基于辐射散热的空间目标红外特性建模与研究

首先介绍了用于保证空间目标正常工作常用的辐射散热器分类,并阐述了其运行模式及使用条件。总结了现有的空间目标红外特性模型,并进一步分析,将空间目标外表面区域分为一般区域和辐射散热区域,建立不同的能量方程。以FY-1C为例,根据空间目标的轨道特性、材料特性和结构特性,使用有限单元法分析得到空间目标外表面的温度场分布,在散热功率为0 W和100 W的情况下,散热区域温差最大为51.49 ℃。结合温度场分布和轨道特性,进一步计算得到空间目标在距离5 km的探测系统入瞳处的辐射照度。当目标处于地球阴影区,目标散热区域接收到的地球自发辐射和地球反射辐射入射角很大,可以忽略不计,此时目标的辐射照度在两种散热功率下相差1~2个数量级。在日照区,由于目标反射辐射的影响,不同的散热功率只对长波波段的辐射特性有一定影响。     

飞机红外辐射建模与仿真

基于红外辐射有关理论,建立了飞机红外辐射强度的理论计算模型.该模型实现了在不同状态、不同观测角度条件下飞机红外辐射强度的计算.最后,利用上述模型对某型飞机红外辐射强度进行仿真,并对仿真结果作了分析.     

喷气发动机红外辐射建模与仿真

分析了喷气发动机红外辐射的主要来源,研究了喷气式发动机红外辐射建模与仿真的方法,给出了不考虑散射时某一空间位置处探测元辐照度的计算方法和步骤.根据壁面辐射线传递路线将微元面或微元体划分为三种情况,分别论述了各自的离散与计算方法.流场计算时使用Fluent组分模型计算燃气H2O和CO2的摩尔浓度.在计算辐照度时,使用了经典的表格法和低分辨率计算模型LOWTRAN7研究大气辐射传递特性的影响.最后,用介绍的微元离散法编制了程序计算了圆出口截面与探测面连线天顶角不同时的辐照度值,验证了该方法的有效性.     

天基空间目标红外动态辐射特性建模与仿真

提出了一种空间目标红外动态辐射特性的建模方法。目标红外辐射包括自身发射辐射和对背景的反射辐射。根据目标与背景特征建立了空间目标辐射特性的物理模型。基于表面材料属性对目标表面进行区域与面元划分,根据能量守恒定律,利用目标在宇宙空间的热平衡方程建立了空间目标自身红外辐射特性的数学模型。同时,引入双向反射分布函数模型描述目标表面面元的反射特性,将目标所有面元反射分量叠加建立了目标红外反射特性的数学模型。最后,构建目标本体坐标系,通过坐标变换确定目标、背景辐射源与探测器的相对位置关系。根据给定的轨道参数、目标几何尺寸和表面物性参数仿真获得空间目标在轨红外特性。计算结果验证了模型的有效性,为空间目标的红外探测与识别提供参考数据。     

天空大气背景红外辐射建模与计算

研究天空大气背景的辐射对空中目标的探测非常重要,为此对大气辐射亮度的计算进行了建模与计算,通过对大气分层的方法得到了天空辐射亮度的计算公式,然后结合公式对吸收和散射的计算方法进行了详细的讨论,对于吸收主要考虑了水蒸气、二氧化碳和臭氧的吸收,而散射主要讨论了气溶胶的散射,最后通过典型数据对大气吸收、散射、透过率、光谱辐射亮度、辐射亮度等进行了计算,与MODTRAN软件的计算结果进行了比较,并对天空红外辐射的特点进行了分析。     

飞机整机蒙皮自身红外辐射特性建模与分析

针对飞机整机蒙皮自身辐射特性计算的问题提出一个方法,通过对飞机三维图像建立网格、划分面元,对面元进行可视性判断及空间遮挡判断,建立求解飞机表面复杂几何外形的红外辐射模型.研究了发射率为0.7、0.8、0.9、1.0及马赫数为1.2、1.4、1.6条件下整机表面前向水平面和侧向垂直平面内的长波红外辐射强度分布,比较了飞机主要部件在观测方向上红外辐射强度所占的比重.结果表明蒙皮表面发射率与各观测方向的红外辐射强度在8～12 μm波段内呈线性关系,飞行状态改变引起蒙皮温度的变化对红外辐射强度有明显影响.飞机各部件中,机身、垂尾、机头在前向观测方向上辐射强度占比重较大,机身、机翼、垂尾在正侧向观测方向上辐射强度占比重较大.计算结果对飞机红外隐身设计具有一定的指导意义.     

