三波段大气传输红外偏振特性对比分析

偏振成像系统利用目标和背景偏振度上的差异,有效地提高了人造或伪装目标的探测识别效率。但红外目标的偏振传输是一个复杂的过程,受大气的影响较大,因此,有必要对不同目标的偏振特性和其影响因素以及大气作用的影响（包括大气吸收、辐射及悬浮粒子散射等）进行研究。进一步推导了红外偏振辐射控制方程;基于对目标和背景偏振特性的先验知识,利用大气传输计算软件MODTRAN对3个典型红外波段的大气吸收及程辐射进行计算;并对大气传输后的目标辐射偏振度对比度和强度对比度进行仿真。结果表明:在短波红外波段,目标的反射成分占主导地位;在中波红外波段,目标的自发辐射和反射均不可忽略;在长波红外波段,目标的辐射占主导地位,利用偏振成像效果优于强度成像。结果与理论分析基本一致。研究内容为红外波段目标的探测方式选择提供了参考依据。     

基于机载IRST系统的高超音速飞行器红外探测研究

针对高超音速飞行器不同于低速飞行器的红外辐射特性,提出了机载IRST系统红外探测高超音速飞行器的建模方法。重点利用高温边界层传热理论建立了高超音速飞行器蒙皮辐射特性模型,分析了排气系统和环境背景辐射特性,根据不同高度下大气层结构分布对红外辐射传输的影响,建立了大气斜程透过率模型,提高了透过率计算的准确性;考虑环境背景辐射的影响,给出了IRST系统对高超音速飞行器的作用距离模型。最后通过仿真实验分析了不同季节、高度和目标仰角下大气透过率特点,分析了不同仰角、速度和波段等因素下探测器对高超音速目标红外作用距离的影响,结论论证了所建模型的实效性。     

根据大气辐射特征进行目标探测的波段选择

介绍了通过大气光谱特征分析对大气层外目标进行探测的波段选择方法。在考虑目标本身辐射强度、背景大气的辐射强度、目标背景对比度、斜程大气透过率以及探测器的响应特性诸因素后进行波段选择。从而提高对目标的鉴别性能。选择中纬度夏季白天、无云城市气溶胶模式、春夏季气溶胶廓线以及背景平流层廓线和消光的大气条件，利用辐射传输计算软件MODTRAN计算了目标背景亮度、对比度以及透过率的典型光谱特征，并进行光谱特征分析，然后在其他大气模式下对所选波段进行了验证，从而选择出目标探测的最优波段。     

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MODTRAN的红外系统对巡航导弹探测距离的估算

基于最小可分辨对比度准则,研究了在考虑背景环境下机载红外成像系统对目标最大探测距离的计算方法.分析了红外目标在3～5μm与8～12μm两个波段上的红外辐射特征和背景辐射、大气透过率等因素对探测距离的影响,给出了探测距离的推导公式.最后用MODTRAN软件对大气透过率进行了模拟计算,得到了波数间隔为1cm-的光谱大气透过率数据.计算了各微小波长区间内辐射到探测器上的辐照度.考虑到大气透过率与距离的关系,取消了传统算法中用常数或者拟合函数来代替大气透过率的方法.以巡航导弹为例,对红外系统探测距离进行了数值计算.仿真结果表明,该计算方法具有可行性.     

红外探测器对高超声速飞行器的作用距离分析

为了对临近空间高超声速飞行器进行有效探测预警,计算天基红外探测器的作用距离。首先分析不同的对比度的区别,根据探测几何关系,考虑到目标、背景到探测器之间的大气透过率差异、路径辐射的影响,构建了基于表观对比度的作用距离模型,给出了逐步逼近的求解流程,同时指出模型中的参数仅是波长的函数,与探测距离无关。然后根据实际的飞行器和海洋背景,对天基红外探测器的作用距离进行仿真计算,仿真指出,侧视探测方向下可以取的最大的作用距离;相同速度和探测方向下,中波波段的作用距离均高于长波波段;随着飞行速度的增加,中波波段作用距离的增加量要大于长波波段。     

