空间目标与环境红外特性理论建模及其场景生成

介绍了空间目标与深空环境红外特性物理建模的基本方法,建立了卫星和深空背景的红外辐射特性理论模型,在此基础上首次从物理现象的角度初步实现了空间目标及其深空环境的动态景象生成。研究结果对空间目标的探测具有一定的参考价值。

海面反射特性研究

建立目标的红外热成像理论模型是国内外有关研究机构的热点之一。在军事目标红外理论建模研究红外热像的成像过程中 ,海天背景与舰船的红外辐射场的相互作用尤为重要。其中需解决的关键问题和技术难点便是在成像过程中舰船辐射场在海面上的反射成分的计算。作者较为详细地讨论了海面的反射特性 ,计算了平静海面和Cox -Munk海面对特定红外波段 (3- 5um )入射光的反射 ,并对两种模型进行了比较 ,分析了Cox -Munk海面模型下反射率分布及其随风速、入射方向的变化情况。

姿态运动对空间目标光学特性的影响分析

空间目标的光散射、辐射特性除了与其几何外形、材料结构和运动特性等密切相关外,姿态运动对其光学特性也有一定的影响,这种影响对轻诱饵类假目标尤其明显。以往的研究往往忽略了这点,首次就姿态运动对空间目标红外辐射特性的影响进行了仿真建模,建立了姿态相关的空间目标红外辐射特性理论模型,在此基础上进行了计算和分析。初步的研究结果表明,姿态运动在空间真假目标光学识别中有较好的应用前景。

军用目标红外特性模型评估技术

初步建立了一套关于军用目标红外辐射特性理论模型可靠性、准确性、通用性的评估准则及软件,为理论模型的入库和武器型号部门的应用提供了参考依据。

HIFiRE-1飞行器激波与边界层干扰气动热研究

高超声速飞行器存在典型的激波与边界层干扰,由此产生的流动分离与再附会带来严重的气动加热问题。采用雷诺平均方法对HIFiRE-1飞行器激波与边界层干扰气动热进行了数值模拟。讨论雷诺数、马赫数等来流参数和飞行器裙体张角、裙体长度等结构参数对气动热的影响,并分析其影响机理。研究结果表明:柱裙拐角处由于存在边界层分离、再附及强烈的激波干涉,导致飞行器壁面存在严重的气动热问题,控制边界层分离和流场结构能有效控制飞行器壁面热环境。改变来流参数和结构参数会对边界层分离、再附和流场结构带来较大影响,具体表现为:来流雷诺数变化时流场结构变化较小,但会大幅度影响再附热流密度;来流马赫数变化时分离激波与飞行器壁面夹角发生变化,相应的气动热有较大变化;裙体张角变化时引起分离区尺度变化,进而改变壁面热流分布;裙体长度变化时影响边界层分离、再附特性,导致壁面热流分布发生变化。

舰船热像理论模拟中的物理模型和数学模型

该文研究了舰船热像理论建模中的建立物理模型过程中的一些重要问题 ,并讨论了整个舰船在计算温度场和红外辐射场时数学模型。

海面目标红外辐射场的理论模拟和计算软件

对海面舰船的温度场和红外辐射场的理论模型进行研究 ,得到了计算机模拟的完整方程组 .研制了整套进行理论建模的计算机软件 ,并对某舰的温度场和红外辐射场进行模拟 ,得到与真实场景吻合的计算结果 .

海面目标热像理论模拟中的几何构型问题

建立舰船几何模型是海面目标红外图像理论建模的基础 ,作者研究了建立舰船几何模型时的简化和近似原则 ,并探讨了其几何模型参数的数据结构和存储方式。文中还以某舰为对象 ,采用简化和近似的方法 ,建立了它的几何模型和相应的数据库 。

海面目标与海天背景合成的红外图像数值模拟方法

在对海面目标红外图像理论模拟的研究中 ,已经能分别计算出目标和海面大气背景的红外图像 ,作者研究了在此基础上用数值方法模拟海面目标和海天背景合成的红外图像的计算原理和方法 。

地面相控阵雷达天线红外辐射特性研究

首次研究了地面相控阵雷达天线工作温度变化规律,根据传热学理论,建立了地面相控阵雷达天线工作温度传输的静态理论模型,计算了四种不同环境条件下的某型号相控阵雷达天线,给出了相控阵雷达工作温度随热损耗、风速的变化关系。

