基于1.5 μm多普勒激光雷达的飞机尾涡探测技术研究

为规避尾涡威胁,保障飞行安全,研究了飞机尾涡的激光探测技术.介绍了尾涡探测基本原理,给出了激光探测方式设计和探测系统参量选择.基于设计的尾涡激光探测方案,研究了飞机尾涡回波多普勒谱与机型参量、飞行参量以及环境参量间的关系,获得了尾涡的径向速度分布规律,建立了尾涡回波多普勒谱模型,选取最佳尾涡参量估计算法用于尾涡的全面表征|通过开展A340的尾涡探测外场实验验证了激光探测尾涡的可行性和尾涡参量估计算法的有效性.研究表明,尾涡回波多普勒谱值与径向速度的三次方成反比,与涡流环量的二次方成正比.     

基于激光雷达回波的飞机尾涡参量提取

为了实现对飞机尾涡的有效监测,解决机场飞行安全与跑道容量受限的问题,提出了一种基于激光雷达回波的飞机尾涡参量提取算法.从尾涡的物理模型出发研究飞机尾涡的涡旋环量、径向速度分布等参量,对尾涡结构进行描述.依据尾涡参量的性质,给出了参量提取算法的设计流程,即对回波信号进行分解除噪等处理;通过选取门限确定正负速度包络,进而得到径向速度分布;利用径向速度分布反演得到涡核半径、涡核位置及涡旋环量等尾涡参量.最后以某型飞机的激光雷达探测实验数据为例进行了实例计算并与模型仿真结果进行对比,验证了该算法的有效性.     

基于相干多普勒激光雷达的飞机尾涡观测

相干多普勒激光雷达(Coherent Doppler Lidar, CDL)凭借高精度、高时空分辨率等优势已成为晴空尾涡探测的主要手段。为了提高飞机尾涡观测效率并实现数据的快速处理和实时显示,基于2018年在四川开展的尾涡观测实验,提出了一种基于CDL频谱宽度和径向风速的尾涡快速识别方法,并基于此方法分析了典型机型的尾涡演化过程。结果表明,不同机型的尾涡演化趋势相似,均在距地面约50 m处产生并向下、向外扩散,尾涡环量逐渐减小,但由于近地面效应的影响,会伴有短时间环量增加现象。随着飞机重量和翼展的减小,尾涡的耗散时间缩短,左右涡初始涡核的间距减小,频谱宽度融合现象更明显,该现象消失所历经的时间增加。     

基于微多普勒效应的旋翼弦长激光探测方法研究

为实现基于微多普勒效应的旋翼目标激光探测与识别,研究了面目标旋翼对激光回波的调制作用.利用物理光学法中面元散射回波叠加原理,构建了矩形面旋翼的微多普勒激光回波模型.通过仿真,利用时频分析方法提取了异于线目标模型的微多普勒特征.机理分析证实该特征反映弦长即旋翼横向尺寸信息,据此提出了相干探测激光回波的矩形旋翼弦长计算方法.不同展弦比旋翼的回波仿真结果与理论公式吻合较好,验证了该方法的有效性.误差分析表明,与进行单一窗长条件下的短时傅里叶变换相比,利用改变窗长的方法分别提取时间、频率信息可有效减小弦长计算误差至1.58%.该模型可实现对旋翼飞行器弦长尺寸的计算,为进一步的旋翼形状探测识别提供了依据.     

前缘弯掠子午加速叶轮尾缘脱落涡的研究

本文采用DPIV实验研究方法,在不同转速工况下,对开式前缘弯掠子午加速风扇转子叶尖涡在叶轮尾缘的脱落流动现象进行了测量.结果表明:在不同转速下,转子尾缘处均存在明显的叶尖涡流动现象.该叶尖脱落涡流动现象具有相似性,随着转速的增大,叶尖涡区和吸力面之间的径向速度差增大,叶尖涡强度随转速增加而增强.随着转速的增大,叶尖涡和主流相互作用加剧,涡量负值增大,叶尖涡影响区域也逐渐扩大.径向速度梯度同样随转速增大而增大的结果,增强了叶尖涡对尾迹区作用的影响.最后,本文通过CFD对该开式风扇叶尖涡流动现象进行模拟,其结果给出了相似的叶尖涡在转子尾缘脱落流动现象,为前缘弯掠开式子午加速风扇在户室中央空调室外机上的应用和风机系统的优化设计及其降噪研究提供了重要的内流数据.     

激光目标探测装置的回波特性及目标识别技术研究

提出了一种基于目标面元三维坐标和脉冲飞行时间的激光目标探测装置的回波脉冲功率描述方法,理论推导了激光目标探测装置的探测目标和气旋粒子的面元散射光功率和回波总功率的计算公式,并给出了回波信号的仿真计算脉冲波形.同时根据目标和气旋粒子回波脉冲的幅度 脉宽信息,提出了识别目标与干扰脉冲波形的新方法.     

