高超声速飞行器红外可探测性能研究

以高超声速乘波体为例,针对稀薄大气空间高超声速目标的红外可探测性能进行分析研究。采用工程算法计算了不同飞行条件下的飞行器驻点热流分布,由此得到其辐射平衡温度;采用小区间求和方法计算大气对红外辐射的传输衰减作用;考虑了目标与背景辐射强度差异、点目标成像的弥散现象对探测器作用距离的影响,建立了新的红外探测系统作用距离计算模型。仿真实验表明,弥散系数随着目标探测器间距离而变化;随着飞行器飞行速度的增加,系统对目标的探测距离增大,同时与长波波段相比,中短波波段时的探测距离更大。外场试验结果表明,与现有算法相比,本文方法具有较高精度。     

红外偏振成像对伪装目标的探测识别研究

针对目前普通光电成像系统对伪装目标的探测和识别概率较低的状况,提出伪装目标的探测识别新技术研究。介绍了红外偏振成像系统的原理、组成和特点,研制的中波/长波红外偏振成像装置,其波段范围为3 m ~5 m和8 m~12 m,线偏振度95%,消光比大于100∶1,给出了试验分析数据和偏振融合效果图。研究表明,采用红外偏振成像技术可以有效地实现对地面伪装目标的探测和识别。研究结果还可以扩展到对人工假目标、空中隐身目标等的探测和识别。     

红外隐身材料隐身效果评价方法研究

提出了评价红外隐身材料的隐身效果的红外隐身效率的概念。根据热成像系统的静态性能分析理论和视距估算理论,编制了估算红外隐身材料在不同观测等级下的隐身效率的计算软件,对某种红外隐身材料的隐身效率进行了计算分析,结果表明:采用隐身效率的评价结果与实际试验结果基本一致,隐身效率可以定量地描述隐身材料的隐身效果。     

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.     

飞艇红外探测系统探测高超声速目标性能研究

以X-51A为例,研究了飞艇红外探测系统对临近空间高超声速目标的探测性能。首先,根据飞行器的飞行状态和飞行高度建立了临近空间高超声速目标不同波段的红外辐射特性模型,以及随高度变化的目标背景红外辐射强度模型;其次,综合考虑飞行器与飞艇高度、地球曲率及红外辐射在大气中传播的波段选择性等因素,建立了红外辐射在临近空间大气中传播的透过率模型;在此基础上,建立了飞艇红外探测系统对高超声速目标的探测距离模型。通过仿真得到了临近空间高超声速目标在不同飞行状态下3个波段的红外辐射强度随目标飞行高度变化的曲线,以及飞艇红外探测系统对飞行器在不同飞行状态下3个红外辐射波段的探测能力。研究结果表明:飞艇红外探测系统对高超声速目标的有效探测距离可以达到百公里量级;当飞行器飞行状态一定时,随着飞行器飞行高度的增加,系统对目标的探测距离先增大后减小;与长波波段相比,中短波波段的探测距离更大,并给出了临近空间飞艇应尽量布置在海拔高度大于18 km的高空中的部署建议。     

低轨红外卫星对类HTV-2高超声速飞行器测能力研究

由于临近空间高超声速飞行器具有速度快、高度低、机动能力强的优点,故以陆/海基雷达、高轨红外卫星为主建立的预警探测体系难以对其实施全程有效探测.因此,针对高超声速飞行器的技术特点,对低轨红外卫星的探测能力和全球覆盖性进行了研究.首先,基于类HTV-2升力体的气动外形,模拟了典型工况参数下飞行器的表面温度分布.然后,构建了低轨红外卫星探测模型.结合红外探测器典型性能参数,给出了不同轨道高度下探测器信噪比与观测视角和工作波段的关系,并得到了红外卫星在550 km和1600 km轨道高度下的有效探测半锥角.最后,给出了具有全球探测能力的低轨红外卫星星座的构型及主要参数.     

