基于光学和红外特征模拟的植物仿生材料设计制备

植物自身的生理结构和蒸腾作用等生命特征,使其具有独特的光学和红外特征。在光学波段由于叶绿素和水分的共同作用,植物叶片在550,680,1 400和1 900nm等波长附近形成了明显的光谱反射特征变化;在红外波段由于植被蒸腾作用的驱动,使其具备主动调节自身温度的功能,红外特征异于人工材料;基于此提出了一种模拟植物光学和红外特征的仿生材料设计制备方法。在绿色植物光学和红外特性及其形成机理分析基础上,进行了植物仿生材料的组分设计和热传导过程分析,完成了材料传热控制方程建立和结构参数确定。利用水分吸附脱附材料、光学颜料等人工材料,确定了基于光学和红外特征模拟的植物仿生材料制备方法。以聚乙烯醇材料作为植物仿生材料的成型物质和水分吸脱附材料,以铬绿、大分子黄等光学颜料作为材料着色剂,采用化学铸膜方法制备了植物仿生材料薄膜,并进行了实际测试验证。吸脱附测试表明:一定厚度植物仿生材料样品吸附量可达1.3kg·m-2,可满足材料日蒸腾耗水量的要求;光学和红外模拟效果测试表明:植物仿生材料在光学波段(380~2 500nm),特别是1 400和1 900nm波长附近植物水吸收波段)内能够较好模拟植被的光谱反射特性,且具有与绿色植物相似的红外辐射日周期变化趋势,与绿色植物的日平均辐射温差为0.37℃,最大温差0.9℃,其仿生和蒸腾过程模拟效果明显。     

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。     

红外伪装涂料发射率的季节性要求

为了研究伪装涂料8～14 μm波段的平均发射率在不同季节的取值范围,结合太阳辐射,植被温度以及气温的一日变化,建立目标及单一植被背景在晴朗天气情况下不同季节的一日辐射温度变化模型.以合肥地区为例,分别以春分、夏至、秋分、冬至四个节气的日气候状况代表春夏秋冬四季的气候特征,采集该地区在四个节气近五年的日值气侯数据,对覆盖不同发射率伪装涂料的目标以及植被背景在四个节气中从6时到22时的辐射温度变化进行模拟.获得目标和植被背景的日辐射温度变化数据,计算不同覆盖发射率值的伪装涂层时的目标和背景的欧氏距离和伪装效率.利用欧氏距离和伪装效率对目标的伪装效果进行分析.当欧氏距离最小时目标与植被背景红外特征最接近,春夏秋冬欧氏距离最小时的发射率值依次为0.58、0.33、0.41、0.86;以参考目标与背景的辐射温度差控制在4K以内为实现隐身的标准,春夏秋冬伪装效率最高时的发射率值依次为0.6、0.3、0.4、0.9.     

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。     

红外线在夜视技术中的应用

 一、红外线及其物理特性红外线是一种电磁波,在电磁波谱中的位置是处于红外端,波长范围大致是0.76微米-1000微米。红外线与可见光、紫外线、Ｘ射线、γ射线及无线电波一起,构成了无限连续的电磁波。红外线除具有电磁波的一般性质外,还具有独特的性质。(1)红外辐射现象一切物体都会辐射红外线,物体的红外辐射与其本身的温度有着密切关系,物体的温度愈高,辐射电磁波的能量愈大。(2)红外线的热效应物体在辐射红外线的同时,还会吸收外界红外辐射的能量,当外界红外线辐射到物体上时,物体的温度就升高。(3)反射特性物体在不同波长红外线的照射下反射率各不相同。     

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。     

迎头方向隐身导弹红外辐射特性分析北大核心CSCD

隐身导弹应用红外隐身技术将降低导弹被红外探测系统的发现概率。通过以AGM-158C导弹为参考,对迎头观测方向目标的红外辐射特性,包括目标蒙皮、目标蒙皮反射周围背景和目标尾焰的红外辐射强度进行估算,并与典型亚音速导弹红外辐射特性的数据进行对比分析。分析结果表明:红外隐身技术可以明显降低导弹的中、长波红外辐射,尤其是中波波段的红外辐射;红外探测系统设计时尾焰探测通常选用中波红外探测器,弹体探测通常选用长波红外探测器;隐身导弹采用红外隐身技术将提高导弹的突防能力。     

光弹材料载荷过程中红外辐射特征机理的计算分析

基于材料的热力学关系和能量守恒定律,给出弹性体形变过程中红外辐射温度改变量和辐出度变化的物理计算方程.并结合有限元方法进行物理建模,对光弹材料三点弯载荷实验过程中的红外辐射出射度的分布进行数值计算和模拟.结果与实验结果吻合较好,表明模型及其相关理论是合理的,可以用来量化揭示实验中的红外辐射特征.从而得到一种能够利用计算机量化分析固体材料载荷过程中红外辐射特征机理的计算方法.     

