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.     

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.     

空中目标多波段红外辐射特性描述与仿真分析

针对空中目标在复杂背景下的探测需求,根据实际目标的运动特性,分析目标在飞行高度、飞行姿态角改变时的辐射特点,基于MODTRAN计算得到大气辐射和衰减数据,建立目标的三维模型、热辐射和反射模型,搭建空中目标的红外成像仿真系统.分析和仿真结果表明:在中波波段,目标尾焰的红外辐射比蒙皮强很多,在长波波段,蒙皮的红外辐射比较强,仿真图像的细节比较多,尾焰的红外辐射虽然有所减弱,红外成像效果依旧很好;相同探测条件下,由于位置越高大气越稀薄,探测器的可探测距离会变得比较远.目标红外辐射特性的分析和红外仿真系统的搭建对缩短红外探测器的研制周期和进一步确定探测器波段和系统分辨率等指标提供了参考依据.     

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。     

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。     

水雾强弥散条件下高温温场多光谱成像反演

高浓度水雾条件下的表面高温温场反演测量在航空航天、冶金铸造等工业领域有着重要的应用。由于水雾的弥散作用,高温表面的辐射透过水雾后,会出现强烈的衰减和散射,导致传统辐射测温方法出现很大误差。现有水雾弥散条件下的温场反演测量主要包括基于试验数据反推及实时测量水雾参数进行修正的测量方法,并基于辐射传输理论对测量结果进行误差分析和评估,测量方式多为单通道或双通道点辐射测温。基于水雾场红外光谱辐射特性的计算,提出了一种水雾强弥散条件下表面高温温场多光谱成像反演方法;根据辐射传输理论,考虑强弥散条件下的邻近效应,建立了相应的反演模型。在水雾场相关参数未知的情况下,通过三个透过水雾场后的高温目标长波红外光谱辐射图像,反演得到表面高温温场的真温分布。反演第一步是辐射温度场反演,即通过长波红外辐射图像,根据定标曲线和高温目标的光谱发射率先验数据,得到高温目标透过弥散水雾场经过发射率校正的辐射温度场;反演的第二步是根据三通道非线性反演模型,得到目标的真温温场分布。设计了一个长波红外三光谱通道反演测量装置,中心波长分别是8.8, 10.7和12.0 μm,对高温目标进行三个长波红外光谱通道的同时探测成像。设计了一套验证测试装置,利用标准高温黑体源和水雾弥散设备,进行了高温目标水雾弥散条件下的辐射图像采集和目标温度的反演试验。试验结果表明8～14 μm长波红外波段比短波波段对水雾弥散具有更强的抗干扰能力,在1 100和1 200 ℃典型温度点反演的平均误差在7%左右,大大减小了未经校正的辐射传输失真,适用于黑体和灰体高温目标,且无需水雾场的浓度和粒径分布等先验信息,基于多光谱成像信息的水雾弥散条件下温场反演方法具有一定的普适性和创新性。     

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。     

基于MODTRAN模型使用被动傅里叶变换红外光谱技术对生物气溶胶的探测研究

利用MODTRAN模型在水平低仰角探测模式下,对生物气溶胶探测的问题进行了分析讨论.用傅里叶变换红外(FTIR)光谱技术对生物气溶胶进行探测研究.首先介绍了MODTRAN模型的大气模式和廓线,根据FTIR光谱技术对生物气溶胶的被动探测要求,利用辐射传输理论和最简单的三层模型,仿真计算得到大气背景和目标生物气溶胶之间的辐射亮度差?L,然后对?L进一步差值得到信号?2Lt,同时再结合光谱仪自身的噪声等效辐射亮度值,得到实际情况下的信号值?2Lt;最后根据探测条件和MODTRAN提供的大气模式,使用被动遥测红外光谱方法预测每种大气模式下生物气溶胶的探测限浓度.每种大气模式下探测限浓度的不同,是因为边界层温度、透过率和背景辐射亮度的不同所导致,同时还与生物气溶胶的吸收系数有关.研究表明,FTIR光谱被动遥测技术能够探测到生物气溶胶的存在,进一步说明探测生物气溶胶的可行性,也为生物气溶胶实际探测提供了一种方法.     

高温二氧化碳气体红外辐射实验研究

主要介绍了依托高频等离子体风洞建立的高温气体辐射测量平台,并在此平台上开展了高温二氧化碳气体红外辐射实验测量。介绍了高频等离子体风洞的运行原理、流场特性及工作介质;介绍了实验测量的条件、装置、标定、数据处理方法和结果分析;通过自建的高温气体发射光谱测量平台实验测量了二氧化碳气体在1 500～3 000 K范围内4个温度点的红外发射光谱;介绍了Abel变换在测量二氧化碳气体红外辐射空间分布中的应用,通过Abel变换获得了高温下二氧化碳气体红外辐射的空间分布结果; 分析了高温二氧化碳气体在4.3 μm附近的红外辐射的强度及其中心波长随温度变化的分布,得到了发射峰中心波长随温度的升高向长波方向展开的结果,并与文献结果进行了对比分析。     

