燃烧喷焰的红外辐射特性分析

在探测燃烧形成的火焰目标时,由于不同红外波段辐射特性不同,不同波段下成像效果差异明显。以喷枪火焰为研究对象,用仿真与实验相结合分析了其在近红外(0.9～1.7 μm)、中红外(3.8～4.7 μm)、远红外(7.5～13 μm)三个波段下的红外辐射特性。从气体辐射理论出发,根据辐射传输方程对喷焰在0.9～1.7 μm、3.8～4.7 μm、7.5～13 μm三个波段下的红外辐射特性进行了计算和比较。通过辐射成像实验,对响应波段的辐射图像信息进行了采集,并与仿真计算结果进行了比对分析。结果表明:在640×512分辨率下火焰的中波红外成像目标像素约10 000个,包含了最多的信息量,其红外辐射强度最大,长波红外有效目标像素约7 000个,但其红外辐射分布最广且受环境影响最小,近红外成像像素约3 400个。为各类动力目标的探测和识别以及图像的融合、信息增强等提供了依据。     

一种新型红外/紫外双色诱饵剂的光谱辐射特性研究

传统MTV型红外诱饵(以镁粉、聚四氟乙烯、氟橡胶为基本组分)的优点是其红外辐射总能量很高,可有效对抗传统热源寻的导引头。依靠燃烧高温产生光谱辐射的MTV诱饵,紫外波段和近红外波段辐射强度很高,红外中波段的辐射强度相对较低,而真实战斗机的紫外波段辐射强度较低,且其红外中近比一般大于1,因此,传统的MTV型诱饵无法对抗红外/紫外双色复合制导系统。根据光谱匹配原理设计制备了一种新型红外/紫外双色诱饵剂,基本组分为45%~75%的氧化剂(A₁/A₂)、10%~25%的燃料(B₁/B₂/B₃)、25%~50%的含能粘合剂(C₁/C₂/C₃)以及添加剂(D),使用CEA软件对药剂配方的燃烧产物进行了理论计算,通过计算结果初步确定诱饵剂配方中各个组分的含量;采用SR5000光谱辐射计、Tensor37遥感红外光谱仪测试其红外光谱辐射特性,并分别从测试原理和计算方法、测试环境的差异性以及测试结果的稳定性等方面分析了两种仪器测试获得的结果存在差异性的可能原因;采用S2000光纤光谱仪测试其紫外光谱辐射特性,测试结果与通过理论计算获得的战斗机紫外辐射强度较为吻合;采用Imager IR8325中波红外热像仪测试其燃温特性,结果表明该双色诱饵剂与真实目标具有较为接近的温度特征。实验结果表明,该诱饵剂的红外中近比为1<I_{3～5 μm}∶I_{1～3 μm}<3,3~5 μm红外辐射强度在0.9~2.5 kW·sr-1范围内可调,0.3~0.5 μm波段紫外辐射强度约为(20±5)W·sr-1,火焰温度在850~1 100 ℃之间,是一种性能优良的双色诱饵剂。     

红外双色诱饵剂性能测试研究

为了对抗目前广泛应用的红外双色(1～3和3～5 μm)制导系统,设计制备了一种能够模拟真实目标红外双波段辐射特性的新型红外双色诱饵剂,采用Imager IR8325中波红外热像仪测试其燃烧过程中的温度变化情况以及特定时刻的火焰温度分布;采用SR5000光谱辐射计、Tensor37遥感红外光谱仪测试红外双色诱饵剂静态光谱辐射特性,获得了其频域和时域特性,分析了双色诱饵剂辐射强度和红外中近颜色比的影响因素;同时为了研究高速飞行状态下双色诱饵剂的辐射强度和颜色比变化规律,采用直路式等速负压气溶胶风洞进行了诱饵剂动态辐射强度测试,解释了红外双色诱饵剂辐射特性在高速气流影响下与传统诱饵剂不同的衰减机理。实验结果表明,该双色诱饵剂火焰温度在850~1 100 ℃之间,与真实目标具有较为接近的温度特征,该诱饵剂的红外中近比为1<I_{3～5 μm}∶I_{1～3 μm}<3,3~5 μm红外辐射强度为(1.1±0.1) kW·sr-1,与真实目标具有较为接近的红外光谱辐射特征,是一种性能优良的双色诱饵剂。     