海天目标三维实时红外场景仿真

提出了一种海天目标三维实时红外场景的仿真方法。首先建立了场景的3D物理模型,然后根据黑体辐射理论分别计算出背景与目标的红外辐射特性。考虑到气温对成像的影响,以及探测器分别对3～5μm与8～12μm波段的响应率,根据物体的表观温度对视场内的红外图像进行显示。最后将背景与目标进行融合得到最终的仿真场景。通过提出的方法对海面...     

一种靶机红外辐射特性增强技术研究

为了在外场试验中检验红外制导武器系统的工作性能,需要使用靶机红外增强装置实现对真实目标红外辐射特性的模拟。介绍了一种利用光学方法实现靶机红外辐射增强和目标辐射特性模拟的技术。使用高亮度红外光源作辐射源,通过对光学系统的控制,在实现红外辐射增强的同时,可模拟不同距离和方向的红外辐射强度特性。通过建模对所模拟目标的红外辐射强度及辐射方向特性进行了分析,并以此为设计依据设计了光学系统。实现了对最大红外辐射强度为1600W/sr的目标辐射方向特性的模拟。     

Establishment and experimental verification of infrared BRDF model in rough surface

Because of the thermal radiation from materials, the influence of spontaneous radiation on infrared-material—BRDF could not be neglected. In this paper, the spatial distribution characteristics of the material spontaneous radiation energy are analyzed. Then a full infrared BRDF semi-physical model in rough surface is developed by incorporating the characteristic parameters of the material spontaneous radiation into the five-parameter BRDF model. Finally, the model is verified using experimental data. Experimental results demonstrate that the proposed model error is less than 1%. The semi-physical model is more suitable for describing real physical process, and can be applied to analyze stray radiation of infrared optical system and target infrared characteristics.     

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。     

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.     

水雾红外隐身的冷/热目标效应

人工水雾对抗红外成像制导导弹时,会因为蒸发对流强、辐射热流弱而使水雾形成冷目标;也可能因为辐射热流过强、散热弱而形成热目标。为详细揭示该现象,以Mie理论为基础,通过辐射传递方程和能量守恒方程的耦合计算,建立了水雾红外隐身产生冷目标或热目标效应的数学模型。应用蒙特卡洛法与本文算法作对比,验证了模型的正确性;将水雾视为吸收、发射、各向异性散射介质,考虑水雾自身辐射、多重散射和各种换热过程,比如辐射热流、两相流的热传导、热对流、紊流热扩散以及雾滴蒸发等,反映了水雾热遮蔽所产生的冷/热目标效应。     

零视距地物长波红外特征场景仿真研究

为仿真地物长波红外场景图像,根据地表温度随时间变化的规律,并结合气象状况、背景材质、热特性参量、热状态等参数,在对太阳辐射、大气长波辐射、大气温度和地表热传导等影响地表温度变化的因素进行分析的基础上,建立了基于热平衡理论和热传导过程的方程。解算出多种常见地表一日之中的温度变化情况,并将其应用于由相同景物可见光纹理图像反演出的相应红外纹理图像中。在考虑景物表面自身发射、反射的辐射计算模型的前提下,生成了具有相似红外纹理细节的地表红外场景。结果表明,该方法可生成接近真实感的红外场景,有效地模拟仿真地物的长波红外特征。     

A real-time infrared radiation imaging simulation method of aircraft skin with aerodynamic heating effect

Real-time infrared radiation simulation technology can provide effective support for rapid design and evaluation of a system which integrates infrared imaging technology. Considering the aerodynamic heating effect, this paper presents a real-time infrared radiation characteristic simulation method of aircraft skin based on the panel element method, which can help to assess the infrared radiation impacts of different environment factors and materials. A 3-D model of an aircraft was established and its surface was divided into different parts and panel element meshes to attach material properties. For each mesh, its heat exchange equation is solved so as to obtain the whole skin’s temperature and infrared radiation distribution. The simulation results reveal the influence of different factors on the skin surface radiation, including environmental radiation, aerodynamic heating and material properties. And the credibility and efficiency of the proposed aerodynamic heating simulation method were confirmed by comparing to the CFD simulation results.     

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。     

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,添加隐身措施后尾焰辐射强度仅为添加前辐射强度的5.8%.针对隐身飞机尾焰红外辐射特性很难获取的问题,将计算结果与喷灯燃烧航空煤油的光谱峰位数据进行了比较,实验结果显示隐身前后辐射能量量级变化与国外文献相同,表明该模型可以用于隐身飞机尾焰红外辐射特性计算.