目标探测的信噪比分析

从黑体辐射理论出发，分析空间目标超光谱探测时的影响因素。计算太阳对目标的表面辐射,利用大气传输模型分析软件——MODTRAN分析计算在可见光到近红外范围的天空漫反射辐射，给出了成像光谱仪接收到的目标辐射能量和背景辐射能量的计算方法，同时考虑探测器得到噪声的种类,给出主要噪声源的计算方法,从而推导出光谱仪接收到的以电子数为基本单位的信噪比一般表达式。通过分析表达式中的各种因素对信噪比的影响，提出得到较高信噪比的可行方法,从而更清楚地分辨物体。     

舰船尾迹和海面红外仿真成像

舰船在军事领域有着极其重要的地位,其尾迹对海面的温度和高度都会造成相较明显的变化,且具有持续时间长、不易消除等特点,所以模拟舰船尾迹和海面红外辐射图像可以更为直观地识别舰船目标,具有强烈的军事需求。以MODTRAN软件模拟的不同背景环境下大气对8μm～14μm波段的透过率为数据基础,结合Cox-Munk坡度概率分布模型并考虑海浪遮挡因素建立了一种舰船尾迹红外辐射模型,模拟了不同背景环境、不同探测距离的红外尾迹图像。仿真结果表明：相同探测条件下,随着探测距离增大,舰船尾迹辐射亮度减小,但粗糙海面对红外辐射的遮挡作用显著减弱,海面舰船尾迹更易被识别;大气传输模型对红外成像结果影响较大,夏季背景辐射能量大且海面平均遮挡作用小,舰船尾迹红外成像更为清晰。     

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。     

太阳同步圆轨道空间相机瞬态外热流计算

为了使空间相机热设计、热分析、热试验具备准确、可靠的热边界条件,对太阳同步圆轨道空间相机的瞬态外热流进行了计算。总结了卫星空间定位的6个轨道根数之间的关系,给出了太阳同步圆轨道空间定位的必要参数。针对某给定太阳同步圆轨道,采用STK软件进行了轨道面与太阳光矢量相对位置关系（β角）的计算,确定了该轨道的高、低温工况位置。归纳了空间外热流的理论计算方法,以外接于卫星平台的空间相机为例,建立了外热流计算模型,采用IDEAS/TMG模块对给定太阳同步圆轨道的高、低温工况轨道周期内瞬态外热流变化进行了分析计算,得出了太阳辐射热流、地球太阳反照热流、地球红外辐射热流在轨道周期内的详细变化曲线,得到的结果可以作为空间相机热设计、热分析及地面热试验外热流模拟的输入条件。     

坦克炮身管温度分布及红外辐射特性

对具有太阳辐射及受射击过程影响的坦克炮身管建立了温度及其红外辐射特性理论模型，并对以下三种情况进行了计算：坦克炮身管在太阳辐射一段时间后单发射击、太阳照射一段时间后多发慢速射击及太阳照射一段时间后多发射击。本文还分析讨论了各种情况下坦克炮身管外表面温度的变化规律及其对红外辐射特性的影响，对坦克整体红外辐射特性的研究具有重要意义。     

Infrared imaging characteristics of space-based targets based on bidirectional reflection distribution function

A modeling method of infrared imaging characteristics of a space-based target was presented. Background radiation environment of a space-based target was analyzed and the background radiation mainly consists of direct radiation of the sun, thermal radiation and reflected radiation of the earth. The target surface was divided into regions based on geometrical shape and surface material characteristics and a surface equation of each region was built based on its body coordinate system. Each region was divided into meshes supposing that each mesh is a micro-plane. A bidirectional reflection distribution function (BRDF) model considering the characteristics of surface Gauss statistics and self-shadow was introduced to describe reflected infrared of each mesh of the target surface. The emitted infrared radiation of each mesh of the target surface was described according to its thermal equilibrium temperature. Then a mathematical model on infrared radiation imaging characteristics of the space-based target was built in terms of the given infrared detector. The relative positions of the space-based target, the background radiation sources and the detector are determined by orbital parameters based on coordinate conversion. Visual surfaces of the target to observation system were determined by vector coordinate method. Simulation of optical imaging characteristics of the target in orbit was achieved according to its given geometrical dimensions and physical parameters. The results show the method is feasible and robust for infrared characteristics of the space-based target when single reflection is considered and its surface is regular and can be described in a surface equation. It can provide a facility to real-time analysis of infrared imaging characteristics of the space-based targets.     

空间目标红外辐射理论计算

建立了空间目标的热平衡方程,利用节点网络法求解其表面温度场分布;然后利用普朗克公式计算了空间目标的红外辐射强度;最后对大气层外某空间目标的表面温度场分布和红外辐射强度分布进行了数值计算。     

基于高次余弦散射分布的空间卫星可见光特性

基于几何光学和辐射理论,研究了空间卫星的可见光散射特性.空间卫星的背景辐射主要包括太阳的直接辐射和地球及大气的散射辐射,根据目标的结构特性与背景特性建立了空间卫星的几何模型和光照模型.分析目标表面状况,入射到目标表面的光线近似服从高次余弦散射分布,根据能量守恒定理及表面材料的高次余弦散射分布特性建立了目标散射特性的数学模型.通过矢量坐标变换确定太阳、地球、观测卫星在目标本体坐标系下的相对位置关系.根据给定的几何尺寸和表面物性参量仿真获得了目标在探测器入瞳处的能量分布及星等特征,目标本体与太阳帆板在探测器入瞳处的辐照度最大量级均为10-12 W/m2.仿真结果表明太阳帆板在目标特性分析时不可忽略,为空间目标的可见光探测提供参考数据.