激波辐射对红外成像探测影响的抑制方法研究

带有红外成像系统的大气层内高速飞行器的头罩窗口外激波的热辐射将降低系统的探测性能。采用单线组模型描述激波的辐射特性。由于激波辐射相对成像系统是近场辐射,建立相应的模型,计算了激波辐射在探测器阵列上产生的光子辐射照度,还计算了激波对目标辐射的吸收特性。得到了如下的计算结果:激波辐射在探测器阵列上产生的背景辐射可以近似为均匀的背景辐射;激波对目标辐射的吸收可以忽略;激波辐射具有强烈的光谱选择性。根据激波的这些辐射性质,在成像系统中通过分别选用不同的带通滤光片,不改变成像系统工作波段的波长宽度,而仅改变其位置,可以减小激波辐射对目标探测的影响,提高探测的信噪比。     

激波辐射对红外成像探测影响的抑制方法

带有红外成像系统的大气层内高速飞行器的头罩窗口外激波的热辐射将降低系统的探测性能。采用单线组模型描述激波的辐射特性。由于激波辐射相对成像系统是近场辐射,建立相应的模型,计算了激波辐射在探测器阵列上产生的光子辐射照度;还计算了激波对目标辐射的吸收特性。得到了如下的计算结果:激波辐射在探测器阵列上产生的背景辐射可以近似为均匀的背景辐射;激波对目标辐射的吸收可以忽略;激波辐射具有强烈的光谱选择性。根据激波的这些辐射性质,在成像系统中通过分别选用不同的带通滤光片,不改变成像系统工作波段的波长宽度,而仅改变其位置,可以减小激波辐射对目标探测的影响,提高探测的信噪比。     

红外成像制导中的气动热辐射效应机理

高速导弹光学窗口外存在激波层,为高度不均匀的高温气体介质。其热辐射效应使红外探测设备获得的红外遥感图像存在退化和畸变。通过对分子热运动的计算,分析高温气体分子、原子辐射吸收系数,将流场数据有限元处理,实现灰气体总体模型与逐线计算方法的改进结合;通过对气体介质求解辐射传递方程,基于离散传递法的思想,推衍出激波层的热辐射强度计算模型;结合光线传输模型寻找导引头探测口径内的视线路径,解析大气热辐射机理,发展激波层热辐射数值计算方法,两种定量计算模型互为比较验证。研究得出激波层热辐射噪声与来流参数之间的关系,并给出了经验公式。     

类THAAD导引头气动光学效应计算研究

针对类美国末段高空域防御(Terminal High Altitude Area Defense, THAAD)系统的红外导引头外形,开展了气动光学效应计算分析,并将其用于飞行器设计。利用国家数值风洞工程高速流场计算软件NNW -HyFLOW,考虑热化学非平衡效应和材料传热耦合效应,对导引头典型状态的流场进行了模拟,获得了流场的密度、温度、压力等参数和窗口的温度场参数。基于流场参数,利用HyFLOW气动光学传输效应计算功能,开展了红外光学传输成像计算;利用HyFLOW气动光学辐射效应计算模块,开展了流场和光学窗口的热辐射计算。计算结果表明,类THAAD导引头在30 km以上飞行时,流场和光学窗口基本不会影响目标信号的光学传输成像,但流场和窗口的热辐射效应会对导引头识别目标造成影响。不过随着飞行高度的升高,这种影响会减小。     

高超声速拦截弹绕流红外辐射特性数值模拟

研究拦截弹绕流红外辐射特性对红外导引头设计具有重要意义。基于求解化学非平衡Navier-Stokes方程的方法,对高超声速拦截弹化学反应绕流进行数值模拟。在此基础上,基于谱带辐射模型,对拦截弹侧面的光学窗口附近流场在0.8~20 m波段的光谱辐射特性进行数值计算,分析窗口附近流场红外光谱辐射随飞行参数的变化特征和规律。研究表明:拦截弹窗口流场光谱辐射主要来源于CO2和NO分子的振动-转动谱带;飞行马赫数一定,窗口流场光谱辐射沿飞行高度的变化规律主要由流场中气体分子的数密度分布主导;飞行高度一定,窗口流场光谱辐射随飞行马赫数的变化规律主要由流场温度控制,随着飞行马赫数增大,流场中NO分子的光谱辐射效应增强。     

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。     

红外气动光学效应研究进展与思考（特邀）

红外成像探测技术是精确制导的重要手段,随着导弹武器向超音速、高超音速方向发展,红外成像探测装置的工作环境更为恶劣。高速飞行条件下恶劣的气动力热环境使红外窗口的结构安全面临极大挑战,激波、窗口等高温辐射源的辐射干扰严重影响红外探测能力,流场和窗口的传输效应降低了探测制导精度。气动光学效应是高速红外探测与传统红外探测的本质的区别,也是决定红外探测应用于高速导弹可行性的关键因素。文中主要介绍了高速红外成像探测的气动力热效应、热辐射效应和传输效应及其影响,阐述了气动光学效应在机理研究、试验研究、数值模拟和抑制校正技术方面的进展,最后给出了高速红外探测气动光学效应研究的思考与建议。     

