天基平台海云背景下飞机全链路成像特征建模及分析

空中目标具有高速机动、战略突防和远程精确打击等特点,针对这类目标构建广域、高效、精准探测、连续监视技术已成为空中目标探测体系面临的新挑战。基于空中目标的天基光学探测需求,建立了复杂环境要素综合作用飞机尾焰的光学辐射特征模型,形成飞机尾焰-海面/云层背景-环境大气-光学系统-成像探测器等要素耦合的全数字化链路光谱辐射成像特征精确预测模型。基于实测数据推演了飞机尾焰红外多光谱本征辐射。同时,利用FY-2G遥感数据,反演了中国南海某海域海面温度及云顶温度分布,建立了海云背景光谱辐射模型。在此基础上综合考虑了背景辐射、大气路径辐射和大气衰减对飞机尾焰光谱辐射的影响,建立了在光学系统入瞳前目标上行光谱辐射特性模型,结合光学成像系统的衍射效应,探讨了不同谱段、云类型下地球同步轨道红外成像系统对目标的可探测性。研究表明:大气屏蔽波段对目标的探测效能优于宽波段;针对不同的背景选择合理的探测波段有利于目标的高效探测。     

基于遥感数据的地球背景中红外场景仿真

卫星遥感是研究地球大气背景红外辐射特性的重要手段,受大气影响及传感器观测条件的限制,无法获取多气象、多探测条件的辐射数据。针对该问题,基于JHU地物光谱数据库,分析了植被、水体、岩石等光谱辐射特性,结合传感器光谱响应,建立了3~5 m基于光谱相关性的地表辐射波段转换模型,并利用逐步回归法计算误差,模型误差小于10%。利用MODIS、AIRS等多源遥感数据产品,根据地表-大气-传感器辐射传输模型,模拟不同时空分辨率、探测条件等的地球背景辐射中红外图像。结果表明,利用多源遥感数据进行中红外图像仿真,可以实现大尺度、具有细致纹理结构的图像模拟,应用于遥感研究。     

基于辐射通量表观对比度光谱的红外预警卫星探测波段选择方法

选择合理的探测波段是设计红外预警卫星需要解决的重要问题.提出了一种基于点目标辐射通量表观对比度光谱确定红外预警卫星探测波段的方法.论文首先建立了较完善的火箭尾焰表观对比度光谱计算模型,进一步建模计算了典型液体和固体火箭尾焰在不同高度的红外辐射特性,使用通用大气辐射传输(CART)软件计算了典型大气条件下的地球/大气背景辐射以及不同高度处大气的透过率和路径辐射,在此基础上以典型液体和固体火箭为例,计算了尾焰在不同高度处的辐射通量表观对比度光谱.结果表明:不论液体还是固体火箭,在2.55~2.85μm和4.19~4.48μm波段的辐射通量表观对比度都比较大,红外预警卫星工作波段可以选为上述波段.     

偏压控制多光谱红外光电探测器和成像器

本发明提供一种用于探测两个或多个不同波段红外辐射的多光谱光电探测器。该光电探测器包括一个能在两个或多个相关红外辐射波段共振的衍射光学共振腔。通过以两个或多个分立偏压探测红外辐射并产生该光电探测器在各偏压下的光谱响应曲线，其对各个红外辐射波段的响应便可以计算出来。     

红外预警卫星探测波段地球背景辐射仿真研究

针对红外预警卫星探测波段遥感数据难以获取的问题,研究了基于地表温度反演的红外预警卫星探测波段地球背景辐射仿真方法。采用了通用型单通道算法对FY-3/MERSI数据集进行地表温度反演,得到了全球地表温度分布图。在此基础上,构建了地表红外辐射模型,充分考虑了海拔、大气模式、地表类型等因素对地表辐射的影响,利用MATLAB与MODTRAN进行联合编程完成每个像元对应的地表辐射计算,实现了红外预警卫星探测波段地球背景辐射场景的图像生成。仿真结果表明:仿真图像分辨率高,能够准确反映红外预警卫星探测波段的地球背景辐射特性,可为研究红外预警卫星作战效能评估和目标识别技术提供场景数据支撑。     

复杂环境背景下典型飞行器表面红外反射特性研究

飞机蒙皮对于背景辐射的反射可以作为红外目标识别的辐射源,但背景辐射通常来源于太阳辐射和地面背景辐射等辐射的综合作用,其复杂性和多变性也可能使飞机的红外反射辐射严重干扰红外制导的准确性,因此,研究复杂环境背景下的飞机蒙皮红外反射特性对于红外目标识别和红外导弹制导等应用具有重要意义。本文基于Schlick双向反射分布函数(BRDF)模型,结合有限元方法,利用反向蒙特卡洛法计算辐射遮挡因子,在MODTRAN软件环境下计算大气光谱透过率,针对不同条件下的飞机红外反射辐射特性进行研究。结果表明,不同探测角度和探测波段对飞机红外反射特性具有很大影响,且飞机蒙皮的反射辐射具有分布非均一性特点。     