空间目标/星空背景红外建模与仿真

介绍了空间目标/星空背景动态红外图像仿真的实现.首先,建立空间目标的几何模型,并对空间目标进行受热分析,建立空间目标外表面的红外热辐射模型,将计算结果量化形成灰度值,生成空间目标的红外图像;其次,将背景红外图像生成中常用的理论模型法与实际场景红外图像目标剔除法相结合,提出一种星空背景红外图像生成方法,即恒星在大气层处的红外辐照度不通过理论模型求取,而是由红外星表数据简单计算得出,将计算结果量化形成的灰度值赋予通过计算机生成恒星的几何视图,生成星空背景的红外图像;最后,将已生成的空间目标红外图像与星空背景红外图像的灰度归一化,进行灰度层次上的合成,同时,以红外传感器视轴指向作为图像的中心进行空间层次上的合成,最终生成完整的空间目标/星空背景红外图像.     

地表红外辐射建模研究

根据地表能量的变化规律,建立了地表能量热平衡方程.对太阳辐射、大气长波辐射、大气温度、地表热传导等影响地表能量变化过程的因素进行了分析.利用差分方程方法,解算了裸露地表一日温度的变化情况,计算结果与实测结果近似.最后利用本模型讨论了地表构成材料对地表温度变化的影响.     

海面背景红外图像建模与OpenGL仿真

应用海洋学和红外辐射理论的研究成果建立海面背景红外图像的仿真模型.在海面几何建模中,实现了对风浪和涌浪的模拟,同时增加了三角浪模型以增强真实感;红外辐射建模中,在保证图像质量要求下对辐射方程进行了适当简化.应用OpenGL技术实现海面红外图像的仿真,只需几个输入参数就可确定红外辐射特性,结果表明所提出的仿真模型是正确可行的.     

车载红外告警系统空间背景虚警源辐射特性分析

针对车载红外告警系统虚警率高的问题,研究了车载环境下典型红外告警系统的辐射环境。重点分析了空间背景辐射环境的特点,对各种空间背景辐射源在典型红外告警波段的辐射特性进行了数值计算。结果表明:车载红外告警系统的主要空间背景辐射源为太阳和天空。在3～5μm的光谱区域里,太阳辐射产生的背景干扰起主要作用,需要避免直视太阳并使太阳高度角小于29.6°。而在8～12μm的波长区域里,天空成为主要的背景辐射,需要通过选取合适的背景抑制算法进行克服。     

基于氧气光谱吸收的被动测距中无云天空背景辐射特性研究

氧气吸收率是利用氧气A 吸收带进行被动测距技术计算的核心,将包含氧气A 吸收带在内的无云天空背景辐射和黑体辐射作为研究对象,利用CART 软件模拟计算了不同观测天顶角、不同时段、不同太阳天顶角的无云天空背景氧气吸收率分布,并与不同观测天顶角、不同距离下的黑体辐射氧气吸收率进行了比较分析,结果表明:当探测距离大于3 km 时,黑体辐射的氧气吸收率大于无云天空背景辐射氧气吸收率,所以根据不同观测条件设置被动测距的氧气吸收率阈值,可提高对目标的探测概率,降低背景辐射对被动测距的影响。     

夜间天空背景及云层红外辐射测量分析

采用中波、长波红外热像仪对夜间无云天空背景及云层背景红外辐射亮度进行了测量。无云天空背景中波波段辐射亮度在0.58~1.30 W·m-2·sr-1,长波波段辐射亮度在6.61~15.29 W·m-2·sr-1。由于夜间条件下无太阳辐射影响,相同俯仰观测角条件下,0°~360°各个方向天空背景辐射亮度基本一致。从无云区到有云区,随着云层厚度的增加,其辐射亮度逐渐增大。相对于无云背景,中波波段云层中心辐射亮度增加了1.5%,长波波段云层中心辐射亮度增加了14.2%,长波波段云层对天空背景辐射影响更加显著。     

天空背景下红外弱小目标检测算法研究

针对天空背景下红外弱小目标检测困难的情况,首先通过改进的形态学滤波目标增强方法对图像进行背景抑制与噪声去除,而后采用恒虚警检测方法(CFAR)对滤波后图像进行分割,获得候选点目标,然后采用行程目标标记的方法得到候选目标的位置信息、面积信息等,单帧图像检测之后,复杂的天空背景仍然会存在虚警。为了提高检测概率、降低虚警率,结合目标运动特性(包括运动轨迹、速度、加速度等)、灰度变化、面积变化等帧间相关性采用移动式管道滤波方法对序列图像候选目标做进一步判断。实验结果表明,该方法能有效地从复杂背景中检测出真实目标。     

