高速钝锥体非平衡绕流场光辐射特性模拟

本文首先采用CFD-FASTRAN软件对RAM-CII钝锥体试验飞行器热化学非平衡绕流场参数进行了模拟分析,其次采取多温度模型结合逐线法获得非平衡绕流场吸收、发射系数,最终采用视在光线法LOS对RAM-CII飞行器全流场光辐射特性进行了模拟,分析表明:头部激波层紫外（0.2～0.4μm）辐射最强,要比尾迹流区高3个数量级以上,正侧向观测辐射强度比迎头观测时要大接近1个数量级;同一方向不同高度总的光谱辐射亮度差别不大,但正侧向观测的光谱辐射亮度比迎头方向观测略大;绕流场红外（2～5μm）辐射以CO₂分子2.7、4.3μm谱带发射为主,但总体上看红外光谱辐射亮度相较于紫外要小3个数量级。     

氙气中辐射激波的发光特性

本文模拟研究了氙气中X射线加热产生辐射激波的发光特性.辐射激波采用Zinn模型计算,并在模型中输入氙气的辐射不透明度和状态方程参数.研究发现,辐射激波伴随着丰富的光学演化过程,激波对外辐射强度表现出两个明显的亮度峰值和一个亮度极小值,辐射光谱也经常偏离黑体辐射光谱.对氙气不同位置光学特性的分析可知,激波和内部高温区的辐射吸收系数的动态演化导致了辐射激波的发光位置和辐射强度的变化.     

激波管壁AlO自由基B~2Σ~+-X~2Σ~+和C~2Π_r-X~2Σ~+带系辐射光谱的研究

爆轰驱动过程中产生的高温高压气流对铝质膜片、激波管壁产生烧蚀和冲刷作用,以致激波管壁、端盖上附有氧化铝等杂质,而高温下AlO自由基在气体分子的高速碰撞下被激发并产生强烈的辐射,从而干扰了高温气体辐射光谱的分析。用爆轰驱动加热技术将空气加热到4 000~7 000 K,利用多通道光学分析仪对AlO自由基辐射光谱进行分析,实验发现在460~530 nm波长范围内有多支辐射非常强烈的AlO自由基B2Σ+-X2Σ+(T00=20 689 cm-1)带系辐射谱带,且每支谱带都由多个带头组成,带头间隔约为2 nm,带头处于高频位置并向低频方向伸延。通过实验与理论计算相结合,重点分析了AlO自由基B2Σ+-X2Σ+带系辐射光谱的结构特征。AlO自由基C2Πr-X2Σ+(T00=33 047 cm-1)带系辐射光谱处于270~335 nm波长范围内,其辐射强度相对于B2Σ+-X2Σ+带系较弱,并且与OH基A2Σ+-X2Π(T00=32 682 cm-1)带系辐射光谱互相干扰而难以分辨,对该波段高温空气的辐射光谱分析产生不利的影响。     

激波管壁AlO自由基B~2∑~+-X~2∑~+和C~2∏_r-X~2∑~+带系辐射光谱的研究

爆轰驱动过程中产生的高温高压气流对铝质膜片、激波管壁产生烧蚀和冲刷作用,以致激波管壁、端盖上附有氧化铝等杂质,而高温下AlO自由基在气体分子的高速碰撞下被激发并产生强烈的辐射,从而干扰了高温气体辐射光谱的分析.用爆轰驱动加热技术将空气加热到4 000～7 000 K,利用多通道光学分析仪对AlO自由基辐射光谱进行分析,实验发现在460～530 nm波长范围内有多支辐射非常强烈的AlO自由基B~2∑~+-X~2∑~+(T_(00)=20 689 cm~(-1))带系辐射谱带,且每支谱带都由多个带头组成,带头间隔约为2 mn,带头处于高频位置并向低频方向伸延.通过实验与理论计算相结合,重点分析了AlO自由基B~2∑~+-X~2∑~+带系辐射光谱的结构特征.AlO自由基C~2∏_r-X~2∑~+(T_(00)=33 047 cm~(-1))带系辐射光谱处于270～335 nm波长范围内,其辐射强度相对于B~2∑~+-X~2∑~+带系较弱,并且与OH基A~2∑~+-X~2∏(T_(00)=32 682 cm~(-1))带系辐射光谱互相干扰而难以分辨,对该波段高温空气的辐射光谱分析产生不利的影响.     