空间目标红外地基探测的信噪比分析

建立了天空背景辐射、大气传输和地基探测系统的仿真模型,并基于已有的低轨道卫星红外辐射特性的模型,整合了一套研究空间目标红外探测的方案。利用该方案计算了探测器对卫星探测的信噪比,分析了卫星在不同过境时间的红外地基探测的效果。通过比较不同红外波段的探测信噪特性,探究了在不同情况下如何选择最佳的观测波段。研究结果显示,当目标处于日照区而观测点在阴影区时,近红外波段的探测信噪比很高,当目标进入阴影区后该波段无探测信号。不论卫星是在日照区还是阴影区,远红外波段始终可进行探测,但是当卫星表面温度较低或者距离较远时,信噪比较低。另外,由于卫星电池板的对日定向特性,探测器接收到的红外辐射信号会随着太阳高度角的变化而出现不同的特性。     

红外预警卫星最佳探测波段分析

为解决红外预警卫星在近中红外的最佳探测波段问题,采用建模仿真的方法获得了2～5μm波段范围内不同高度条件下火箭尾焰目标的红外辐射光谱特性,利用MODTRAN软件包计算了典型大气条件下同样波段范围内不同高度处的大气透过率和地球/大气背景红外辐射光谱特性,在此基础上计算了目标背景之间的对比度.通过分析目标背景对比度的变化规律可知:随着飞行高度的增加,目标背景对比度会先增大后减小,但无论在什么飞行高度,2.63～2.83μm和4.18～4.50μm波段的目标背景对比度都较大,比较适合目标探测,并且这两波段还具有更加精细的波段结构,实际应用中可根据探测需求选择更小的波段范围并确定相应的中心波长.     

基于红外热像波段拓展的多光谱成像研究

红外目标多光谱图像为目标红外辐射特性的研究提供了有效的手段,在目标材质识别、伪装目标辨识和复杂背景抑制等目标探测技术领域有着极为重要的应用。以黑体辐射理论为基础,提出了一种基于波段拓展的红外多光谱成像的方法。首先,利用中波红外热像仪（3～5 μm）采集红外图像,通过目标表面的真实红外辐射反推出热图像中不同像素点的温度值,然后利用普朗克公式可以获得不同像素点在预拓展波段处的辐射出射度数值,最后根据这些数值进行红外多光谱成像。     

末敏弹减速减旋段表面温度与辐射特性

为了掌握末敏弹从母弹舱内抛出后表面的动态红外辐射特性,根据其结构特征、结合减速减旋段的动力学模型,建立了末敏弹在气动加热、内部热源及与环境热交换的综合作用下,表面温度场与辐射特性的物理模型。耦合求解弹道模型与热平衡方程组,得到了动态温度场与辐射亮度的分布规律,最后计算并分析了不同初始条件、不同光谱波段内的辐射强度随飞行时间的变化规律。研究结果可以为红外探测识别末敏弹提供参考。     

地球临边场景红外遥感成像仿真方法

地球临边场景仿真是卫星红外探测领域的关键组成部分,是空中高速目标远距离探测场景模拟的重要基础。临边观测下的地球表面近似于球面,传统的基于海洋三维形态并计算表面辐射特性的海洋红外图像仿真方法不适用。云层的厚度和高度对红外辐射传输特性的计算有重要影响,视云层为粒子团的处理方法会大大降低仿真的计算速度。因此,研究了海洋和云的红外辐射模型、地球-空间坐标系与红外相机坐标系的转换关系和大气传输模型,提出地球临边场景红外遥感成像仿真方法。根据场景组分的差异,分别建立海洋分布模型、多层云分布模型,并根据海洋和云层的红外辐射与反射特性,构建地球临边场景红外辐射模型。通过地球-空间坐标系与相机坐标系的转换关系,利用大气传输理论和传感器效应仿真,计算各观测角度的地球临边场景卫星遥感红外仿真图像。实验结果表明:仿真得到的红外图像画质清晰,符合地球临边场景红外辐射特性,其平均拉普拉斯算子和可达0.15,平均灰度梯度可达0.70。     

云对空中目标红外探测的影响

云是造成空中目标探测和识别困难的重要因素。从目标和云的红外辐射出发, 分析了云影响目标红外探测的问题。首先根据目标和云的4种位置关系, 建立了不同情况下探测器接收到的目标和云背景辐射差的计算模型, 然后对模型中参数的计算进行了讨论, 最后根据模型进行了实例的仿真计算和分析。计算结果表明: 在8~14 m波段上, 目标与背景的辐射差在9 m波长、50方向角附近的值比较大, 而在波长较长、方向角角度较大的部分值较小。该结论可以为红外探测系统的设计提供依据。     

