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.     

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.     

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.     

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。     

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。     

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.     

海空背景下红外小目标检测算法

研究海空复杂背景下红外图像小目标检测问题,针对海空背景下远距离小目标总是出现在水天线附近的特点,通过小波多尺度分析边缘检测算法检测水天线,确定出目标潜在区域,再进行精细目标搜索,从而提出了一种由粗到精的小目标检测算法。实验结果表明,对一般噪声条件下得到的红外目标图像,该方法能准确地检测、定位小目标,单帧检测准确率达96%以上并具有单帧检测率高、实现速度快的特点。     

空天背景下基于GLRT的红外弱小运动目标检测

针对红外图像序列中未知亮度、位置和速度的弱小运动目标检测问题,在假定目标强度恒定且保持匀速直线运动的前提下,建立了与之相应的简化二元量测信号模型.对于这种含参信号的复合假设检验问题,采用广义似然比检验(GLRT)得到了该问题的检测算子,同时利用速度滤波器组在实际应用中实现了该检测算子.从理论角度估计了该算法的虚警概率和检测概率,并通过计算机仿真验证了上述分析结果.为了评估该算法的有效性,采用基于真实场景的红外图像序列对其进行测试,结果表明,该算法对于低信噪比条件下的弱小运动目标具有良好的检测效果.     

海空背景长波红外大气透过率的仿真计算方法

红外光波波段海空背景大气透过率的仿真计算在原有理论计算的基础上,修正了海背景中大气饱和水汽压的计算,推出了沉积水量的表达式,考虑了不同高度分子吸收问题,分别拟合出了在海平面水平路程上由波长和沉积水层厚度决定的水汽光谱透过率函数以及由波长和路程长决定的二氧化碳光谱透过率函数,分析了臭氧的影响,给出了大气透过率的表达式。     

大气环境背景辐射仿真研究

大气背景辐射对于空间预警系统的研究具有极其重要的作用,基于辐射传输的理论,建立吸收波段大气环境背景仿真系统,针对特定区域,对白天和晚上的情况作了仿真模拟,分析了云顶温度等大气参数对辐射背景的影响,并将4.3 μm通道(白天)的仿真结果与AIRS的结果作了比较,两者的均值差异为13.2%.     

背景辐射对甚长波碲镉汞光导器件性能的影响

通过对甚长波碲镉汞器件的信号、噪声、有效寿命等的测试分析,研究背景辐射对甚长波器件性能的影响.利用冷光阑和黑体照射改变器件接收的背景辐射,设计并搭建了变背景有效寿命测试装置.改变背景辐射,测试甚长波器件的电阻、信号、噪声、噪声频谱、有效寿命.测量结果表明,增加立体角为30°的冷光阑后,随着背景辐射的减小,器件的电阻、信号、噪声、探测率等都有不同程度的增加;噪声频谱测试证明,1 kHz频率处的噪声主要是产生-复合噪声;改变黑体温度的变背景的有效寿命测试结果证明,背景辐射对寿命的影响很大,背景辐射减小,光生载流子的有效寿命增加.分析甚长波器件表面和体内的S-R复合、俄歇复合、辐射复合等复合机制,利用非平衡载流子和器件有效寿命理论对器件的寿命和产生复合噪声随背景辐射的变化进行理论计算,计算结果与实验结果存在一定的差异,但在随背景辐射变化的趋势上一致,并对两者的差别进行了分析.     

基于CPLD的天幕靶抗干扰技术研究

讨论了由蚊虫、声音等对天幕靶带来的干扰问题,通过对天幕靶原理分析,证明了弹丸与声波、蚊虫等引起天幕靶输出信号是不同的.在此基础上,提出了一种基于CPLD(Complex Programmable Logic Device)的抗干扰电路,并应用到具体的工程实践中.仿真分析和应用结果表明该电路能有效地抑制声波和蚊虫等对天幕靶带来的干扰,提高了电路的抗干扰能力,保证了测试结果的可靠性和精确性.