不同场景的天基紫外背景杂波仿真计算

在天基紫外探测系统中,定量地估计由地气背景浮动引起的杂波辐射有利于对不同场景探测通道(包括中心波长和光谱范围)的有效选择,提高对空间目标的综合探测性能。从空间信号传输的角度出发,在290~400 nm的"紫外窗口"区建立了不同场景空间杂波辐射模型,并利用该模型分析了空间背景杂波辐亮度的主要影响因素。在可能的目标辐射特性与地气背景杂波水平下,对杂波影响下的系统探测性能进行了有效估算。结果表明:在晴空探测条件下,探测系统的中心波长和光谱范围应分别选为300 nm和297~306 nm,而在完全充满卷云的视场,探测系统的中心波长和光谱范围应分别选为299 nm和296~303 nm。     

缓冲层对导模共振滤光片反射光谱截止特性的影响

提出将均质多层膜系设计中的缓冲层概念71入到反射导模共振(GMR)滤光片的设计中,通过严格的耦合波理论精确计算,研究了加入缓冲层对改善导模共振滤光片反射峰边带截止深度及截止宽度的作用.双层导模共振滤光片结构中,入射光为TE偏振光时,设计增加97.5 nm缓冲层后,能够明显地展宽反射光谱范围.由原来的192.4 nm展宽到345.6 nm,并且在650～1250 nm波长范围内的边带截止度均比不含缓冲层结构的要深.入射光为TM偏振光,以类似TE结构的滤光片在布儒斯特角入射时,在700~1300 nm波长范围内,较不含缓冲层的结构,也能够获得更宽的截止带反射光谱和更深的截止度.在提出的膜系结构中,经过优化膜系、选择合适的光栅参数等,可以使反射光谱具有更好的截止特性,同时保证设计的共振峰位置不变.     

高温目标短波红外光谱辐射亮度方向效应研究

为探究高温目标短波红外波段(1300～2500 nm)光谱辐射亮度是否具有方向效应,及光谱辐射亮度与辐射天顶角的关系,以500℃石墨与金属板(304不锈钢)为高温目标,设计了暗室条件下高温目标0°～70°辐射天顶角光谱辐射亮度测量实验。利用方差分析研究短波红外波段辐射亮度是否具有方向效应,采用最小二乘法,对高温目标的方向光谱辐射亮度进行拟合,进而探究其变化规律。实验结果显示:在显著性水平α=0.01的条件下,石墨板与金属板在不同辐射天顶角的光谱辐射亮度均存在显著差异;采用最小二乘法,使用指数函数对高温目标的方向光谱辐射亮度进行拟合,拟合精度均大于0.95。研究表明:金属板较石墨板具有更显著的方向效应;石墨光谱辐射亮度方向效应不随波长的变化而变化,金属板光谱辐射亮度方向效应受波长的影响;两种材质的方向光谱辐射亮度与辐射天顶角(0°～70°)均呈指数关系。     

谱线漂移对星载成像光谱仪辐射测量精度的影响

分析了谱线漂移在地面辐射定标、星上辐射定标和在轨对地观测等环节对成像光谱仪辐射测量的影响,建立了从实验室辐射定标到星上辐射定标再到在轨对地观测全过程的辐射传递模型,并通过仿真分析求解了成像光谱仪入瞳处辐射测量不确定与谱线漂移之间的关系。结果表明,谱线漂移导致的辐射测量误差与谱线漂移量和入瞳辐亮度的分布梯度成正比;光谱带宽偏差对测量精度的影响程度较中心波长误差高一个数量级。对于可见近红外(VNIR)波段平均光谱带宽10 nm、短波红外(SWIR)波段平均光谱带宽20 nm的典型成像光谱仪,要保证谱线漂移引起的辐射测量不确定度小于6%,实现成像光谱仪在轨观测时入瞳处的辐射测量绝对精度优于10%,可见近红外波段中心波长偏差应不大于2 nm,光谱带宽偏差应不大于0.1 nm,短波红外波段中心波长偏差应不大于3 nm,光谱带宽偏差应不大于0.1 nm。     

用同步辐射源建立紫外及真空紫外光谱区光谱辐射度基准的研究

叙述了中国科学技术大学国家同步辐射实验室800 MeV电子储存环同步辐射的特性及作为光谱辐射亮度基准的原理和方法,精确计算出同步辐射光源光谱功率空间分布,并在计量学上将同步辐射“经典”理论与标定氘灯光谱辐射亮度结合起来,对“同步辐射作为标准源进行光谱辐射功率计量”进行深入的研究。介绍了国家同步辐射实验室计量光束线站的装置,该装置利用同步辐射波长范围宽、亮度高、辐射特性可精确计算等特点,可用于标定传递标准氘灯的光谱辐射亮度(115~350 nm),并进行了不确定度分析。并与德国技术物理研究院(PTB)标定的氘灯光谱辐射亮度进行比较,两者符合。     

