为一维瞬态传热问题,运用多层有限差分的数值计算方法计算模拟出目标瞬时温度变化方向图,得出其动态红外特征。在此基础之上,分别研究了地面目标不同部位(顶部与侧面)隐身所需要的表面发射率与温差的关系。分析了在不同温差条件下目标隐身所需表面发射率随时间的变化关系。计算模拟得出目标与背景在一日之中都存在明显的温差,最大温差可达10℃左右。分析得出利用水雾隐身使目标与背景的温差控制在2℃以内可达到良好的隐身效果。     

目标辐射特性现场校准用大面积黑体辐射源技术研究

红外成像技术在空间探测、对地观测、安防监控等领域的应用越来越广,为了确保红外目标识别的准确性,必须掌握目标的辐射特性。目标辐射特性需要在外场实际条件下测量得到,需要利用大面积黑体辐射源对目标特性测量设备进行现场辐射参数校准。设计了一种大面积黑体辐射源,辐射体采用铝材质并发黑处理,大面积黑体辐射源温度控制采用PID控制算法。在外场实际环境温度为26.8 ℃,湿度为60%时对目标特性测量设备辐射参数进行了校准。试验数据表明:辐射温度测量不确定度为0.4 ℃（k=2）,取得了较好的应用效果。     

空间目标抖动状态红外图像仿真建模研究北大核心CSCD

空间目标容易受到太空垃圾碰撞及干扰从而产生抖动。针对空间抖动目标红外图像的模型构建问题,对天基空间红外成像系统的主要噪声进行分析并考虑杂散光影响,基于Creator与Vega软件平台相结合,提出抖动状态下空间目标表面缺陷的红外图像的建模方法。依据空间目标基本特征分析其红外辐射特性,在Creator中对空间目标缺陷进行三维建模;根据目标以及背景红外辐射特性对三维模型进行温度场分析,将分析所得结果与Vega红外模块相结合获得红外图像模型;确定抖动图像数学模型并对仿真图像施加抖动影响,然后施加杂散光影响获得最终模拟图像。实验结果表明:该方法生成的抖动状态下空间目标红外图像与实验图像相似程度高,能为空间目标探测与态势感知提供一种有效的模拟系统。     

空间目标红外双波段比色测温法精度分析

针对空间目标与地基望远镜红外成像传感器终端之间的不确知参量将降低双波段比色测温法求解精度,且精度影响程度未知,假设目标为灰体,对包含不确知参量的最大似然估计函数关于发射率求偏导,建立基于红外探测器测量电子数的双波段比色测温数学模型,并进行双波段比色测温法的蒙特卡洛仿真实验与精度分析。对于大气透过率的估算,提出应用红外自然星体的大气透过率现场标校方法。空间目标温度反演精度与成像探测器的信噪比、大气透过率、地球热辐射以及波段之间的发射率差异等未知参量的估算精度有关。结果表明:信噪比高于20,波段之间发射率差异小于0.03,地球热辐射预测精度优于50%,大气透过率预测精度优于10%时,比色测温法优于40 K的温度估计精度。     

目标表面发射率对红外辐射偏振特性的影响分析

偏振探测不仅可以获得目标的光谱、强度、偏振态以及空间几何形状等参数,还可以获得更丰富的目标信息,有利于改善对目标的探测和识别能力。红外辐射偏振成像是近年来发展起来的一种新的红外探测技术,主要通过目标与场景的红外辐射偏振特性差异进行目标探测与识别。但由于红外辐射偏振信息在传输过程中,其偏振态会受到传输介质的影响,而通常基于实验分析总结目标红外偏振特性的方法难以对偏振传输过程中的影响因素进行估计,也不能定量描述各相关参数对于红外偏振信息的影响。通过微面元理论的双向反射分布函数模型,建立了基于偏振双向反射分布函数的红外辐射偏振传输方程, 推导分析了目标表面发射率对红外辐射偏振度的影响,结果表明：目标表面发射率对目标红外偏振度影响可以忽略;在理论分析基础上,有针对性的开展红外光谱偏振探测试验,试验数据分析与理论推导结论吻合。这表明：材料表面发射率的变化不影响目标表面的红外辐射偏振度。该研究成果有利于提高红外伪装探测的目标识别效率,可为进一步提高红外偏振成像系统的伪装目标探测提供新的途径和方法,如在伪装目标探测识别中,通过探测其表面的红外辐射偏振特性的改变实现伪装目标识别探测。     

Study on the Characteristic of IR Radiation from the Space Target

In this paper, based on the analysis of the thermal environment where the space target embeds and the study of thermal exchanges between the environment and the space target, the mathematics model of the temperature field for the space target is present by using the thermal network method. The temperature and radiant flux of the target surface are calculated, the characteristic of the distribution of temperature and IR radiation from the space target is discussed in detail.     

水下航行器热尾流目标海平面探测红外成像仿真

红外成像是探测水下航行器海平面热尾流目标的重要方法。采用建模仿真的方法，基于尾流区海平面温度分布特征，结合三维坐标变换和投影映射方法实现热尾流目标的红外成像仿真过程，得到在相同探测条件下热尾流的辐射能量随波段的分布，以及不同探测方位角与高度下热尾流在像平面内的形态及红外辐射亮度的变化规律。论证了噪声对典型工况条件的热尾流与背景海面的对比度和清晰度，以及热尾流目标的探测和识别难度的影响。仿真结果表明:相同探测条件下，热尾流在8 μm~12 μm波段的辐射能量远远大于3 μm~5 μm波段；随着探测高度的增加，热尾流区域的红外辐射观测亮度逐渐减小；探测路径长度一定时，探测天顶角增大，热尾流红外辐射观测亮度减小，并且热尾流在像平面内所占区域逐渐减小。     

基于图像的飞行器红外辐射特性测量

通过将目标在一定波段内的红外辐射等效为红外成像系统前一定距离下黑体在对应波段内的红外辐射,建立了等效辐射方程。根据黑体辐射定标实验数据,利用非线性回归方法确定了在不同的积分时间条件下红外凝视成像系统输出红外图像的灰度值与在一定距离下的黑体温度之间的定量关系,建立了辐射定标方程。在Visual C++6.0平台下,在对红外目标图像进行SUSAN滤波等预处理后,分析了已知目标距离的红外图像的灰度均值。首先根据辐射定标方程计算出目标等效为黑体的温度,然后利用等效辐射方程反推目标的红外辐射强度,以达到根据跟踪的红外图像确定红外目标辐射特性的目的。此项研究不仅可以为目标识别提供目标分类、识别和辨认所必需的光谱数据库,而且还可以为红外预警提供重要的参考数据。