导弹助推段天基红外探测的像面照度模型及其应用

波段选择是导弹助推段天基红外探测系统设计首先需要解决的问题.无论是中心波长的确定,还是波段宽度的设定,都应有合理的依据.本文提出了导弹助推段天基探测的像面照度模型,并根据模型得到导弹助推段天基红外探测系统的目标与背景信杂比作为目标函数,利用信杂比的最大化作为波段宽度选择的依据,进行探测波段的选择.分析结果表明,以H2O,CO2吸收带2.7μm和4.3μm为作为红外探测系统的中心波长有其固有的合理性,不同的波段宽度选择将使信杂比产生显著变化.本文所建立的像面照度模型对遥感器设计和性能估计亦有重要意义.     

探测天顶角与太阳天顶角对卫星红外探测的影响

为了分析不同探测环境对卫星红外探测的影响,推导了倾斜探测路径下目标与背景在探测器入瞳处的辐照度对比度计算公式。计算了目标在海天背景下不同温度、不同高度、不同太阳天顶角、不同探测天顶角条件下,目标与背景在0.75~14μm波段的红外单色辐射照度对比度。分析指出:太阳天顶角对红外探测的影响主要在2.7μm以下波段,探测波长大于2.7μm可不考虑太阳的影响。目标在5 km以下、探测天顶角在60°以上继续增加时,探测波段变窄,不可探频段增宽;目标在10km以上,探测天顶角变化对探测影响很小。这些结论可用于指导卫星红外探测波段选择与探测结果分析。     

临近空间目标飞行器地基探测技术研究

临近空间领域的探测对未来战争将发挥无法估量的作用。提出了利用地面光学无源探测设备对临近空间的目标飞行器进行探测的设计方案。文中对临近空间目标的光谱特性做了细致分析,给出了系统应用多谱段进行探测的必要性。给出了探测系统的硬件架构。从光学系统的焦距和对比度两个方面详细分析了系统的设计指标。假设目标的直径为20 m,太阳高角为15°,当光学系统的焦距大于280 mm时,目标与背景之间的对比度为0.33。从理论上证明该系统方案是有效可行的。     

星载红外探测对比度的计算与分析

推导了星载红外探测在地面、大气双背景下探测器处的辐射照度对比度计算公式,计算了目标在不同温度、不同高度的目标与背景的绝对对比度和相对对比度。分析指出:随着目标温度、高度增加,在波长大于2.5 m 区域绝对对比度与相对对比度相应增大,目标高度越高,同等距离下对比度随目标高度的变化越小;波长小于2.5 m 需考虑太阳的影响;当目标在0 km 高度时,2.9~4.1 m 波段为最佳探测波段,随着目标高度的增加,可用探测波段范围增大,峰值波长向短波方向微移,当目标高度大于10 km 时,相对对比度峰值在2.6~2.8 m 之间;距离地面越近,大气对红外辐射的衰减越大。     

临近空间对地探测目标与背景红外特性研究

红外辐射特性是红外探测系统进行目标识别的主要依据。基于辐射传输原理,面向临近空间对地探测目标与背景的红外特性进行研究。利用全球大气廓线反映全球大气状况先验知识,设计了一套临近空间对地探测红外特性研究的辐射传输仿真方案。利用MODTRAN模型进行仿真,量化临近空间对地探测目标与背景的红外特性差异,分析传感器最优透过率波段以及红外辐射特性的影响因素。结果表明,大气透过率以及目标与背景的红外辐射差异随着临近空间传感器高度的增加而减小,且与大气状况密切相关;得出了传感器在3~14 μm范围内的最优透过率波段;季节、大气能见度与传感器观测角度对目标与背景的亮温差异造成的影响不可忽略。     

强吸收带卷云大气红外辐射特性研究

卷云大气的红外辐射特性是空间光电探测系统的重要背景辐射源。基于2.7 m和4.3 m波段的卷云粒子散射特性参数,建立了卷云大气辐射传输模型。在MODIS实测卷云和大气参数条件下,仿真计算得到大气层顶的红外辐射图像。各像元辐亮度的统计结果显示:在2.7 m带的平均辐亮度为1.832e-23.024e-2 W/（m2sr）,卷云像元平均辐亮度比晴空像元强433倍;各像元在4.3 m带的平均辐亮度为3.027e-22.99e-3 W/（m2sr）,像元最大辐亮度是最小值的2.37倍。     

