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。     

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。     

红外点目标探测系统的作用距离理论模型分析

系统性地分析了红外点目标探测系统的作用距离理论模型。通过建立大气分层模型,结合MODTRAN模型计算了中波红外光和长波红外光在典型大气条件下的透过率。两者计算结果的对比数据可为红外探测系统设计中的波段选择提供参考依据。通过对目标红外辐射强度的理论模型进行分析,计算了几种典型目标在不同波段的红外辐射强度,为系统作用距离的指标论证提供了支撑。从红外图像噪声的概率密度分布函数出发,推导出了图像信噪比与系统检测概率及虚警概率的理论公式,为检测门限设置提供了参考依据。红外点目标探测系统的作用距离理论模型分析结果对于提升红外探测系统作用距离指标论证的可信度和系统参数设计的合理性具有非常重要的理论支撑作用。     

红外导引头对巡航导弹的探测距离研究

巡航导弹体积小和低空飞行的特点,使得其具有目标红外辐射强度小、地面背景干扰大以及低空大气对其红外辐射的透过率低的优点。为了准确计算红外导引头对巡航导弹的探测距离,文章对巡航导弹的红外辐射特性以及地面背景的红外辐射特性进行了分析,进一步建立了红外导引头对巡航导弹探测距离的计算模型。提出了利用图解法对作用距离方程进行解算的方法,提高了作用距离模型的计算准确度。利用所建模型计算了某中距离红外导引头对一种巡航导弹的探测距离。计算结果表明,导引头对该巡航导弹的探测距离远小于对常规空中目标的探测距离,尤其在8μm～12μm波段,迎头方向无法探测。     

天基平台海云背景下飞机全链路成像特征建模及分析

空中目标具有高速机动、战略突防和远程精确打击等特点,针对这类目标构建广域、高效、精准探测、连续监视技术已成为空中目标探测体系面临的新挑战。基于空中目标的天基光学探测需求,建立了复杂环境要素综合作用飞机尾焰的光学辐射特征模型,形成飞机尾焰-海面/云层背景-环境大气-光学系统-成像探测器等要素耦合的全数字化链路光谱辐射成像特征精确预测模型。基于实测数据推演了飞机尾焰红外多光谱本征辐射。同时,利用FY-2G遥感数据,反演了中国南海某海域海面温度及云顶温度分布,建立了海云背景光谱辐射模型。在此基础上综合考虑了背景辐射、大气路径辐射和大气衰减对飞机尾焰光谱辐射的影响,建立了在光学系统入瞳前目标上行光谱辐射特性模型,结合光学成像系统的衍射效应,探讨了不同谱段、云类型下地球同步轨道红外成像系统对目标的可探测性。研究表明:大气屏蔽波段对目标的探测效能优于宽波段;针对不同的背景选择合理的探测波段有利于目标的高效探测。     

临近空间高超声速导弹红外特性研究

研究临近空间高超声速导弹的红外辐射特性,对于反临近空间武器系统侦察监视临近空间目标具有重要意义。通过对临近空间高超声速导弹X-51A试验飞行过程的研究,深入分析了高超声速导弹的红外辐射特征,并建立其红外辐射模型。以导弹蒙皮、发动机及尾喷焰作为高超声速导弹的主要红外辐射源,以X-51A试验飞行器为参考,计算临近空间高超声速导弹在3~5μm和8~14μm波段在不同方向上的红外辐射强度,并针对计算结果进行了分析。     

F22尾焰红外辐射特性及探测仿真研究

针对隐身飞机F22尾焰红外辐射特性,研究了临近空间平台对其进行红外探测的可行性。通过对F22尾喷管及其尾焰气体进行建模和仿真,采用谱带模型C-G近似法将非均匀气体化分成390个小气柱以近似成均匀气体进行处理,计算F22尾焰在不同探测视角下的红外辐射强度。在此基础上,考虑大气透过率和遮挡因素的影响,计算出了临近空间平台对F-22尾焰的理论可探测距离能达到100 km以上。该研究为利用临近空间探测平台对F22的探测提供了参考。     