晴空背景下恒星目标的检测

形态滤波和顺序滤波是图像处理中常用的两种方法,用这两种方法分别对含噪图像进行预处理,之后用阈值分割的办法提取出了目标,其中阈值是根据预处理前图像的灰度均值和方差来确定的.文中所处理的图像来自晴空背景下(日出前后)采集的恒星像光斑,经过实验发现用这种方法能较好提取出目标.同时实验证明图像中当目标所占面积比背景噪声点大时,用顺序滤波和阈值分割方法,不但能很好的提取出目标,而且运算速度也较快.最后给出用这种方法对其它图像的处理结果,结果表明此方法也很有效.     

全天空背景亮度测量仪的研制

天空亮度分布是指大气层内散射光亮度的空间分布,对空间目标识别以及大气辐射传输等理论研究有重要的应用价值。研制了一台全天空背景亮度测量仪,将32个光电探测器均匀分布在球形支架表面,可实现对天空各个方位背景辐射亮度的瞬时测量。先介绍了仪器的工作原理、结构组成和研制方案。再利用绝对定标方法对仪器进行辐亮度定标。通过进行实地测量并将实测数据与MODTRAN5理论计算结果对比分析。结果表明:仪器工作性能稳定,在所测光功率范围内线性度良好,得到各个方位的天空亮度值与真实天空亮度分布的变化相符。该仪器具有较高实时性,测量数据可靠,可以满足科研与实际应用需求。     

空间飞行器对背景辐射的反射特性

介绍了飞行器在地球大气层外的主要辐射，给出了飞行器反射背景辐射强度空间分布的计算方法，并运用计算机对距地面几百千米的某圆锥形飞行器中午和晚上在3～5μm和8～14μm波段内辐射强度的空间分布进行了数值计算，得到了合理的结果。     

自适应红外隐身背景辐射测量研究

相对于现有的红外隐身技术,自适应红外隐身技术具有更高的环境适应能力和动态隐身的能力,已经成为红外隐身技术发展的主要方向。在深入分析自适应红外隐身技术原理及其工作过程的基础上,对背景辐射测量的问题进行了归纳,并结合自适应红外隐身技术的特点提出了解决方法,最后对自适应红外隐身技术的发展趋势进行了总结。     

白天天空背景对昼夜大气相干长度仪数据影响

昼夜大气相干长度仪实现了全天候连续观测恒星,是一种大气相干长度的常规观测仪器。主要分析了白天天空背景光引起的大气相干长度测量误差,提出了适合于工程应用的图像消噪方法,并进行了数值仿真,结果表明:该消噪方法能有效抑制白天天空背景引起的图像传感器噪声,使其在最大天空亮度观测3.5等星时所引起的大气相干长度测量误差减小到1.434%,扩大了选星跟踪范围,证实了该消噪方法应用于提高仪器测量精度的可行性和白天星像质心提取的准确性。     

星载激光告警系统的背景辐射特性研究

阐述了星载激光告警系统在空间环境下的各种背景辐射源的辐射特性,以400 km的低轨道侦察卫星的激光告警系统为例,建立了各种辐射源在宿主星位置处的光谱辐照度模型,并进行了数值计算;假定告警系统告警波长为1.315 μm,探测器工作波段为1～3 μm,计算了各辐射源在宿主星位置处对应1.315 μm波长的光谱辐照度和1～3 μm波段内的总辐照度,并进行了比较分析,结果表明:星载告警系统的主要背景辐射源为太阳和地球,它们在告警波长处的光谱辐照度分别为39.9 mW/cm~2,10.9 mW/cm~2,在1～3 μm波段内的总辐照度分别为38.9 mW/cm~2,10.35 mW/cm~2,在实际工作中应采取研究专门的背景抑制技术对太阳辐射和地球辐射进行有效抑制.     

空中辐射环境理论建模初探

需要计算空间某一点的热辐射环境,由于其主要影响因素是地球和大气的背景以及太阳,而MODTRAN是一个比较有效可靠的大气辐射传输计算程序,于是主要考虑采用MODTRAN程序来计算空中某一点的热辐射环境.然后需要确定MODTRAN程序的输入数据,另一方面MODTRAN程序只能计算100 km以下的大气辐射情况,于是先要解决观测点的转换问题,这里建立了一个模型可以使100 km以上的情况转换成100 km的情况;第二个需要解决的问题是下垫面的边界条件确定,这里根据地球表面的基础数据,得到了下垫面的边界条件.依照上述思路和理论计算了空中某一点的辐射环境,获得了初步的计算结果.