高超声速飞行器气体辐射噪声计算方法

高超声速飞行器周围的激波层内高温气体会发生剧烈的物理化学变化,伴随强烈的光辐射过程,直接影响红外导引头的光学成像效果。采用流体力学Navier-Stokes方程和热化学非平衡模型模拟高温非平衡流动,考虑电子跃迁和振转跃迁以窄带法求解气体辐射特性参数,基于有限体积法离散辐射传输方程,在分别验证流场解算、辐射参数求解和辐射传输计算的基础上,进行了飞行器高速飞行的流动和辐射模拟。数值求解得到了飞行器流场特征和粒子数空间分布。计算的选定波长范围内的气体辐射发射系数空间分布显示其与激波形状和波后气体温度分布相似。通过传输得到的飞行器光学窗口视线路径上的气体辐射噪声成轴对称分布,发现辐射噪声和飞行速度、气体成分等密切相关,马赫数增加时气体辐射噪声显著增强。     

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。     

地基大口径红外光电设备快速辐射定标EI北大核心CSCD

在地基大口径红外光电设备的多目标分时观测中,为了消除环境因素对系统绝对辐射响应度的影响,在观测间歇快速地完成红外光电设备的辐射定标,研究了快速辐射定标方法。建立了定标实验的数学模型,确定了实验流程;以标准红外自然星为辐射定标源对红外光电设备的绝对辐射响应度进行了定标,并测量了大气透射率;对已知辐射照度的自然星进行观测,并通过定标实验得到的参数进行反演计算。数据表明,基于快速辐射定标方法的目标辐射照度反演最大相对误差为18.93%,定标实验占用时间约为4 min。作为对比,基于面源黑体定标光学系统并应用Modtran软件计算大气透射率的传统方法,反演最大相对误差为28.74%,定标实验占用时间约为17 min。结果表明,与传统方法相比,快速辐射定标方法的实验占用时间显著缩短,目标反演误差明显降低;系统不需要匹配面源黑体,大幅降低了成本。     

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。     

固体火箭喷焰红外信号随飞行参数的变化

尾焰红外信号是导弹识别、跟踪技术发展所需的重要参数.本文在利用尾喷焰流场结构的工程经验公式获得尾焰温度、浓度和压力分布的基础上,采用宽带 k 分布模型计算尾喷焰的辐射信号,分析了固体火箭发动机尾喷焰红外辐射信号随飞行参数的变化规律.结果表明:在所选的红外探测器工作谱带区间内,固体火箭发动机尾喷焰积分辐射强度随着喷口处燃气温度、马赫数和喷口燃气压力与大气压力比值的增大而增大,随海拔高度的上升而减小.     

弹头激波诱导燃烧特性的数值模拟

为了研究弹头激波诱导燃烧,基于有限体积的考虑化学反应的Navier-Stokes（N-S）方程,对预混氢气-空气化学恰当比时的燃烧流场进行了数值模拟.时间项基于2阶隐式LU-SGS格式,对流项基于Steger-Warming进行离散,化学反应源项采用对角化隐式处理.首先,研究了网格对燃烧爆轰流场结构的影响,并利用Lehr实验结果验证了计算方法的可靠性;其次,研究了弹头的飞行Mach数（Ma=4.18,5.11,6.46）、弹头直径（D=5,10,15 mm）对燃烧流场稳定性的影响.研究表明:计算网格对氢气-空气爆轰流场结构影响很大;弹头直径一定时,氢气-空气燃烧流场稳定性随着飞行Mach数的增大而增强;弹头飞行Mach数一定时,氢气-空气燃烧流场稳定性随着弹头直径减小而增强.      

定向红外对抗系统的激光源模拟研究

针对半实物仿真中定向红外对抗系统的有效模拟问题,在分析定向红外对抗激光源技术的基础上,依据实战应用,计算得到3 m~5 m波段定向红外对抗激光源的辐射能量为飞机红外辐射强度绝对值的8倍,结合波长4 m处简化的大气传输透过率随传输距离的变化,推导出实战应用中红外导引头上辐射照度随飞机导弹之间距离的变化规律。设计半实物仿真中定向红外对抗的模拟方案,依据逼真模拟的原则,计算得到模拟激光源能量随飞机导弹之间距离和飞机辐射强度的变化规律,据此将飞机导弹相互距离1 km时刻的红外干扰源辐射能量设置为波长4 m模拟激光源能量,其他距离的模拟能量通过衰减片来控制。为提高定向红外对抗模拟的通用性和智能性,设计了模拟激光源的闭环控制方案。     

星载多波段红外光学系统的杂散辐射分析

引入反向蒙特卡罗法与双向蒙特卡罗法对红外光学系统的杂散辐射进行分析,基于光谱辐射传递因子导出了焦平面辐射能流计算式.以某星载多波段红外光学系统为例,在检验计算可靠性的基础上,模拟了各波段辐射能从地球背景和光机内壁面到焦平面的传播过程,分析了壁面吸收率与温度的影响.结果表明,采用双向蒙特卡罗法可有效地模拟辐射能从地球向星载光学系统焦平面的传播过程,采用反向蒙特卡罗法可容易地分析光机内部热辐射的影响;光机内壁面吸收率对视场外杂散辐射的传播有很大影响,温度高于250 K的光机内壁面热辐射成为主要的杂散光源.     