紫外域多纵模高光谱分辨率激光雷达探测气溶胶的技术实现和系统仿真

多纵模高光谱分辨率激光雷达是一种新型的高光谱分辨率激光雷达.本文在研究典型高功率Nd:YAG脉冲激光器的多纵模模式及其在大气中传输的气溶胶米散射和瑞利散射光谱的基础上,设计紫外域多纵模高光谱分辨率激光雷达系统,采用窄带干涉滤光片滤除太阳背景光的影响,设计可调谐马赫-曾德尔干涉仪,分离提取多纵模激光回波中的气溶胶米散射和瑞利散射光谱,并利用马赫-曾德尔干涉仪双通道输出的互补性原理,精确反演气溶胶光学参量.系统仿真结果表明,所设计的紫外域多纵模高光谱分辨率激光雷达能够实现10 km高度内的气溶胶光学参量精细探测.     

飞机尾焰红外图像采集与分析

介绍了超音速机载红外测量吊舱系统(以下简称红外测量吊舱)中红外探测器的选型,以及在测量目标机亚音速飞行时飞机尾喷口及飞机尾焰的电视和红外热图,并对跟踪空中飞行目标所采集到的红外尾焰热图作了细致的分析和计算,从而为空中目标的红外特性检测分析、研究提供了有效的数据积累.     

锥柱复合目标激光距离多普勒像分析模型

激光距离多普勒成像技术在航天和国防应用领域受到极大的关注.文章建立了锥柱复合目标的激光距离多普勒像分析模型,包括底面的贡献.该模型能分析锥柱复合目标的几何参量、表面粗糙度、姿态、角速度和脉冲宽度等因素对激光距离多普勒像的影响,并能退化到圆柱和圆锥的激光距离多普勒像分析模型,也能退化到平面波下的多普勒谱分析模型.分析了几何参量和姿态对距离多普勒像的影响.计算结果表明,锥柱复合目标距离多普勒像能体现出目标的几何形状和姿态信息.理论和测量相结合,该分析模型能用来进行圆柱、圆锥及锥柱复合目标物理和几何参量的识别,其解析表达式对于多普勒速度计和激光雷达应用有着重要的意义.     

颗粒增强湍流的新模型和气粒流动的湍流变动

用雷诺应力方程模型和极细的网格系对单个颗粒受湍流气体绕流进行了数值模拟,研究了改变颗粒直径和气体相对速度时颗粒增强气体湍流的规律.据此构造了颗粒尾涡增强气体湍流的新模型.将此子模型加入到两相流动模型中,对竖直和水平通道内气粒两相流动进行了数值模拟,和实验结果的对照表明,考虑颗粒尾涡增强气体湍流效应得到的气体湍流脉动速度的模拟结果比不考虑此效应的模拟结果好得多.     

油膜覆盖的非线性海面电磁散射多普勒谱特性研究

当海面上方漂浮油膜时,海面的毛细波成分将因油膜的阻尼作用而被破坏.本文采用PM谱,基于Marangoni阻尼效应,建立油膜覆盖的一维Creamer非线性海面模型,并简单分析了油膜的阻尼作用对海面轮廓的影响.在此基础上,利用迭代物理光学方法研究了L波段下该模型的后向散射回波的多普勒谱特性,通过与基于线性模型的海面散射回波多普勒谱对比发现,在大中入射角下,非线性海面散射回波与线性海面多普勒谱的差异不可忽略,说明采用Creamer非线性理论建立海面几何模型的必要性.研究发现,油膜覆盖海面的散射回波的多普勒频移及展宽与干净海面雷达回波的多普勒特性具有明显差异,这表明海面上漂浮的油膜对雷达散射回波的多普勒特性具有显著的影响.数值结果重点分析了入射角、油膜参数以及风速对油膜覆盖海面散射回波多普勒谱展宽和频移的影响规律.     

条纹管激光雷达回波噪声特性研究

波形采样机载激光雷达具备多层目标探测及高精度三维测绘能力,是今后激光雷达技术的发展趋势。基于条纹原理的阵列探测体制激光成像雷达由于具备全波形回波数据采样能力及高集成度等特点,在激光测绘及探测中具有广阔的应用前景。介绍了一种基于条纹原理的全波形采样面阵探测体制的新型激光雷达系统,提取了新型激光雷达机载飞行实验回波信号中的噪声,获得了新型激光雷达回波噪声统计规律,通过与目标总体回波信号统计特性的对比,提出了新型波形采样激光雷达回波信号去噪方法。     

轴流压气机时尖泄漏涡的时均流动

用三维激光多普勒测速系统测量研究低速大尺寸单级压气机设计状态转子内尖区流场．结果表明，泄漏流在气流一进入转子叶片通道就开始发生，发生于前半弦长，其诱导形成的泄漏涡约在30％弦长处达到最强，随后逐渐衰减，其涡核顺下游慢慢向压力面方向和低时高方向移动，涡核在转子出口移至通道中部．泄漏涡影响区域沿流向逐渐扩大，并向压力面方向和低叶高方向移动．设计状态叶尖泄漏涡在转子尖区流动中起主要作用，是造成尖部流动阻塞的主要因素．     

火箭尾焰对高频回波的影响及其频域能量凝聚检测方法

针对火箭尾焰喷射出的大量物质消耗大气中电子密度以及干扰高频电磁波传播的问题,本文从分析火箭尾焰高频雷达回波特性入手,重点研究了尾焰电磁特性和对高频电磁波衰减的物理机理,分析了尾焰雷达散射特性与尾焰高频回波产生的时机.在此基础上,提出了一种尾焰回波频域能量凝聚的目标检测方法.通过仿真实验和理论分析,得到了火箭尾焰高频电磁回波与海拔高度、尾焰电磁特性、电波频率、入射角之间的关系,所提检测方法能够及时有效检测火箭目标,并降低虚警和漏警概率.     