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。     

大气对红外偏振成像系统的影响

红外偏振成像系统探测的是某个特定偏振方向上的目标和背景辐射强度,有必要对不同目标的偏振特性及偏振辐射大气传输进行研究。首先采用双向反射分布函数对反射辐射偏振特性进行了分析,推导出了反射辐射偏振度的一般表达式。根据表达式模拟了目标的物理特征对反射偏振特性的影响。随后利用MODTRAN软件在典型大气条件下对红外波段的大气吸收以及程辐射进行了建模和计算。大气中的悬浮颗粒对目标的红外辐射进行散射,场景的偏振度随传输距离衰减。对目标反射辐射偏振特性的仿真结果与实测数据基本吻合,验证了理论的正确性。考虑大气对偏振辐射传输的影响使得计算结果更加合理和准确。     

弹道导弹中段红外辐射特性数学建模与仿真

针对TBM中段的弹道特性,根据热平衡理论建立了TBM在中段的温度计算模型,然后根据普朗克定律建立了目标红外辐射计算模型;在红外辐射的大气传输理论基础上,综合考虑大气吸收、散射及气象条件等各种因素,分析了大气衰减对红外辐射的影响建立了大气透过率的计算模型,得到了大气衰减作用下的目标辐射模型;最后,在假定的仿真条件下,利用模型计算了两种波段下目标红外辐射强度、大气光谱透过率以及经过大气衰减后的红外辐射强度,并对计算结果进行了分析,结果表明,这是一种计算TBM中段红外辐射的有效方法.     

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。     

装甲车辆与地面背景的热交互作用及红外仿真

为了全面揭示装甲车辆与地面背景之间热交互作用对地面背景温度以及红外辐射特性的影响,建立了装甲车辆和地面背景的温度和红外辐射特性的模型,重点考虑了装甲车辆与地面之间的传热。通过对地面和履带相关力学关系的引入,建立运动车辆和地面之间热学以及力学的模型,采用了动网格方法对车辆目标在运动后对地面所产生的沉陷现象及在地面上留下的热痕迹进行模拟仿真。基于红外辐射理论,综合考虑自身辐射、反射辐射以及大气传输特性,计算了车辆在3种不同状态下与地面背景之间的热交互作用及红外辐射特征分布,并比较了模拟温度与实验测量温度的误差,验证了模型的精度。仿真结果表明:该方法对地面目标的隐身设计和隐身技术评估具有十分重要的意义。     

短波红外吸收带林火与背景辐射亮度比较分析

对于短波红外吸收带图像高温目标特征的研究有利于提高红外目标的识别率。短波红外吸收通道可探测的地面高温目标辐射特征除了与目标温度有关,还受到大气参数状况、遥感器参数设置等影响。采用仿真分析方法,较为系统地获得了不同大气条件下林火目标与地面背景辐射数据,分析了二者的特征差异,并仿真分析了波段带宽设置对仪器接收到的辐射能量的影响。研究表明仪器带宽设置对高温目标的探测信噪比起决定作用,其次,大气模式设置不同,在短波红外水体吸收通道,林火与背景的辐射亮度特征差异显著不同。地面背景入瞳处总辐射在4.3 um附近吸收带主要受程辐射影响,在2.7 um附近吸收带主要受水汽含量影响。     

大气流场传输效应对探测系统性能的影响

分析了目标与背景的红外辐射特性,建立了目标与背景辐射温差传递数学模型,研究了大气对红外辐射传输的影响,分别考察了水蒸气、二氧化碳的吸收和大气散射对红外辐射传输的影响;计算了探测系统的主要性能评价参数:调制传递函数、最小可分辨温差和视距,并通过仿真得到了探测系统对目标所成的失真目标图像。研究结果表明,大气流场传输效应会使得探测系统对目标的成像发生像模糊,导致目标与背景之间的对比度下降。     