气氧煤油发动机尾焰红外辐射特性研究

提出了一种考虑碳烟颗粒的气氧煤油发动机尾焰红外辐射特性计算方法,首先对气氧煤油发动机纯气相内流场进行计算,然后以喷管喉部作为气体和固体碳烟颗粒的入口边界计算发动机尾焰流场,最后以发动机流场参数分布为基础,采用有限体积法和伪气体理论对发动机尾焰红外辐射特性进行计算。进行了气氧煤油发动机点火实验,并将计算结果与实验结果进行对比分析。结果表明,燃烧室内两个压力测量点的测量与计算误差分别为1.4%和3.4%,燃烧室内计算温度与热力学计算误差为2.16%,证明了燃烧室流场计算模型的准确性。含有碳烟颗粒的尾焰流场计算结果与热像仪测量结果比较吻合,证明了尾焰流场计算方法和模型的准确性。4.3 μm波段尾焰红外成像计算结果与工作在4.3 μm波段的红外热像仪测量结果吻合比较一致,证明了尾焰红外辐射特性计算方法和模型的准确性。     

制冷型红外成像系统内部杂散辐射测量方法

杂散辐射是红外光学系统设计和检测过程中涉及的一项重要指标.为了定量测量红外成像系统内部杂散辐射, 提出一种基于辐射定标的测量方法, 并通过理论推导和实验验证以说明该方法的合理性.首先, 建立了不带光学系统的辐射定标模型, 即探测器直接接收定标源辐射能, 获得探测器内部因素对系统输出的影响; 然后将其与带有光学系统的定标结果进行比较, 得到由光学系统自身辐射对系统输出的影响, 进而计算红外成像系统内部杂散辐射; 最后通过实验证明了本文理论的正确性.该方法操作简单, 对实验条件要求低, 并可以精确地测量红外成像系统内部杂散辐射.可用于指导红外系统设计中的杂散辐射抑制, 验证系统杂散辐射分析结果是否准确以及检测系统杂散辐射指标是否合格.     

基于水幕的舰船红外干扰策略研究

传统的红外成像反舰导弹的干扰策略如热焰弹和烟雾等已经不能很好地应对新型红外成像反舰导弹的威胁,针对该问题,设计一种在舰船表面不同分区施加水幕来对抗红外成像反舰导弹的策略,采用建模仿真的方式开展了水幕对红外成像导引头干扰效果的研究.建立综合考虑海天背景的舰船红外辐射仿真模型,结合典型图像识别算法,分析制定了不同的水幕施加...     

Infrared spectral radiative properties of high temperature gas with multi-component

The shock layer of high-speed missiles is a highly uneven gas medium with multi-component and high temperature. Its spectral radiation effects degrade and distort the remote sensing images of infrared sensors. The exact numerical calculating method of the shock wave thermal radiation noise has been developed in this paper. With the multi-temperature model and the rectangular grid recursive method of ray tracing, atomic-molecular absorption and emission spectra of CO₂, H₂O and N₂ were obtained along the line of sight along the seeker detectors. Based on image degradation evaluation criteria and the wind tunnel experimental results, how images blurred by the proposed model were verified. The relations between the shock wave thermal radiation noise and flow parameters were also analyzed. For the 3–8 μm infrared band, shock wave thermal radiation noise is little effected by flight altitude, and close relations with Mach number, as the empirical formula given.     

超高速碰撞2A12铝板产生闪光辐射的空间演化规律

为了描述超高速碰撞2A12铝板产生闪光辐射的空间演化规律,利用瞬态光纤高温计测量系统并结合二级轻气炮加载系统,开展了弹丸以30°的入射角度和不同碰撞速度条件下的超高速撞击实验。基于闪光辐射强度和辐射温度的实验数据处理得到了超高速碰撞2A12铝板在撞击点附近产生的最大闪光辐射强度和最大闪光辐射温度,基于大量实验,建立了撞击点附近最大闪光辐射的空间演化模型。并结合Origin软件对实验所得数据的拟合,得到了最大闪光辐射强度和辐射温度随探测点到着靶点间距离变化的拟合函数关系式。实验结果还表明:在相近碰撞速度、相同碰撞角度条件下,在同一椭球面上不同探测点位置处的最大闪光辐射强度和最大闪光温度差别不大,验证了撞击产生的闪光辐射以近似椭球的形状向外膨胀,随着等离子体云的向外膨胀,离碰撞点越远产生的最大闪光辐射强度和最大闪光辐射温度均越小;在相同碰撞角度、不同碰撞速度条件下,在同一椭球面上不同探测点位置处的最大闪光辐射强度和最大闪光温度均随碰撞速度的增加而增大。该研究在导弹拦截、天体物理及深空探测领域具有重要的应用价值。     