中波红外和长波红外探测系统性能的比较与选择

针对常用的各种中波和长波红外探测系统,从探测器特性、目标辐射特性、背景辐射特性、大气传输特性和红外系统设计等方面,分析、计算和比较了中波红外和长波红外探测系统的有关性能,提供了有实用价值的数据。根据不同的探测目标和使用环境,为红外探测系统的设计提出了波段选择的建议。     

空中目标夜间不同方位长波红外辐射特性分析

针对试验和训练中靶机实装模拟、建模仿真需求,需在外场动态测试靶机飞行状态下红外辐射特性,该测量结果置信度较高。本文通过对红外成像测量设备定标,计算路径辐射和透过率,亮度反演的方法获得了靶机夜间不同方位辐射强度分布,测量误差约为21.24%。分析测量结果,但当靶机相对测量设备绕飞时,靶机不同方位辐射强度基本一致;靶机在一定距离外无法探测长波尾焰辐射,在靶机模拟和建模中需合理考虑尾焰辐射。该距离下靶机目标/背景灰度对比度约为人眼响应阈值的2倍,人工侦察探测识别较为困难,在靶机外场模拟时需注意对比度对试验探测识别结果的影响。本文可为靶机特性建模、外场模拟应用和测量设备研制提供支撑。     

临近空间高超声速飞行器红外辐射特性分析

为了对临近空间高超声速飞行器进行有效探测和预警,以X-51A为例,计算火箭助推段、超燃发动机工作段和无动力滑翔段、飞行器蒙皮、喷管和尾焰的双波段红外辐射特性。红外辐射计算的关键在于温度和有效辐射面积的确定。根据修正Lees驻点热流密度方法和辐射平衡时的辐射传热公式,计算出蒙皮的温度。用加力燃烧的涡喷发动机模型近似计算喷管的温度。把导弹尾焰温度分布场模型进行三段式简化,模拟出尾焰的红外辐射特性。仿真结果表明,在X-51A的不同飞行阶段,从不同探测角度观察到的各辐射部位对总体红外辐射贡献率差异较大;速度对蒙皮的红外辐射影响较大,而喷管和尾焰的红外辐射与火箭和超燃冲压发动机的燃烧状态有关。分析指出,当高超声速飞行器飞行姿态发生变化,或者在不同的飞行阶段,更适合采用双波段进行探测。     

某喷气发动机尾焰的中长波红外辐射分析和比较

利用中波红外和长波红外热像仪对某型 喷气飞机发动机尾焰的红外辐射特性进行了测量,得到了3～5 μm 和8～12 μm波段的尾焰辐射亮度分布。结果表明,从飞机 尾向上观测到的中波红外和长波红外尾焰均成对称分布,前者的最高辐射亮 度和尾焰面积分别是后者的4.6倍和2.1倍;从飞机侧向上观测到的 中波红外尾焰的最高辐射亮度、尾焰长度和面积分别是长波红外尾焰 的2.2倍、3.8倍和5.7倍,前者的优势非常明显。另外,受高温尾焰加热的影响,尾 焰周围空气的温度明显上升,使其辐 射亮度高于其他背景的辐射亮度。本文获得的测量结果对尾焰红外辐射特性仿 真和计算研究具有一定的参考价值。     

基于红外特性的弹道导弹助推段预警探测能力仿真

针对弹道导弹助推段的主要红外辐射特征,分析了尾焰羽流的结构、形状、大小和持续时间,以及大气对红外探测的影响;根据预警卫星探测器最大作用距离模型及信噪比（SNR）,结合给定参数对预警卫星探测器技、战术指标进行了仿真,给出了提高弹道导弹探测能力的方法。     

导弹尾焰流场特性建模与仿真

导弹尾焰流场计算为尾焰红外辐射场计算提供基础数据。基于导弹尾焰流场的形成机理研究,根据燃烧理论、流体力学、气体动力学,考虑燃烧室内的燃烧化学反应建立尾焰流场计算的参数模型,结合Gambit 和Fluent 仿真软件计算获得速度、温度和压力等流场参数。在Fluent 中进行了2 000 次以上的迭代仿真运算得到了迭代残差小于1e-5的计算结果。速度场和压力场经对比分析均符合实际情况,温度场的计算误差为2%。结果表明:该计算方法可以客观描述尾焰流场的主要特征,快速仿真获得特定条件下的流场数据,为导弹尾焰红外特性的计算提供输入参数,提高尾焰的计算精度、节省尾焰的仿真时间。     