梯度温度气体介质的热辐射传递特性研究

高速导弹光学窗口外存在激波层,为高度不均匀的梯度温度气体介质,针对其中的热辐射传递开展一种有效数值求解方法研究.基于离散传递法的思想,利用光线传输模型寻找导引头探测口径内的视线路径,推衍出激波层的热辐射强度计算模型,并研究此模型所得激波层热辐射噪声与来流参数之间的关系,给出经验公式,结果表明,对于3 ～8 μm红外波段...     

高超声速飞行器热喷高温燃气红外辐射特性数值模拟

喷流反作用控制系统（Reaction Control System, RCS）热喷高温燃气辐射效应对飞行器光学探测跟踪具有重要影响。基于谱带辐射模型,通过求解带化学反应源项的三维Navier-Stokes方程和辐射传输方程,对高超声速飞行器喷流反作用控制系统热喷干扰流场及其红外辐射特性进行了数值模拟,分析了二次燃烧效应、不同飞行条件以及不同观测角度对流场红外辐射特性的影响。研究表明:典型状态喷流辐射计算与实验测量结果一致,流场与红外辐射数值方法具有较好的适应性;飞行器RCS工作所形成热喷干扰流场的红外辐射,主要由喷流燃气中的CO₂和H₂O组分贡献,其中CO₂对辐射的贡献更大,流场中二次燃烧效应对流场辐射强度有显著影响,在20 km高度下可使流场辐射强度提高一倍以上;随着马赫数/高度的增加,流场辐射强度均呈现先略有减小,后增大的趋势,随着高度增加,二次燃烧效应对流场辐射强度的影响明显减弱;由飞行器RCS工作引起的辐射增量十分显著,俯视观测以及3~5 μm波段的目标辐射强度最大。文中的研究结果可为飞行器探测跟踪提供参考。     

飞机红外辐射计算及图像仿真

针对红外对抗与空战仿真的研究需要,对空中飞机红外图像的生成方法进行研究。从红外探测器的成像机理出发,建立了一种空中飞机红外成像仿真模型。首先分别建立机体与尾焰流场计算域的几何模型,并通过Fluent软件计算得到机体与尾焰的温度场,计算中重点考虑了外部热环境与舱内传热对机体温度场的影响;然后建立视线方程与亮度矩阵,计算探测器每个像素点接收的红外辐射亮度大小,经过灰度量化将辐射亮度值转化成灰度级别;最后通过VC++与OpenGL编程生成了飞机的红外灰度图像,并对比分析了不同波段、不同方位下飞机红外图像及红外辐射强度的差异。研究成果可为红外成像导弹的目标识别研究提供目标源。     

晴空背景下地基红外告警系统作用距离

作用距离是红外告警系统的重要参数指标,其大小由告警系统、目标和背景等的特点决定。对晴空背景下红外告警系统的作用距离进行了研究,充分考虑了大气传输和大气辐射的特点,建立了作用距离的理论计算模型,结合计算模型和典型数据,针对面目标和点目标两种情况,计算了不同目标高度和不同目标高度角时大气对作用距离的影响。结果表明:在目标飞行高度一定时,只有当目标高度角大于一定角度时目标才可能被探测,该角度随目标的飞行高度增大而减小。     

低信噪比下两种点目标检测算法的研究

红外图像中点目标检测技术是近年来信息处理研究的热点和难点之一。当红外图像传感器和目标之间距离很远时,目标在焦平面上成像面积很小,一般不超过探测器像元的大小,因此目标在图像中表现为点目标,且信噪比极低,目标被噪声（杂波）所淹没,给目标的检测带来了极大的困难。这一领域,前人已经进行了大量的研究工作,并提出了一些检测算法。文中也研究设计了两种红外图像点目标检测算法,并对其进行了计算机仿真实验和分析,结果表明这两种算法具有较好的检测能力。     

天基光学遥感成像仿真中大气影响分析与模拟

模拟大气对成像的影响是天基光学遥感成像仿真中一项非常重要的工作。首先针对工作于可见光到热红外波段（0.4～14 m）的天基光学遥感成像系统,引入了考虑场景内部目标与背景之间相互影响的遥感器入瞳处的辐射方程,并基于线性模型模拟了邻近效应。设计了计算大气透过率、上涌辐射和下涌辐射的大气查找表,分析了水汽含量、气象视距、目标高度、太阳-遥感器-目标之间的位置关系对大气辐射计算的影响,为查找表输入参数的选择提供依据。最后,通过长曝光和短曝光图像的调制传递函数,分析了光学湍流对天基光学遥感成像的影响。     