基于多光谱辐射特性的高速目标识别定位系统

为了实现高速目标的快速识别及定位,采用多光谱辐射与声定位技术联用,在被动探测的状态下快速获取被测目标爆炸波的光谱特性及声特性,从而分析判断其种类、位置等重要参数信息。推导了多光谱辐射目标识别检出公式,计算了采用激波声定位方法获取光程距离的精度及合理的积分时间。实验分别采用5.56 mm北约弹、7.62 mm 56式步枪弹、12.7 mm 54式机枪弹作为被识别目标弹丸,通过丹麦B&K公司的2209脉冲声压计完成声压峰值采集,获得了三种目标弹丸的速度、距离信息。由静态傅里叶变换干涉系统与ICX387AL型CCD完成干涉条纹的采集,再将获得的光程信息代入多光谱目标识别算法中,从而通过目标的光谱特性识别弹丸的类型。实验结果显示,5.56 mm北约弹的三个特征波长位置幅值接近,966 nm位置处幅值最大;7.62 mm步枪弹在935 nm位置上幅值最大,其他两个位置上幅值相近;12.7 mm机枪弹的三个波长呈阶梯状分布。在多次测试过程中,经光谱标定、特征波长提取等方法对采集得到的三组光谱数据均可成功识别弹丸的种类并给出目标位置,满足设计要求。     

Infrared spectral radiative properties of high temperature gas with multi-component

The shock layer of high-speed missiles is a highly uneven gas medium with multi-component and high temperature. Its spectral radiation effects degrade and distort the remote sensing images of infrared sensors. The exact numerical calculating method of the shock wave thermal radiation noise has been developed in this paper. With the multi-temperature model and the rectangular grid recursive method of ray tracing, atomic-molecular absorption and emission spectra of CO₂, H₂O and N₂ were obtained along the line of sight along the seeker detectors. Based on image degradation evaluation criteria and the wind tunnel experimental results, how images blurred by the proposed model were verified. The relations between the shock wave thermal radiation noise and flow parameters were also analyzed. For the 3–8 μm infrared band, shock wave thermal radiation noise is little effected by flight altitude, and close relations with Mach number, as the empirical formula given.     

高超声速飞行目标尾焰红外辐射测量

为了研究超高声速飞行器发动机尾焰喷射高温高速气流的辐射特性,对尾焰成分CO₂及H₂O分子在4.3和2.7 μm大气窗口红外辐射波段进行了测量.利用高温燃气激波风洞模拟产生超高声速飞行器尾焰喷流,喷流速度M=5.5.实验中选用单元型InSb红外探测器,并利用黑体进行原位定标.测量距离为0.7 m,采用单透镜成像加光阑的方法收集光信号.实验中分别沿喷流方向喷流垂直方向进行了多点测量,通过定标结果反演得到尾焰在4.3和2.7 μm分别沿喷流方向和喷流垂直方向的光谱辐亮度和波段辐亮度分布,测量结果表明4.3 μm辐射强度及稳定性均高于2.7 μm.      

Observation of nonequilibrium radiation behind strong shock waves in low-density air

Nonequilibrium radiation phenomena behind strong shock waves in low-density air are observed by using a couple of CCD camera systems in a shock tube experiment. The simultaneous observation for total radiation and its spectral radiation is carried out in order to elucidate spaced-ependent contribution of an individual radiation spectrum to the total radiation intensity. The results are shown for the shock velocity range from 9.0 km/s to 12.1 km/s at the initial pressure 13.3 Pa. Wavelength range is selected from 300 nm to 445 nm to investigate mainly the contributions from UV radiation. It is found that the band spectra due to the molecular species N₂⁺ and CN mainly contribute to the first-peak, while the spectra due to the atomic species O⁺ and N mainly contribute to the formation of the second-peak. It is also found that the Balmer series in H spectra strongly contributes to the second-peak. The radiation along the tube wall surfaces is composed of the same constituents as those around the tube axis as well as the spectra coming from the impurities.     

外场用红外目标模拟器辐射特性测量研究

野外便携式红外目标模拟器作为红外目标辐射源,广泛应用于各军兵种武器装备的效能测试评估中.针对外场模拟辐射源不能精确标定的问题,采用标准面源黑体和红外傅里叶光谱辐射计相结合标定的方法,对红外模拟器特定温度下的光谱辐亮度进行测量,计算出感兴趣波段的积分辐亮度,根据模拟器辐射面积给出用户需要的模拟器各设定温度下的辐射强度.分析计算表明:计算出的感兴趣波段的积分辐亮度值和理论曲线相比较,取得了良好的一致性,间接验证了该方法的正确性.     