中波红外隐身目标光谱探测的谱带选择方法

针对采用各种隐身技术的红外目标与周围背景之间的辐射差异不明显,导致探测困难这一问题,利用目标和背景在窄波带内的辐射特征具有较大差异这一特性,建立了基于红外光谱探测的谱带内红外辐射对比度的研究。通过对红外辐射相对对比度以及绝对对比度的分析,综合大气条件在整个传输过程中的影响,结合理论计算以及实验分析确定出用于红外隐身目标探测的最优谱带为2.86～3.30m和4.17～4.55m两个窄波带。实验结果表明:在所选取的用于谱带探测的窄波带能够很好的消除背景红外辐射的影响,以此突出目标辐射,具有良好的可探测性。     

近空间高速流场环境小目标探测分析与试验

随着空间安全与应用探索的不断深入,近空间飞行器目标探测效能成为研究的核心问题。光学成像探测能够直观反映目标的形态、光谱与运动特性等多维度信息,因此成为空间探测感知的重要手段。在近空间大气密度、气压、对流等条件作用下,导致高速飞行器光学探测设备成像质量与探测性能衰减。采用以成像系统、大气传输系统和目标背景系统为要素的目标探测分析模型,根据气动光学效应理论,建立高速流场气动光学效应评价方程,对深空、近地等典型应用场景进行成像探测分析。设计了高速流场环境下目标探测地面验证试验,仿真测试结果表明,针对空间高速飞行目标,采用900~1 700 nm谱段短波红外探测器配合厚度10 mm以上石英窗口,对尾焰目标辐射具有良好观测效果;通过降低探测设备曝光时间、优化曝光控制策略及选用光学带通滤光片等方式,能够有效抑制背景杂光与气动光学效应影响。     

地基红外系统探测空间目标红外星等的分析

地基红外系统探测空间目标的能力与目标辐射特性、背景辐射特性、大气条件、红外光学系统性能、探测器特性等因素密切相关。分析了空间目标在外太空背景下的红外辐射特性,基于满足红外焦平面探测器的最低可探测信噪比,综合考虑空间点目标成像的弥散斑、背景辐射和大气衰减的影响,推导了地基红外探测系统对空间点目标的作用距离估算方程。红外星等用来计算星体在红外波段的亮度,讨论了用红外星等划分空间目标的方法和原理。根据中波和长波计算红外星等的公式,给出了不同温度的空间目标与对应的红外星等的关系。为地基红外探测系统的设计和应用以及探测不同红外星等空间目标的综合性能评价提供了理论依据。     

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。     

大气透明率对地面目标红外特性的影响研究

大气状况是影响地面目标红外特性的一个重要因素,在对影响目标表面温度环境因素分析的基础上,重点讨论了大气透明率对目标表面温度的影响,同时简单讨论了大气对红外辐射的衰减,最后把两者结合起来,讨论了大气透明率对目标红外辐射特性的综合影响。结果表明,虽然大气透明率的提高可能会造成目标白天表面温度的降低,但是由于大气对红外辐射的衰减作用,总的效果还是大气透明率越高,目标到达太空红外探测器上的辐射亮度越大。     

对光学侦察卫星的地面探测模型与试验研究

在空间光电对抗领域,地面光电跟踪设备对卫星的实时在轨跟踪是实施干扰对抗的前提,光学侦查卫星多运行在太阳同步轨道上。首先,根据光学侦查卫星对地观测多为垂直下视或者侧摆下视,以及地面光电干扰设备必须位于光学侦查卫星视场内的特点,经独立数学推导,获得了卫星与地面设备相互位置关系的数学模型,包括地面光电设备对光学侦查卫星的观测距离和观测角度的数学表达式;其次,根据卫星星体及其太阳能电池板的辐射散射特性,以及地球大气环境和地物背景的可见光散射传输特性,推导获得了星体及观测路径的散射辐射传输数学模型,以及地面光电设备探测器靶面目标与背景光辐射照度的数学表达式;最后,根据侦查卫星散射辐射的大气闪烁特性,应用概率统计理论与工程经验分析,指出影响探测概率的决定因素为大气闪烁引起的目标背景对比度变化,据此提出了一种新的地面光电设备对光学侦查卫星的探测概率模型。经实测试验数据验证,文中模型的计算结果与实际测量数据的吻合度较高。