脉冲宽度对云雾回波的影响研究

云雾后向散射会产生引发激光引信虚警的回波信号.基于蒙特卡罗法,对云雾散射回波进行了模拟仿真,并定量给出了云雾散射回波的波形、波峰位置、脉宽和峰值功率随发射脉冲宽度的变化规律.研究结果表明,回波峰值功率随着发射脉宽的增大而增大,且当发射脉宽增大到50ns后趋于饱和,峰值功率将不随脉冲宽度的变化而变化;脉冲展宽的程度随发射脉宽的增大而减弱;发射脉宽对云雾散射回波波峰位置的影响较小.给出的回波信号模拟仿真结果可以为窄脉冲激光引信的目标识别以及探测阈值和脉冲宽度等参量的优化设计提供依据.     

隐身飞机尾焰的红外辐射特性

隐身飞机尾焰的红外辐射是隐身飞机探测的主要辐射源.本文提出了一种新的隐身飞机尾焰红外辐射特性计算模型.该模型以普通飞机尾焰红外辐射特性计算模型为基础,进而考虑红外隐身措施的影响,间接实现隐身飞机尾焰的红外辐射特性的计算.计算模型分别考虑了隐身飞机的二元喷口、引射技术、红外遮蔽云以及遮挡对尾焰辐射的影响.计算结果得出,添...     

高光谱分辨率激光雷达鉴频器的设计与分析

提出了利用Fabry-Perot干涉仪的反射场实现高光谱分辨率激光雷达精细探测大气光学参量的新方法和思路.设计了高光谱分辨率的分光系统,并分析了干涉仪反射场的光谱透过特征曲线.结合高光谱激光雷达探测信号特征,讨论分析了谱分离比和瑞利信号透过率随反射率和腔长的变化曲线,同时结合误差传递公式,建立了仿真分析模型,讨论了回波光束发散角和入射角变化对激光雷达探测结果的影响.结果表明,所提出的Fabry-Perot干涉仪反射场可以实现高光谱分辨率激光雷达探测系统的精细分光,同时探测结果误差随回波光束发散角变化不敏感,控制发散角在10 mrad以内,入射角在1.5 mrad以内时,可以实现气溶胶光学参数廓线的高精度探测.     

激光多普勒测速仪中散射光特性的研究

后向散射光特性与多普勒信号的质量密切相关。为了设计高性能的激光多普勒测速仪,运用散斑理论详细分析了激光多普勒信号的强度与散射光斑大小的关系,结合泛函理论给出了计算多普勒电流的散斑表达式,并通过实验的方法研究了回波信号的偏振特性及其强度分布。理论分析与实验结果表明,激光多普勒信号的强度与接收器件光敏面的直径成正比,与光斑的直径成反比;选用光斑较小的圆偏振激光束,并用光敏面尺寸较小的探测器在镜面反射方向上接收信号光,可以大大提高多普勒信号的信噪比,增强系统的探测能力,为提高系统的测量精度创造有利的条件。     

脉冲宽度对云雾回波的影响研究

云雾后向散射会产生引发激光引信虚警的回波信号,基于蒙特卡罗法,对云雾散射回波进行了模拟仿真,并定量给出了云雾散射回波的波形、波峰位置、脉宽和峰值功率随发射脉冲宽度的变化规律.研究结果表明,回波峰值功率随着发射脉宽的增大而增大.且当发射脉宽增大到50ns后趋于饱和,峰值功率将不随脉冲宽度的变化而变化:脉冲展宽的程度随发射脉宽的增大而减弱;发射脉宽对云雾散射回波波峰位置的影响较小.给出的回渡信号模拟仿真结果可以为窄脉冲激光引信的目标识别以及探测阈值和脉冲宽度等参量的优化设计提供依据.     

激光准直铬原子束研究

利用多普勒原理对Cr原子束进行横向准直.为了得到好的激光准直效果必须首先把激光的中心频率稳定在偏离Cr原子共振中心频率－5±0.26 MHz的位置上.经过多次的理论与实验得出了优化的实验参量,并且得出如果探测光束与准直光束不平行会造成横向线宽的展宽.根据实验数据选择合适的实验参量,实现利用多普勒原理横向准直Cr原子束,得到准直后Cr原子束的横向发散角为0.48 mrad, 横向温度为265 μK.