红外热成像无损检测技术现状及发展

红外热成像是近年来发展起来的一种快速有效的无损检测技术,通过主动热激励使物体内部的异性结构以表面温场变化的差异形式表现出来,实现缺陷的定位、识别和定量测量;它是一门跨学科的技术,它的研究和应用,提高了多种军、民用工业设备的安全性可靠性;综述了红外热成像无损检测技术的基本概念、关键技术原理和系统组成,比对分析了光脉冲、超声、锁相、太赫兹等各种热激励方式的技术特点,介绍了国内外相应的发展状况和进展,并给出了一些典型应用案例,最后总结了该技术的发展趋势。

折射率和粒子尺度对大气气溶胶光散射特性的影响

采用Mie散射方法计算了小尺度范围内,0.65μm波长大气气溶胶粒子光学特性与折射率、粒子尺度参数的关系,并分析了折射率虚部对气溶胶粒子散射相函数的影响。结果表明:在小尺度范围内,气溶胶粒子散射特性受折射率、尺度参数影响较大,折射率实部和尺度参数对消光效率因子等非散射角散射参量的影响存在一定程度的对称性。同时还发现,在特殊散射角位置,无论对于单粒子还是对于多分散粒子群系统,气溶胶粒子(群)的散射相函数与折射率虚部基本无关,不同折射率虚部的散射相函数在前向散射方向存在交点,交点位置随粒子尺度参数的变化基本为高斯分布。随着粒子尺度参数的增大,交点位置向前向小角方向移动,并逐步趋于离散。这一结论对了解大气气溶胶粒子的散射效应具有一定的参考意义。

飞行高度对固体火箭两相喷焰流动与辐射的影响

针对某模型固体火箭发动机,基于欧拉离散相模型描述气-固两相相互作用,采用详细化学反应机理计算喷焰复燃效应,基于逐线积分法加米散射理论求解气体及粒子辐射物性参数,通过视在光线法计算辐射传输,并利用测量数据验证了模型的适用性,仿真分析了不同飞行高度对气固两相喷焰流动及辐射特性的影响。研究结果表明:随着飞行高度增加,喷焰中燃气与固体颗粒间相互作用减弱,且粒径越大的粒子与燃气间差异越大;两相喷焰受不同飞行高度上掺混与复燃效应程度差异的影响,致其温度分布和不同组分浓度分布存在显著差异;各高度下两相喷焰光谱辐射呈现气体选择性发射谱结构,其中高温Al2O3对辐射贡献主要集中在短波,且高度越高,影响越小;不同谱带间辐射特性受不同组分发射带影响而存在差异,且2.7μm和4.3μm两个主要发射带的辐射峰值出现在不同飞行高度。

基于非局域热平衡模式的临近空间目标背景临边对比度模型

对临近空间目标的空基/星载红外探测中的目标背景临边对比度问题进行物理建模,详细阐述对比度的定义和模型中的高层大气辐射问题.利用适于模拟高层大气辐射的非局域热平衡模式,结合探测器噪声假定,计算理想黑体目标的临边对比度并分析高层大气辐射特性对对比度的影响.模拟结果表明,在评估目标探测可行性时必须考虑探测器噪声的影响;在高层大气临边路径下水汽波段比大气窗区的可探测性更好,而目标本征辐射与大气临边吸收和背景辐射间的关系导致了对比度复杂的变化特征.

中间层与低热层二氧化碳体积混合比的年际变化特征研究

利用17年的SABER(Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry)Level2C数据研究了中间层与低热层大气(MLT, Mesosphere and Lower Thermosphere) CO2 VMR(Volume Mixing Ratio)的年际变化特征.使用多元线性回归模型对双月平均时间序列拟合,定量地提取各变化特征.结果表明,SABER CO2 VMR长期趋势在中间层保持在5.5%/decade左右,在中间层顶和低热层降低至4.5%/decade左右;结果与模式预测在统计意义上相符.长期趋势没有显著的纬度差异,但在各纬度上都具有明显的季节依赖,MLT CO2 VMR长期趋势的季节性改变源自低层大气长期趋势季节性改变.SABER CO2 VMR对QBO (Quasi-Biannual Oscillation)和ENSO (El Nino-Southern Oscillation)在绝大多数区域没有统计显著的响应;对太阳活动11年循环以负响应为主,在部分区域出现的微弱正响应目前没有合适的物理机制解释.