国产卫星多角度偏振传感器的光谱特征云检测方法研究

在卫星遥感研究中, 云检测是基础环节, 其结果影响大气、地表各种参数的定量遥感, 同时也影响云微物理特 性的反演。本研究针对多角度偏振卫星载荷(高分五号DPC 传感器), 建立了一种改进的光谱特征云检测算法。该算 法综合利用云像元和非云像元在可见光反射率光谱、氧A 波段吸收、蓝光偏振反射率以及偏振虹等特性上的差异, 分别提出了陆地、海洋上空的云检测方案, 并进一步建立了多角度云检测融合策略以标记云、晴空和未定像元。在 陆地检测中, 通过增加表观压强检测和偏振虹检测分别改进了高层薄云和低层薄云的识别; 在海洋检测中, 利用表观 压强与云层的退偏特性改进了耀光区云像元的识别。全球云检测结果示例显示该算法整体检测效果较好, 同时典型 区域的检测结果与MODIS 云产品也具有较好的一致性。该研究可为高分五号02 星上的多角度偏振传感器云检测提 供方法基础。     

在非均匀水云中太阳辐射的传输

本文概述云的透过、吸收和反射数值计算的方法。该方法考虑到云中水汽和水滴吸收光谱的变化以及多次散射的影响，使用到达云顶的太阳辐射对云滴光学特性作加权平均，通过蒙特卡罗方法来模拟宽光谱间隔的太阳辐射在云内的传输。该模型对云内微物理特征的空间非均匀性作了考虑，计算结果已得到实测资料的证实。     

时序平滑多尺度叠加动态红外云场景仿真

天基红外观测场景中云场景具有几何结构动态变化复杂、尺度变化随机、辐射动态变化不确定的特点且与天基动态探测链路耦合,对系统探测效能造成极大影响。因此,开展云场景仿真方法研究对天基红外光学卫星系统设计具有非常重要的意义。针对传统仿真方法在大尺度动态云图像仿真应用中计算效率低、占用内存大的问题,提出了一种基于时序平滑多尺度叠加方法的动态云图像仿真方法,在基于多尺度叠加算法进行云层整体位置移动仿真的基础上,利用帧间插值的方法实现动态云层形状结构变化,计算效率提高10倍以上,真实模拟云场景的整体移动与内部变化,实现大尺度动态云图像的仿真。     

全天空红外云探测在航空气象中的应用

利用合肥新桥机场温湿度、云高、能见度以及全天空云图仪数据资料, 分析了 2019 年 7 月至 2020 年 4 月机 场上空各类云的红外特征以及云、雾演变规律。结果表明: (1) 在云判别上, 云底高度越高, 红外云图上表现亮度越暗, 反之亦然。且不同类型的云具有各自独有的红外特征。 (2) 不同高度的波状云最大云块平均最短直径表现为层积云云 块是高积云的 2∼4 倍, 高积云是卷积云的 2∼4 倍。碎层云主要呈现出团状, 具有蓬松棉花状结构; 而碎雨云相对破碎, 一般为烟带状或散片状。 (3) 云与雾有明确的转化过程。辐射雾一般发生在云层刚散开期间, 天空至少一半为晴空的 时段, 且雾逐步抬升为云, 并持续消散。当天空形成不均匀缺口, 表明雾开始消散, 其可作为能见度迅速回升的一个重 要指标。非对流降水云层演变呈现出云高由高到低, 云层由分散纹理状变为均匀层状, 降水前期均会出现“均匀层状”, 地面相对湿度呈现出陡增现象。     

电磁波传播的云雾衰减特性研究

研究了云雾对电磁波传输的衰减特性,在云雾衰减理论模型基础上,给出了云雾衰减工程计算模型,该模型所需参数少、计算简便,且误差符合工程计算要求,仿真分析了电波频率、温度、发射角度及成雾类型等参数对雾特征衰减率的影响。当无线电波的频率高于10GHz时,需要考虑云和雾对电波的衰减;当频率高于50GHz时,云、雾对电波的衰减才显得重要。云雾对电磁波传播的衰减随着电波频率、温度、发射角及水汽含量的增大而增大。     

基于Ka波段毫米波云雷达多普勒谱的降雪微物理过程的分析

云中过冷水滴的识别对于预警飞机积冰及云-降水物理研究具有重要意义。本文利用美国ARM-AMF2在芬兰的35GHz测云雷达多普勒谱数据,建立了谱峰识别算法,对全局谱进行了谱分离,识别出了过冷水滴然后,经过谱矩计算得到不同类型粒子的反射率因子、多普勒速度、谱宽,最后根据经验关系反演云中液态水含量,并与微波辐射计探测结果进行对比。结果表明：(1)混合云中,雪花主导了毫米波雷达总回波强度,因此根据总雷达反射率因子反演液态水含量会造成低估;(2)冰雪晶粒子在过冷水层(SWL)中多普勒速度随反射率因子的变化梯度比在冰雪层(ISL)中大;(3)多普勒谱反演得到过冷水的液态水路径(LWP)与微波辐射计反演结果一致性较好,说明毫米波雷达能够有效估量云中液态水路径。