基于几何光学的红外成像模型

提出一种基于光线追击法的CFD湍流场的红外成像模型,用“数字图像”模拟“真实目标”进行仿真计算。通过对比原始图与仿真结果,得出超高声速导弹附面层可引起降晰效应的结论,为弹载计算机的图像复原算法提供了理论依据。按照导引头的工作原理,把模型分为远距离、临界距离和近距离3种类型分别讨论,最后分析了点扩散函数与数字图像处理中降晰模板之间的关系。     

高空离轨发动机流场红外辐射特性研究

高超声速飞行器大攻角机动时,其离轨发动机产生的喷流与高速稀薄的大气来流产生强烈干扰,流场情况复杂,流场红外辐射也是天基红外系统探测的标志性事件.本文针对高超声速飞行器发动机喷流与稀薄来流的相互干扰情况,采用数值求解Navier-Stokes方程模拟干扰流场,采用逐线积分法得到气体红外辐射特性,结合反向蒙特卡洛方法计算得...     

Jamming effect analysis of infrared reticle seeker for directed infrared countermeasures

In directed infrared countermeasures (DIRCM), the purpose of jamming toward missiles is making missiles miss the target (aircraft of our forces) in the field of view. Since the DIRCM system directly emits the pulsing flashes of infrared (IR) energy to missiles, it is more effective than present flare method emitting IR source to omni-direction. In this paper, we implemented a reticle seeker simulation tool using MATLAB-SIMULINK, in order to analyze jamming effect of spin-scan and con-scan reticle missile seeker used widely in the world, though it was developed early. Because the jammer signal has influence on the missile guidance system using its variable frequency, it is very important technique among military defense systems protecting our forces from missiles of enemy. Simulation results show that jamming effect is greatly influenced according to frequency, phase and intensity of jammer signal. Especially, jammer frequency has the largest influence on jamming effect. Through our reticle seeker simulation tool, we can confirm that jamming effect toward missiles is significantly increased when jammer frequency is similar to reticle frequency. Finally, we evaluated jamming effect according to jammer frequencies, by using correlation coefficient as an evaluation criterion of jamming performance in two reticle missile seekers.     

利用蒙特卡洛法分析红外光学系统的杂散辐射

介绍了杂散辐射的概念及其对光学系统成像质量的影响。以一透视式红外系统为例,通过对系统的光机结构的合理简化,利用杂散辐射分析软件Light tools中已有的蒙特卡洛分析方法,对已建立的红外系统光机结构的三维模型进行光线追迹分析,得到了系统像面的照度分布结果。同时,基于辐射度学相关理论对该系统中各结构表面的热辐射进行了定量计算,分析了结构中不同组成部分对系统像面的杂散辐射影响,提出本文系统中前镜框内表面为主要杂散辐射源。针对分析结果,探讨了红外系统的杂散辐射抑制方法,提出的方法可为后续设计提供参考。     

A new 4π geometry optimized for focusing on an atom with a dipole-like radiation pattern

Focusing electromagnetic radiation efficiently onto an atom requires an open geometry, which is as close to the full solid angle as possible. Additionally, the radiant intensity should be as close as possible to a dipole radiation in order to have a similar field distribution as in the emission process. Here, we propose to make use of a novel combination of a parabolic mirror and a diffractive optical element.     

大视场红外导引头光学系统消热差设计

为消除温度变化对共形光学导引头像质的影响,利用光学被动消热差理论对具体设计方法进行实际分析.根据消热差条件选择合理的透镜材料组合,利用衍射元件特殊的光热特性采用折/衍混合结构进行消热差设计.采用椭球形共形整流罩结构减小空气阻力,降低导弹头部气动加热效应,利用三片式反远距结构实现短焦大视场系统设计.该系统工作波段为3~5 μm,系统F/#为2,视场角为±90°;凝视结构的导引头光学系统后工作距达22.8 mm,为制冷型探测器留有足够的空间;冷光阑效率为100%;在-40℃~60℃温度变化范围内,15 lp/mm处全视场MTF值均大于0.4,满足高准确度定位导引头系统对成像质量的要求,保证了系统的轻小型设计.