水下航行器热尾流目标海平面探测红外成像仿真

红外成像是探测水下航行器海平面热尾流目标的重要方法。采用建模仿真的方法，基于尾流区海平面温度分布特征，结合三维坐标变换和投影映射方法实现热尾流目标的红外成像仿真过程，得到在相同探测条件下热尾流的辐射能量随波段的分布，以及不同探测方位角与高度下热尾流在像平面内的形态及红外辐射亮度的变化规律。论证了噪声对典型工况条件的热尾流与背景海面的对比度和清晰度，以及热尾流目标的探测和识别难度的影响。仿真结果表明:相同探测条件下，热尾流在8 μm~12 μm波段的辐射能量远远大于3 μm~5 μm波段；随着探测高度的增加，热尾流区域的红外辐射观测亮度逐渐减小；探测路径长度一定时，探测天顶角增大，热尾流红外辐射观测亮度减小，并且热尾流在像平面内所占区域逐渐减小。     

海面空中目标的红外偏振辐射特性仿真分析

将偏振特性结合到强度信息中可有效提高天基系统对海面背景下空中目标的探测与识别性能,尤其是对于红外隐身目标。针对红外偏振特性、最优探测波段不明的问题,建立了基于天基平台的空中目标红外偏振辐射模型,分析了近红外到长波红外目标的偏振特性。采用偏振度作为评价指标,分析了目标辐射温度、飞行高度和天基探测俯仰角在红外波段中的偏振辐射规律。实验结果表明：对于不同飞行高度、辐射温度的目标而言,目标与海面背景的红外偏振特性在9μm处差异显著,该波长可作为偏振探测的最佳波段;在最佳探测波段,相较于水平偏振而言,目标和背景的差异主要体现在垂直偏振分量上;当天基平台俯仰角为大角度掠地状态时,目标与背景的偏振度差值更大,有利于提高探测性能。     

类HTV-2高超声速滑翔飞行器红外辐射特征与可探测性分析

以类HTV-2高超声速滑翔飞行器为研究对象,对其红外辐射特征进行了仿真分析。综合考虑了目标、背景、传输过程的方向和光谱特性,系统分析了地基平台、浮空器、天基卫星对类HTV-2高超声速飞行器的红外探测能力,得到了不同探测波段、不同探测平台的最大探测距离。研究结果表明,目标的红外辐射强度受观测方向的影响较大,最大探测距离随探测器灵敏度的增加而增大,中波波段(3.7~4.8μm、3.0~5.0μm)的探测距离比长波波段(7.7~9.5μm、8.0~12.0μm)的大。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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.     

过冷降膜在红外隐身中的应用研究

提出了利用过冷降膜技术对军事目标进行红外隐身的新构想。建立了层流过冷降膜的流动与传热模型,得出了层流降膜自由表面温度分布的解析表达式,分析了影响液膜自由表面温度的各种因素,计算了过冷降膜对军事目标的红外抑制效果。结果表明:过冷降膜是一种简单有效的红外抑制技术,增大液膜流动的Re数和降低液膜入口温度均可增强对特定目标的红外隐身效果,该技术在军事目标的红外隐身方面应用前景广阔。     

A simulation method of aircraft plumes for real-time imaging

Real-time infrared simulation technology can provide a large number of infrared images under different conditions to support the design, test and evaluation of a system having infrared imaging equipment with very low costs. By synthesizing heat transfer, infrared physics, fluid mechanics and computer graphics, a real-time infrared simulation method is proposed based on the method of characteristics to predict the infrared feature of aircraft plumes, which tries to obtain a good balance between simulation precision and computation efficiency. The temperature and pressure distribution in the under-expansion status can be rapidly solved with dynamically changing flight statuses and engine working states. And a modified C–G (Curtis–Godson) spectral band model that combines the plume streamlines with the conventional C–G spectral band model was implemented to calculate the non-uniformly distributed radiation parameters inside a plume field. The simulation result was analyzed and compared with the CFD++, which validates the credibility and efficiency of the proposed simulation method.     

飞机外露物隐身改进设计研究

外露物在一定程度上影响飞机隐身性能,而外露物的共形设计会增加成本。针对低成本准隐身飞机,本文探讨了一种外露物的隐身改进设计,主要采取优化外形,涂敷吸波材料、提升加工工艺等措施实现低成本飞机RCS值的缩减。经过隐身仿真、隐身测试等手段,获取了外露物在不同频点、不同极化下的RCS值,并通过仿真、测试数据对比验证采取隐身改进措施的有效性,并为其它外露物隐身设计提供了设计依据和手段。     

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。