Atmospheric effects on Landsat TM thermal IR data

The components of atmospherically attenuated target radiance and the path radiance emitted by the atmosphere are calculated to explain the fact that for certain meteorological conditions, properly calibrated thermal IR (infrared) data gathered from aircraft and spacecraft altitudes provide accurate temperature measurements of surface water bodies even when atmospheric corrections are not applied. Results show that although the 8-14-μm atmospheric window is far from being transparent (<50% transmission), the amount of atmospheric path radiance may be equal to the amount of attenuated target radiance. Errors in remotely sensed temperatures introduced by atmospheric effects are shown to be smaller than or of the same order of magnitude as those errors caused by sensor noise and the effects of applying a cubic convolution during the process of converting the TM (Thematic Mapper) data from A-tape to geometrically corrected P-tape data format     

机载光电设备对高空气球的光谱可见性分析

对高空气球与机载探测器所处环境特性进行分析,利用MODTRAN大气传输模型计算了相同时刻下不同探测点的背景噪声强度,和不同时刻下目标处的背景光亮度,采用反向蒙特卡罗法计算出空基探测点处接收到的高空气球的散射亮度,计算出探测数据的信噪比,并就目标的光谱可见性进行了分析。计算表明,机载探测时,当目标位置与探测高度固定的情况下,探测夹角越小,目标的太阳天顶角越大,则探测信噪比越高,越容易满足探测仪器的阈值并有利于探测谱段的选择。     

基于隔帧差分向量无穷范数的运动弱小目标的检测

提出了运用隔帧差分向量无穷范数检测红外图像序列中运动弱小目标一种新算法。 算法以隔帧差分为基础,该处理系统不仅能够探测到帧间位移不小于1个像元的点目标,而且可以探测到帧间位移小于1个像元而多帧累积位移大于1个像元的运动点目标,使算法探测与识别目标的能力大大提高,为不同速度多目标的检测提供了新的可能。仿真实验结果表明,该算法具有较高的检测率和良好的实时特性,能有效地检测出低信比红外图像序列中的弱小运动目标。     

基于红外辐射特性的单波段红外图像被动测距

以单波段红外图像被动测距为研究背景,首先分析了凝视型红外探测系统的工作原理,将其工作过程分为入瞳前和入瞳后两个不同的阶段,其中第一阶段与目标距离相关,而第二阶段则决定于红外探测系统本身的传递函数,而后对图像像素灰度与入瞳处辐亮度之间的关系进行了表述;然后针对点目标与面目标的成像特点,分别计算了相应的目标与背景的入瞳处幅亮度差,得出:两者的红外辐射特性存在一致性.基于短时间内目标近似匀速运动的假设,推导了单波段红外图像被动测距方法.最后利用外场实测中长波红外图像对该算法进行了验证,并对测距结果和测距误差进行了详细分析.     

红外点目标作用距离数学建模与评估

在红外探测系统总体方案设计中,为了能够快速而准确地了解众多参数对性能指标的影响,针对其重要参数作用距离进行了研究。首先分析目标与背景的对比辐射强度在像面上产生的电子数,其中考虑了滤光片的光谱透过特性和点扩散函数与像元的相对位置对系统能量集中度的影响;然后基于红外光学系统成像链路物理特性,定量研究红外光电系统的时域噪声和空域噪声在像面上的辐照度。基于图像目标信噪比检测判据给出了综合各种噪声条件下针对红外点目标的作用距离计算方程。最后,以航空平台上一套中波红外凝视探测设备为例来进行作用距离的计算和分析。通过示例验证了作用距离计算方程简单可行,可针对不同条件、地域对红外成像系统作用距离进行预估。作用距离计算方程可以帮助使用者在设计初期阶段确定不同参数对红外探测装置性能的影响。     

Relationship between dipole parameter estimation errors andmeasurement conditions in magnetoencephalography

In this study, a model in a computer simulation uses a single current dipole in a spherical homogeneous medium. Dipole parameters are estimated using a moving dipole procedure. Signal-to-noise ratio (SNR) is defined as the square-root of the ratio of the average signal power to the average noise power over all measurement points. At SNR>20, accurate estimation can be carried out independently of dipole depth and coil size. At SNR<20, dipole depth influences estimation error. When the dipole is located near the center of the sphere, the measurement region should include both extrema of the magnetic field to minimize estimation error. However, when the dipole is not so deep, the position of the measurement region does not influence estimation error. When SNR<4, estimation error increases as coil size increases. Coil size minimizing estimation error is determined by the ratio of environmental magnetic field noise to electrical noise. For a constant size of measurement region, increasing the number of measurement points decreases estimation error to a certain level. This error level depends on SNR