红外诱饵的辐射特性及在光电对抗系统中的作用

介绍了红外诱饵的辐射特性及在光电对抗系统中的作用，给出两类诱饵的光谱辐射特性曲线、光谱辐射数据表、红外热辐射特征、时域变化特性曲线等，指出诱饵弹的发展趋势。     

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。     

基于光谱分析的油料池火内部传热特性研究

油料池火焰内部分为不同燃烧区域,目前对油池火内部传热特性研究较少。针对油池火内部传热特性研究不足的现状,构建了红外火焰光谱测试系统,研究分析了92#汽油、95#汽油及润滑油池火焰红外光谱特性,对油池火焰不同燃烧区域的光谱信息进行了提取分析,结果表明：三种油料池火焰光谱特征相似,存在多个CO₂,H₂O及炭黑颗粒等燃烧产物的特征发射波段,3.4 μm处C—H伸缩振动峰明显;火焰烟气区主要光谱特征为4～4.5 μm波段范围内高温CO₂发射峰,该区域火焰与空气换热剧烈,温度变化不稳定,火焰脉动频率较高;火焰间歇区的光谱特征是4～4.5 μm波段范围内高温CO₂发射峰,与烟气区相比,火焰间歇区脉动频率相对较低;与烟气区及间歇区相比,火焰连续区燃烧较为稳定,该区域的光谱特征明显,在2.5～3 μm波段范围内炭黑粒子发射光谱强度较高,且在3.4 μm处存在C—H伸缩振动峰,表明油料池火焰光谱3.4 μm处的特征峰由高温油蒸汽产生。油池火焰不同燃烧区域光谱特征分析表明,油池火焰液态油表面的“富燃料层”吸收火焰传热,引起3.4 μm附近油蒸汽分子能级的改变。油池火焰不同燃烧区域发射光谱强度计算表明,火焰连续区的强度最大,其次为间歇区,火焰烟气区与空气对流强烈,测得的发射光谱强度最低。研究结果为火焰—油料传热模型的修正提供了参考。     

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.      

燃烧型发烟剂红外光谱特性专家系统的研究

为了实现燃烧型抗红外发烟剂配方的快速筛选,文章在基于最小自由能法的烟火药燃烧产物预测模型的基础上,设计了燃烧产物推理机,建立了燃烧型发烟剂光谱特性专家系统,研究了利用专家系统进行发烟剂配方快速筛选的可行性。在用户输入发烟剂配方后,专家系统能够计算出发烟剂的燃烧产物及其含量,然后利用红外加谱技术,对各产物红外谱图进行加合,模拟出烟幕的红外谱图,进而利用面积积分法,预测出烟幕在3～5 μm和8～14 μm的遮蔽指数。文章使用FTIR光谱仪对一种HC型发烟剂进行了测试,结果表明,专家系统的计算产物与实际产物相吻合,遮蔽指数预测值与发烟剂的实际测试表现一致,为燃烧型发烟剂配方的快速筛选提供了一种新方法。     

相变蓄热蜂窝体传热行为数值模拟研究

高温空气燃烧技术通过回收烟气余热降低燃料消耗而得到了广泛应用,换向时间对燃烧特性有重要影响,并与蓄热体结构和材料种类有关。本文建立了含金属类相变蓄热复合蜂窝体蓄/放热模型,考虑材料热物性随温度变化和热辐射,对蜂窝体的蓄/放热过程进行数值模拟,研究了相变材料和换向时间对空气预热温度、能量回收率的影响。计算结果表明,换向时间为120s时,含相变材料的蜂窝体比普通蜂窝体的空气预热温度高39.52 K;从放热开始到结束,含相变材料的蜂窝体的空气预热温度下降幅度约为普通蜂窝体的1/2;使用含相变材料的蜂窝体将换向时间从60 s有效延长至120 s时,空气预热温度高于换向时间未延长的普通蜂窝体,并且保持较高的能量回收率。     