金属冲击温度测量中金属/窗口界面表观光谱辐亮度的再研究

 在冲击压缩下，理想接触的金属/窗口界面温度历史是时间无关的，因而一般认为界面的表观光谱辐亮度也是时间无关的。研究表明：（1）在冲击压缩下，将伴随金属对光的吸收系数减小和光学厚度增大。因此，在考虑辐射输运效应后，理想接触的金属/窗口界面处的表现光谱辐亮度是时间相关的。非常明显的时间相关过程自冲击波到达界面后持续约10 ns。（2）若把存在空间温度梯度的金属界面辐射看作是透光厚度内平均温度的等效辐射效应，其结果与辐射输运效应的计算结果是很相近的。     

Shock wave velocity measurement in the Al2O3 under ultrahigh pressure

In indirect-drive experiment, the blank effect caused by X-rays from Hohlraum will show the dark area in time scale of optical streak camera (OSC). This blank effect, which was a serious problem in indirect-drive shock wave experiments, has been explained by the semiconductor model. The X-rays cause the band to band transition and the probe laser is absorbed by the intraband transition, which leads to a dark region in time scale of the OSC image. In the experiment, the reflectivity of shock wave front was measured to be about 50% at shock wave velocity 32 km/s and was compared to the theoretical calculations with the Drude free electron model. From the experimental data, it is found that the blank effect can be avoided at radiation temperature of 170 eV if the Al layer is thicker than 60 μm.     

落叶松受雅氏落叶松尺蠖危害程度光谱检测

近年来蒙古国雅氏落叶松尺蠖灾害不断加剧，逐渐逼近大兴安岭地区，将威胁我国北方森林生态系统安全。以现代遥感监测方法替代传统检测方法，及早掌握该虫害发生发展规律对防控有重要意义。为快速、大范围遥感监测雅氏落叶松尺蠖灾害，利用光谱分析技术研究了该害虫危害下落叶松受害程度检测模型。通过实测健康和轻度、中度、重度受害落叶松光谱，计算与比较不同受害程度落叶松原始光谱和去除包络线光谱的敏感度，揭示光谱敏感波段及去除包络线光谱敏感性。然后对去除包络线光谱进行一阶导数变换获得光谱特征参数并分析其随受害程度的变化特征，构建基于CART(分类与回归树)算法的落叶松受害程度光谱检测模型。研究表明：去除包络线光谱敏感性比原始光谱更显著，尤其在480～520 nm(蓝边)、640～720 nm(红谷、红边)、1 416～1 500 nm(短波红外谷)等波段内光谱敏感度介于0.1～2.0，而且出现了敏感峰现象。随受害程度增加，去除包络线光谱敏感性增强趋势比原始光谱更明显；在蓝边波段上去除包络线光谱敏感峰位置向短波方向移动，即502 nm→490 nm，而在红谷及红边、短波红外谷等波段上光谱敏感峰位置向长波方向移动，即664 nm→672 nm和1 436 nm→1 448 nm；红谷位置和短波红外谷位置归一化反射率以及红谷和短波红外谷面积呈上升趋势。在蓝边与红边波段内去除包络线光谱一阶导数对受害程度有明显响应，出现了波峰现象。随害虫危害程度加剧红边位置蓝移(718 nm→700 nm)，红边斜率及面积和蓝边斜率及面积呈下降趋势。基于此，利用红边斜率、红谷位置和短波红外谷位置归一化反射率、红谷和短波红外谷面积、蓝边斜率及面积等去除包络线光谱特征参数构建的CART模型对落叶松受害程度有很好的检测能力。与多元线性回归模型相比，CART模型检测精度更高，其Kappa系数达0.875。研究结果对雅氏落叶松尺蠖灾害的防治有参考价值。     

一种用于UV-A、UV-B波段地基观测的光谱辐射计

研制了一台可以在250 nm~400 nm波段测量绝对光谱辐亮度和绝对光谱辐照度的扫描式光谱辐射计,辐亮度辐照度相对定标准确度2％,可用于UV-A、UV-B紫外波段地基观测.通过在云南丽江地区(26°52＇N,100°13＇E)开展的大气散射光谱辐亮度和地面太阳直射紫外光谱辐照度观测试验,进一步检验了仪器的性能.观测数据与利用MODTRAN模式模拟计算值存在约8％的偏差,分析了产生偏差的相关因素.