飞行器尾焰红外辐射及其被动测距

旨在研究利用飞行器的尾焰辐射对飞行器进行被动测距。导弹和飞机发动机的排气系统是飞机在3~5 m波段的主要红外辐射源。建模计算了矩形喷管尾焰红外辐射特性,计算结果表明,不管观察方向如何,尾焰红外辐射强度色比是相同的。当辐射强度色比在大气中传输时,因为吸收和散射而被衰减,不同波长上红外辐射衰减幅度不同,辐射强度色比随着传输距离的改变而发生变化,色比包含了目标的距离信息。推导了目标尾焰色比与尾焰温度、辐射传输距离、大气消光系数之间的关系。计算了尾焰色比与尾焰温度的关系,推导出了红外三色比距离方程组,选取4.5、4.6、4.7 m三个波长对三色被动测距进行了研究。利用测距方程组画出了测距图。结果表明,利用该方法可对尾焰进行三色测距。     

二元矩形喷管排气系统红外辐射特性

排气系统是飞行器最为主要的红外辐射源,而喷管的形状类型在很大程度上影响着排气系统红外辐射强度的大小及分布。文章建立了二元矩形喷管的三维模型,并在此基础上运用ANSYS软件模拟其排气系统的温度场分布,结合C-G谱带法对其尾流的光谱辐射亮度进行了计算,最后得到了二元矩形喷管排气系统在不同平面上的红外辐射强度分布。结果表明:二元矩形喷管外尾流在宽边探测面上的红外辐射强度要远大于窄边探测面上的;二元矩形喷管高温壁面在宽边探测面上的红外辐射强度要小于窄边探测面上的;二元矩形喷管排气系统在宽边探测面上的红外辐射强度要小于窄边探测面上的。     

舰载红外系统对反舰导弹探测能力的计算模型

通过分析反舰导弹的红外辐射特征,给出了不同气象条件和传输路径上红外大气传输的衰减方程,然后给出舰载红外系统对反舰导弹红外探测能力的计算模型.在模型的求导过程中,考虑了光机扫描型和凝视型两种红外系统的不同,结合影响探测能力的多种因素,进一步完善了光机扫描型和凝视型红外系统的作用距离方程和目标发现概率计算模型,可对不同气象...     

红外预警卫星直视地表波段选择及探测能力

建立了红外预警卫星直视地表（See-To-Ground,STG）波段探测能力计算模型,并仿真研究了STG最佳探测波段范围以及该波段在导弹预警中可能具备的能力。首先建立了固体、液体导弹尾焰红外辐射模型、地球/大气环境特性模型、点目标辐射通量表观对比度模型、预警卫星系统噪声模型和最低探测高度模型;其次,利用上述模型分析了固体和液体导弹尾焰的表观对比光谱分布规律,认为将STG波段选定为2.86~3.0 m最具合理性;然后,通过分析液体和固体导弹尾焰在该波段的表观对比度光谱随高度的变化规律,初步探讨了STG波段的导弹探测能力;最后,通过分析不同条件下预警卫星对导弹的首次探测高度,系统研究了SBIRS-GEO预警卫星在STG波段的探测能力。研究结果表明:STG波段对固体导弹则具有较强的早期预警能力,而对液体导弹的早期预警能力则相对较弱。     

红外系统自身热辐射导致的分布式探测距离变化分析

探测距离是红外系统应用的重要评价指标,随着制冷型红外探测器的发展,红外系统自身热辐射已成为探测距离提升的重要限制性因素,冷光学设计是抑制自身热辐射的必然选择,因此对冷光学制冷温度指标进行评估和优化成为红外系统设计分析的新问题。文中从红外系统自身热辐射和经典探测距离理论出发,推导了包含系统噪声项的红外系统探测距离计算公式,提出了分布式探测距离的分析方法。以透射式光学系统为例,进行了影响因素灵敏度分析。通过对探测器焦平面进行分区域数据处理,得到了对应探测距离的主要影响表面。在此基础上,分析了在对主要影响表面进行低温处理前后(293.15 K制冷到173.15 K)探测距离的变化。结果表明,探测距离最大提升量达到43.32%,提升效果显著。该方法可为红外系统冷光学设计和评估提供参考。