红外光谱辐射亮度测量中温度均匀性和源尺寸效应的研究

在已有的紫外、可见和近红外波段的光谱辐射亮度国家基准的基础上,将光谱辐射亮度的测量范围向红外波段扩展,建立2 μm～14 μm红外光谱辐射亮度计量基准装置,可为遥感对地观测、气候变化、目标识别、材料发射率测量等领域的红外光谱辐射定标提供技术支撑。针对红外光谱辐射亮度测量中的温度均匀性和源尺寸效应进行研究,通过定制光阑或限制所用腔口位置实现了温度均匀性的提升;采用光学仿真、增加光阑和简化光路等方法进行了系统源尺寸效应的分析和抑制,有效地降低了源尺寸效应的不确定度。下一步将对系统的非线性效应等参数进行研究,并对整套系统的不确定度进行评估。     

轻小型双光谱红外成像探测系统研究与分析

结合谐衍射光学元件特殊的消热差以及对波面进行任意整形的特点,针对现代最先进的像元尺寸为30 μm、像元数320×240的红外双色探测器,提出了一种轻小型双光谱超宽温度红外探测成像系统方案,利用折射/谐衍射结构实现了超宽温范围内的被动式消热差红外成像探测,仅用三片镜子的单结构就可实现系统在3.8～4.2和8.8～11.2 μm双光谱处在-120 ℃～200 ℃温度范围内同时探测。系统仅使用锗和硒化锌两种材料,引入了一个非球面和一个谐衍射面, 实现了消热差、消色差和结构简单轻量化,设计结果表明,该系统在-120～200 ℃温度范围内, 3.8～4.2和8.8～11.2 μm光谱处的最大均方根半径值分别为19.07和17.75 μm,小于红外探测器的像元尺寸30 μm,在红外探测器两个像元内,3.8～4.2和8.8～11.2 μm光谱处的能量集中度分别优于88.7%和82.4%,成像质量良好,方案工程实现性好,设计方法和设计结果合理可行。     

外大气层空间红外烟幕运动特性和遮蔽特性

 分析了外大气层空间烟幕微粒的运动特性、烟幕发生器的施放方式及红外烟幕的遮蔽效果,论证了红外烟幕应用于外大气层空间的可行性。以粒径1～10 μm的超微粉天然鳞片石墨为例,计算分析了红外烟幕在外大气层空间应用中的运动特性、有效遮蔽时间和范围。在烟幕施放过程中,施放时赋予烟幕微粒相对于飞行器的初速度直接影响了烟幕的扩散速度,从而影响了烟幕的滞留时间。通过控制烟幕发生器的施放速度,使用较小体积和质量的烟幕剂,可在约10 min内实现对外大气层空间目标的遮蔽需求。     

硅微机械悬臂梁红外辐射热探测技术的研究

研究了利用镀膜硅微机械悬臂梁红外辐射热挠曲实现红外辐射探测的技术,建立了镀膜双层硅微悬臂梁红外辐射热挠曲的理论模型.并利用镀有二氧化硅膜层的硅微悬臂梁,在硅微悬臂梁根部制作热挠曲检测压敏电阻,用实验方法测试了硅微悬臂梁对红外辐射的响应规律,结果表明该镀膜硅微悬臂梁对顶端辐射激励的1.5 μm红外光的响应灵敏度可达 2.39 μV/mW.用计算机优化方法得到了硅微机械悬臂梁的最佳镀膜厚度比的规律,为进一步提高硅微悬臂梁红外探测的灵敏度提供了设计依据.     

