临近空间高超声速飞行器红外特性建模仿真

本文针对临近空间高超声速飞行器的红外特性进行建模仿真与分析.以美国X-51A的飞行器模型为例,综合考虑目标的运动状态、大气环境等的影响作用,使用FLUENT软件和SE-WORKBENCH-EO软件建立目标三维温度场模型和红外特性模型,并分析其红外特性.     

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。     

高超声速飞行器红外探测窗口辐射透射特性研究

高超声速飞行器在飞行过程中受到强烈的气动加热,位于头部的红外探测窗口温度上升显著,辐射透过率下降的同时自身发射辐射大幅增强,致使内部的红外探测器信噪比下降,严重情况下可能失效。对超声速弹头弹道末端蓝宝石红外探测窗口的气动加热-非稳态温升过程及其3.7-4.8μm波段红外辐射透射特性进行数值模拟,结果表明:平均温度已经不能准确反映蓝宝石窗口的红外透射特性及其对红外探测器灵敏度的影响;存在一个最优的红外探测窗口厚度,该厚度下红外探测器在弹道末端的灵敏度达到最佳。     

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。     

高超声速飞行器红外窗口热辐射特性试验

对于大气层内的高速飞行器,强烈的气动加热使红外探测系统的红外窗口温度迅速上升,成为气动热辐射效应的主要因素,导致红外探测系统的探测距离、识别概率、跟踪精度等性能下降,甚至失效。通过简化红外窗口热辐射传输模型,设计了一种红外窗口热辐射特性试验平台,并对某蓝宝石红外窗口在中波红外3.7~4.8 m波段的热辐射特性进行试验研究。研究结果表明,在100~350 ℃高温范围内,该红外窗口热辐射特性与温度近似呈现3次方关系,随温度升高,透过率下降约16%,而自身辐射持续增强,幅度最高在100倍以上,对红外探测系统造成的影响比透过率要大得多。     

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。     

高超声速滑翔飞行器全程总红外辐射最小的轨迹优化（特邀）

为降低高超声速飞行器再入过程中,产生的气动热辐射对红外探测窗口性能的影响,从轨迹优化的角度,以再入飞行全程驻点总红外辐射为目标函数,提出了一种基于改进鲸鱼优化算法(Whale Optimization Algorithm,WOA)的高超声速飞行器轨迹优化算法。首先,通过Tent混沌映射和控制因子余弦变化改进WOA,改进算法位置更新时的位置指向性,增强算法全局搜索能力;同时,将再入轨迹优化问题转化为控制量剖面参数优化问题,采用倾侧角一次翻转策略,利用普朗克公式计算驻点红外辐射,并设计目标函数,利用阻力加速度再入走廊处理路径约束,采用罚函数法将终端约束同目标函数相结合;最后,利用改进的WOA对设计的控制量剖面进行参数寻优,获得使目标函数最优的解。仿真实验表明: 文中改进的WOA能够有效完成全程总红外辐射最小的再入轨迹优化任务,全局搜索能力强,且具有较好的鲁棒性。     

飞机红外辐射特性及其探测技术研究

根据红外辐射的基本原理,提出了基于温度场分布的飞机红外辐射计算方法。依据红外探测器的工作原理,得到经大气传输和目标与背景对比后探测器接收到的有效目标信息。通过探测器对某型飞机探测距离的计算和分析,总结出了影响探测效果的五个主要的飞机红外辐射特性：光谱特性、方位特性、高度特性、速度特性和发动机状态特性。在此基础上讨论了红外探测器的设计和使用上以及飞机红外隐身上应注意的问题。     

星载红外探测器对高超声速飞行器探测距离的计算

为了有效地对临近空间高超声速飞行器进行探测预警,计算了星载空间红外探测器的作用距离。全面考虑到目标、背景到探测器之间的大气透过率差异、路径辐射以及点目标成像的弥散效应的影响,推导出新的作用距离模型,同时指出模型中的参数仅是波长的函数,与探测距离无关。基于空气动力学、发动机加力燃烧原理、羽焰温度流场简化模型,计算X-51A蒙皮、喷管及尾焰的红外辐射强度;综合自然环境的影响,建立海面背景的红外辐射模型。仿真指出,在动力段,X-51A的中波红外辐射强度和作用距离均高于长波波段,并且随着飞行速度的增加,中波和长波的辐射强度与作用距离都增大,考虑了成像弥散效应的作用距离明显小于无弥散效应的作用距离。表明使用中波对X-51A的探测能力优于长波,实际探测时弥散效应必须考虑。     

类B-2型飞行器红外辐射特性数值模拟EI北大核心CSCD

类B-2型飞行器因其独特的气动布局和较强的隐身能力,成为攻防对抗和预警探测识别工作中重点关注的目标之一。通过构建类B-2型飞行器的气动外形,基于真实可压缩气体模型和辐射平衡壁面边界条件预测典型飞行工况(12 km@0.8 Ma)下的绕流场、尾喷焰和壁面温度,结合窄谱带高温气体辐射物性数据库,采用视在光线法求解辐射传输方程,获得不同观测角度、不同波段条件下目标本体和尾喷焰的红外辐射特性。结果表明:类B-2型飞行器在俯视观测角度下辐射强度最强,本体在长波波段内的辐射强度较中波波段高出近两个量级。中波波段内目标辐射强度主要来自尾喷焰,长波波段内主要来自本体。研究可为类B-2型飞行器的目标特性识别提供理论参考。     