基于动态时间规整的火箭尾喷焰识别仿真

通过分析火箭尾喷焰的红外辐射特性,总结了辐射强度序列的变化规律,提出一种改进的基于动态时间规整(dynamic time warping,DTW)的识别算法。为了提高序列形状相似性度量的效果,使用导数序列计算距离矩阵和匹配路径,依据匹配路径和辐射强度值重新计算距离;采用首尾松弛因子,在一定程度上解决了观测序列长度的不统一影响路径匹配的问题。仿真结果表明:该算法能较好地匹配同一火箭的尾喷焰红外辐射强度序列,在样本较少时实现对火箭的识别。

迁移学习在天基红外目标识别中的应用

星载红外传感器对飞行的火箭进行识别时,因为观测数据有限,一般属于小样本甚至单样本学习的分类问题。本文建立了一种以一维全卷积为主体结构的孪生神经网络,将多分类问题转化为比较相似度的验证问题;并利用UCR时间序列数据集的预训练权重,对孪生神经网络的卷积特征提取部分进行知识迁移,最后使用公开文献中火箭红外辐射强度序列数据对网络进行微调,形成了一个能够比较两型火箭相似度的迁移学习网络。实验结果表明,本文建立的模型能够从其他数据集中学习到有利于时间序列相似性度量的信息,训练过程也具备可行性,在单样本情况下能较好地实现对火箭的识别。

基于理论解析方法的高真空羽流流动及红外辐射研究

高真空羽流指空间目标上火箭发动机在高真空环境工作时产生的燃气射流迅速膨胀扩散流动状态。这种急剧膨胀的羽流会对空间目标产生冲击、侵蚀,其产生的辐射特性已应用于空间目标的探测、识别。基于无碰撞的自由分子流理论模型对高真空羽流的流场进行了快速预测分析方法研究,获得了高真空羽流的膨胀、扩散分布特性,得到了符合认识的流动规律结果,在计算得到高真空羽流流动参数的基础上,采用佛奥特线型函数描述稀薄气体的展宽,结合逐线积分法+视在光线法计算得到高真空羽流的辐射特性。研究结果表明:高真空羽流的轮廓特性及扩散分布是由喷管出口的点源强度所决定的,点源强度越强,羽流扩散的越厉害,同时轴线上无量纲的密度、温度越高;喷管出口温度相同时,高真空羽流辐射强度随点源增加而增强;出口速度相同时,羽流辐射强度随点源增加而减小;在点源强度相同时,羽流辐射强度与推力正相关。

卫星观测火箭尾喷焰红外动态场景生成研究

建立了一种星载吸收波段红外传感器连续观测助推段火箭飞行的场景生成模型。提出了一种基于神经网络生成MODIS数据中第22、23波段高分辨率地表发射率图像的方法,生成了分辨率达到百米量级的地表发射率图像,并利用谱段关联计算了4.18~4.5μm的地表光谱发射率;同时采用Runge-Kutta法生成火箭助推段的飞行轨迹,利用LOS方法计算尾喷焰气体的辐射传输,生成火箭尾喷焰图像。建立了尾喷焰、地表点和传感器的几何关系,对尾喷焰和背景投影成像,合成了卫星观测火箭尾喷焰的动态场景。对辐亮度图像序列进行分析发现,地面背景的辐亮度得到了压制,同时结合轨迹数据对不同时刻的目标辐亮度对比度和所占像元数进行了分析。此外,分析了不同场景下尾喷焰总辐射强度曲线的差异。结果表明,场景生成方法准确可靠,可为基于卫星图像序列的目标检测跟踪等研究提供数据基础和目标特性支撑。

稀薄环境下高空羽流流动与超窄谱红外辐射特性数值研究

采用直接模拟蒙特卡洛方法描述有限个仿真分子的运动、碰撞以及传能效应,计算得到高空羽流非平衡流场特性,利用统计平均方法获取羽流场的宏观参数,并采用佛奥特线型函数描述稀薄气体的展宽,逐线积分得到气体超窄谱红外辐射特性参数,结合反向蒙特卡洛方法计算高空羽流辐射传输方程,利用理论和实验数据验证流动与辐射计算模型的适用性,在此基础上,以某小推力发动机为对象,研究了其流动与超窄谱的红外辐射特性。研究结果表明:高空羽流场由于急剧膨胀,导致密度快速下降,进而产生明显非平衡效应;燃气组分受速度惯性影响,不同分子量的组分会有扩散分离效应;燃气组分谱线细而窄,以多普勒展宽为主,辐射峰值往中波平移,且4.7μm的CO及6.5μm的H2O发射带辐射能量占有更大份额;辐射亮度轴向分布集中在二倍喷管直径距离内,辐射亮度径向分布集中于分离波线以内的激波区内及内流区,其他区域成指数衰减。