平流层飞艇载雷达系统作战运用分析

临近空间的战略意义日益突出,临近空间飞行器研发也引起了各国的兴趣。类似于地基情报雷达系统可以实现对航空领域的探测一样,基于平流层的飞艇载雷达不仅对临近空间飞行器具有一定的探测能力,而且平流层飞艇载雷达系统还可以通过平台优势实现对低空领域的早期预警。文中通过对比分析平流层飞艇载雷达系统的作战优势,阐述了该雷达系统的几种作战运用方式,重点分析了对抗临近空间目标和低空突防目标的作战运用方法。     

基于系统对比度的目标探测谱段分析

天基平台下对飞机目标的探测具有距离远、目标信号能量弱的特点,需选择合理的谱段以得到较强的信号能量。本文通过建立系统对比度模型,从系统的角度分析对比度对探测谱段选择的影响,并结合目标和背景的辐射特性,对不同类型飞机在不同探测距离和探测角度下分析仿真,仿真结果表明:系统对比度可以有效选择探测的谱段,在不同波段处,系统对比度存在明显差异,且会随着探测距离和探测天顶角的增加而下降,但系统对比度的峰值不发生偏移,主要峰值点为4.15μm和4.4μm,较强对比度波段为4.09~4.19μm、4.3~4.5μm、8~9.2μm和10.5~12μm,上述波段比较适合用于飞机目标探测。     

天基红外系统对滑翔式高超目标探测性能分析

目前试飞成功的临近空间高超目标已经成为潜在威胁,对临近空间高超目标的预警探测成为新的研究方向。美国天基红外系统(SBIRS)是现阶段最完整最先进的天基预警系统。本文分析了助推滑翔式高超目标HTV-2的目标特性,以天基红外系统为研究对象,分析了其对高超目标全程探测性能,包括探测模式、探测覆盖性以及探测能力。     

天基红外动目标检测系统的仿真和评估

为了更有效评估红外探测系统的性能,评估系统的成像质量,根据动目标序列图像的检测原理,结合建模仿真技术,设计并开发了基于Matlab平台的天基红外动目标检测仿真系统,进行了实验仿真。该仿真系统以红外探测成像系统的图像作为输入,对图像进行灰度算法和信噪比分析,反映红外探测系统的成像质量,实现单帧检测以及多帧关联检测,输出检测率、虚警率和目标运动轨迹,并能够对检测算法进行评价。通过探测波段和空间分辨率的研究对天基红外探测系统的谱段选择、空间分辨率的设计有较强的工程应用指导价值。     

大气背景对红外目标探测的影响

针对大气背景是一个纵深背景而非一个平面,无法使用现有对比度计算公式计算的实际,基于红外焦平面探测器工作原理推导出了大气背景下探测器处辐射照度的对比度计算公式。通过对大气背景的红外辐射计算,并与报道的飞机红外辐射数据比较,应用对比度计算公式做分析可知:大气背景对探测的影响是必须考虑的;在3~5m大气窗口的大气背景辐射很小,选择3~5m大气窗口探测更容易发现目标;在8~12m大气窗口内10m附近的大气背景辐射较强,目标不易被探测。随着探测距离增加,探测器到无限远处的大气背景辐射亮度与探测器和目标之间的大气背景辐射亮度之差在减小,它会增大对比度,这是分析探测距离不可忽视的一个因素。     

空间目标红外成像特性建模与仿真

基于空间目标成像特性的几何模型,引入了区域分解、网格划分的思想,利用双向反射分布函数建立了空间目标红外光谱特性与成像特性的数学模型,给出了目标在探测器入瞳处及像面上的能量分布计算公式。基于目标和探测器的轨道参数,分析了空间目标的成像条件,给出了成像角度和成像尺度判断的数学依据。以风云一号卫星和伽利略卫星为例,根据目标的结构特性、材料特性、轨道特性等确定输入条件,计算获得了目标在探测器入瞳处的辐射照度及目标红外星等随时间的变化关系,同时获得了目标灰度图像随时间的变化特征。仿真结果验证了建模方法的正确性,实现了空间目标红外成像特性的动态模拟。     