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。     

类HTV-2高超声速滑翔飞行器的本体光辐射特性分析

第二代"猎鹰"高超声速技术飞行器(Falcon Hypersonic Technology Vehicle 2,HTV-2)长时间在大气层中飞行时,气动热是导致本体光辐射特性的主要原因。气动热预测和复杂结构传热温度求解是本体光辐射特性研究的关键。基于类HTV-2高超声速滑翔飞行器的结构以及飞行弹道特点,建立了适用于高超声速滑翔飞行器的气动热、三维有限元传热和本体光辐射耦合计算方法。在算法验证的基础上,通过计算获得了类HTV-2高超声速滑翔飞行器沿假定弹道飞行的本体光辐射特性。结果表明,红外探测器从地面70°方向观测的辐射强度大于从天上-70°方向观测的辐射强度;中波3~5μm光辐射强度明显大于长波8~12μm和短波0.4~0.7μm,因此选择3~5μm波段更有利于对类HTV-2高超声速滑翔飞行器进行探测。     

一种临近空间高超声速目标航迹起始算法

提出一种三维空间中基于多普勒的改进修正霍夫变换快速航迹起始算法。利用传统航迹起始算法起始高超声速目标将导致目标容易丢失和虚假航迹增多,这不利于对高超声速目标的跟踪。文中提出的方法在三维空间中首先利用条件约束和多普勒信息辅助剔除部分虚假点,再利用修正霍夫变换法进行航迹起始。该算法不仅能有效起始航迹,而且极大地抑制虚假航迹。通过蒙特卡洛仿真实验表明,该算法能快速高效地起始航迹,是一种可行的临近空间高超声速目标的航迹起始算法。     

临近空间高超声速目标跟踪技术及展望

临近空间高超声速目标对空间防御系统和跟踪技术提出了挑战。文中简要介绍了临近空间高超声速目标的特点;从跟踪算法和目标探测技术两个方面概述了当前临近空间高超声速目标跟踪技术的研究现状;从滤波算法、目标运动模型、目标探测系统和信号处理方法等方面分析了临近空间高超声速目标跟踪技术的发展趋势,提出了一些思考及可行性建议。     

临近空间高超声速目标预警探测若干研究进展

防御方进行临近空间高超声速目标预警探测基础研究和工程研制需要对该领域形成系统全面的认识。为此详细总结与分析该领域最新研究进展：围绕该类目标的预警探测问题,在简要介绍目标类型及特点的基础上,从目标特性、预警装备体系构建与运用和预警探测关键技术等3个方面对国内外的研究进展情况进行归纳梳理。分析总结结果表明,该领域当前研究存在试验验证少、定性讨论多、体系运用探讨不足等问题,防御方需要据此开展针对性的研究。     

临近空间高超声速跳跃式滑翔目标跟踪模型

针对临近空间高超声速跳跃式滑翔目标跟踪问题,在分析目标运动特性的基础上提出了一种二阶时间相关的新型机动跟踪模型,该模型的核心是将加速度作为具有衰减振荡自相关的零均值随机过程,并据此构建了跟踪临近空间高超声速跳跃式滑翔目标的状态方程;为进一步分析模型的运动适应性,结合卡尔曼滤波算法推导了模型的系统动态误差稳态值,从模型参数取值的角度探讨了模型的适应性问题;为提高模型参数设计的合理性,分析了模型中两个参数的对应关系,并给出了参数设计的大致参考区间.理论分析表明,模型具备周期性与衰减性的统一,在短时间内主要表现为周期性,在长时间内主要表现为指数衰减性,这一特性提高了对临近空间高超声速跳跃式滑翔运动描述的合理性,此外,该模型跟踪临近空间高超声速跳跃式滑翔目标时的参数理论取值具有较低的系统动态误差稳态值.仿真实验表明与已有的临近空间高超声速目标单噪声机动模型相比,该模型具有较高的跟踪精度;并通过比较不同参数下的仿真结果一定程度说明了参数取值方法的合理性.     

基于SCT-IMM的临近空间高超声速目标跟踪模型

针对传统单模型跟踪方法不能有效跟踪临近空间高超声速目标飞行全过程的问题,提出了一种基于SCT-IMM的跟踪模型.在分析临近空间高超声速目标特性的基础上,建立了一种基于一阶时间相关模型的转弯模型(Singer Coordinate Turn,SCT),结合EKF滤波方法,采用CV、CA和SCT模型进行IMM滤波计算.仿真结果表明,新模型计算量略大于单模型,但新模型能够适用于跟踪临近空间高超声速目标的所有飞行阶段,且位置均方根误差和速度均方根误差都小于单模型,具有一定工程实践意义.     

临近空间高超音速飞行器载监视雷达技术发展研究

本文描述了临近空间高超音速飞行器的独特优点;阐述了临近空间高超音速飞行器载监视雷达的发展优势;概述了临近空间高超音速飞行器载监视雷达的发展情况;最后提出了临近空间高超音速飞行器载监视雷达的发展设想。     

舰船的红外辐射特性

随着红外成像制导技术的发展,舰船受到的威胁日益严重。舰船的红外辐射特性研究对舰船的伪装有重要的意义。简述了影响舰船红外特征的因素,论述了对舰船红外辐射特性的模型建立及数学描述,最后对控制舰船红外辐射的技术进行了分析。