双向反射率测量中锁相放大器的设计

均匀材料表面除镜反射方向的其他散射方向光辐射强度都较微弱.采用信号参量估计中行的最大似然估计,应用相关检测技术,利用被测信号与背景噪声不相关特性,设计了适于微弱光电信号检测的装置--锁相放大器.对金刚砂反射天顶角-55°～55°范围测量的实验结果与双向反射率(BRDF)模型比较显示,在可见光0.632 8 μm波段,误差为3.43%;近红外1.34 μm波段,误差只有0.01%.该锁相放大器适用于材料表面双向反射率的测量.     

动态红外三角形目标及干扰模拟技术研究

针对圆型目标模拟器模拟来袭飞机或导弹等红外三角形目标逼真模拟问题,研究了动态红外三角形模拟技术。采用等腰三角形的几何原理,提出一种新型大小和方向连续可变而质心不变的等腰三角形光阑设计方法,实现了0~3大小、0~360方向动态可调的三角形目标;采用红外宽光谱偏振器组合技术,实现了目标源或干扰源的辐射强度0~100%的连续变化;采用二维平移台及可变圆形光阑,实现了干扰的大小变化及其轨迹变化;研究了基于Windows操作系统的实时控制技术,设计了包括MFC和RTSS双进程的主控软件,实现了控制指令500 s的实时响应。试验结果表明,带有干扰源的动态红外三角形模拟器能逼真模拟来袭飞机或导弹及释放诱饵的红外辐射特性变化过程。     

地球大气系统对红外目标探测影响的分析

利用SBDART软件包计算了不同地球大气系统下2．5～5μm波段范围内的大气透过率和地球大气背景红外辐射光谱。计算目标与地球大气背景之间的信噪比,并据此分析了地球大气系统对红外目标探测的影响。结果表明：当目标位于卷云之上时,在2．5～3μm波段与4～4．5μm波段信噪比较大,信噪比随着目标高度的升高而增大,易于探测;当目标处于卷云以下时,卷云对红外信号有较强的吸收作用,光学厚度对信噪比影响较大,粒子尺度对信噪比影响不大,卷云厚度越大,信噪比越小。     

纳秒激光诱导空气等离子体的红外辐射特性研究

纳秒激光诱导空气等离子体存在从紫外、可见、近红外乃至射频微波的宽谱段辐射,但目前的研究大多关注紫外到可见波段的光谱辐射。激光等离子体作为一种新型的红外辐射源具有很多优势,相比于红外干扰弹以及红外干扰手段而言,空气等离子体红外辐射源可以灵活布置,成本低廉,因此研究空气等离子体的红外辐射特性就很有必要。针对目前脉冲激光诱导空气等离子体的红外干扰研究需要,对激光波长为532 nm的纳秒脉冲激光诱导空气等离子体的红外辐射特性进行实验研究,探讨激光能量对空气等离子体红外辐射强度的影响规律,以及空气等离子体红外辐射的角度分布特性,分析了等离子体红外辐射的可能产生机制。实验结果表明,激光诱导空气等离子体在950～1 700 nm范围内的红外光谱为线状谱和连续谱的叠加。其中线状谱主要是氮和氧的中性原子谱线,并且氮原子红外辐射占主导。随着激光能量的增加,由于空气击穿产生的氧和氮原子数量增加,导致空气等离子体红外辐射的谱线强度逐渐增大。随着红外探测角度的变化,在探测角度为75°时,OⅠ 1 128.63 nm和NⅠ1 246.96和1 362.42 nm谱线强度达到最大,在探测角度为120°时,NⅠ 1 011.46和1 053.96 nm谱线强度达到最大,这是因为空气等离子体红外辐射强度随探测角度变化呈现空间非对称性,表明空气等离子体内不同粒子的空间分布呈现非对称性。