一种可以兼顾远近距离的紧凑型武警用红外热像仪光学系统

本文设计了一种可以兼顾远近距离的紧凑型武警用红外热像仪光学系统,给出了一个设计实例,系统工作波段为8~12 μm,中心波长为10 μm,长焦距为150 mm,短焦距为50 mm,F数为1.1,可匹配像元数为384×288、像元大小为17 μm×17 μm的非制冷红外焦平面探测器。系统通过变倍组的轴向移动实现变焦,通过引入二元光学面和非球面减小成像系统体积,减轻重量,提高成像质量,设计结果表明,该热成像系统取得了良好的成像,可用于火灾消防救援、森林防火、夜间侦查、边防监控等工作。     

平流层飞艇载综合脉冲孔径雷达系统研究

常规战术预警系统主要用于对空探测,战略预警系统主要用于对天探测,空、天之间的临近空间探测几乎处于空白状态。为了解决临近空间目标探测问题,提出以平流层飞艇为平台将综合脉冲孔径雷达(SIAR)升空,建设平流层飞艇载综合脉冲孔径雷达系统。分析了综合脉冲孔径雷达升空的优势,进行了初步的系统设计。计算与仿真表明,平流层飞艇载综合脉冲孔径雷达系统不仅可以完成临近空间目标探测任务,而且还具有很好的低空、超低空目标探测能力。     

采用前置栅网滤波的天基红外成像点目标探测技术

天基红外成像预警大多属于点目标探测,如何在复杂背景及随机点噪声条件下实现点目标的有效探测和跟踪是天基红外预警技术重点研究内容。研究了新型前置栅网滤波热成像理论,分析了基于前置栅网滤波形成特定衍射斑对天基红外成像点目标探测的影响,利用Matlab对栅网的滤波效果进行了模拟仿真,所得仿真图像与实验图像的衍射强度分布具有较好的一致性;并在相同点目标能量条件下,对点目标及其前置栅网滤波衍射图案进行了人眼视觉探测实验,初步分析表明了其对于点目标探测和跟踪的有效性,为进一步研究和发展高性能的天基红外成像技术提供了一种新途径。     

MODTRAN5中不同光谱分辨率带模式对计算大气吸收带背景辐射的影响

大气吸收波段对于从卫星高度向下探测空间亮目标有特殊的优势,使用辐射传输模式MODTRAN5模拟计算了中红外大气吸收波段不同光谱分辨率100 km高度大气背景辐亮度的变化。将三个波段不同分辨率的结果平滑到统一分辨率进行对比表明：4.3 mm不同光谱分辨率相对误差最大可超过10%;其中0.2 cm-1光谱分辨率的计算结果与精确的逐线积分最为接近;3.2 mm与2.7 mm波段不同光谱分辨率的计算结果误差较小,其中2.7 mm波段最大误差小于5%。进一步将MODTRAN4和MODTRAN5的1 cm-1、5 cm-1光谱分辨率计算结果与逐线积分做了比较,表明使用MODTRAN5的低光谱分辨率计算4.3 mm波段的辐亮度可能产生较大误差。     

导弹主动段天基紫外探测像面照度建模与仿真

分析了导弹尾焰紫外辐射原理和能量传递方程,结合导弹主动段运动方程,建立了尾焰紫外辐射模型。考虑大气透过率和地球背景亮度的影响,得到导弹主动段尾焰紫外辐射与探测器像面辐照度关系。基于SBIRS-GEO 预警卫星的探测仿真,比较了不同探测波段下高、低弹道尾焰紫外辐射的像面辐照度变化。结果表明:紫外辐射在大气中的传输特性是影响像面辐照度变化的主要因素;相比于300~400 nm 波段,200~300 nm 波段可以提早发现目标、降低发现高度,更适宜作为探测波段。     

低温背景红外目标成像实验研究

模拟低温背景红外场景是完成空间目标探测系统半实物仿真测试的关键技术,但利用现有技术模拟太空低温背景存在一定的困难.使用高低温箱法建立了一种低温背景红外目标辐射特性试验系统,并对红外目标在不同背景温度下的成像情况进行了研究,最后获得了红外目标成像与背景辐射的关系.实验结果表明,对于具有一定温度的黑体目标,背景温度在一定范围内变化时,探测器接收到的图像几乎没有变化,而且正焦位置与离焦位置具有相同的规律.这一结论对于在红外半实物仿真中模拟更低温度背景的红外场景具有一定的参考意义.