对地红外观测系统的传感器波段优化研究
发布时间：2021-04-14 02:55
探测目标机动性和伪装能力的不断提高进一步阻碍了其可探测性,因此传感器的探测性能要求也不断提高。对地红外观测系统在环境,军事和科学研究中发挥着重要作用。而选择合理准确的传感器观测波段可以准确的提高对地红外探测系统的探测性能,本文分别从火箭尾焰目标辐射的光谱特性、地球/大气背景环境辐射特性以及对地观测系统等要素出发进行相应场景仿真,进行综合评估指标分析选择合理准确的传感器观测波段。论文的主要研究内容和取得的成果如下:（1）研究了典型下垫面的散射辐射特性及模型。对非朗伯体下垫面的散射模型进行了详细研究,推导并计算其关键参数“镜漫比”。通过统计分析实测数据,建立散射辐射模型,根据大气传输与波段之间的相关性,对含冰凌红外遥感场景的不同波段分别进行场景仿真。（2）研究了火箭尾焰目标红外辐射特性,并对不同高度的尾焰目标进行仿真。火箭尾焰的红外辐射图像是根据检测视角通过重叠发动机火焰的红外辐射,研究在不同海拔高度下,尾焰目标的形态大小及辐射亮度的变化。（3）研究了尾焰目标与下垫面场景进行物理叠合,得到较为真实对红外复合场景。其中下垫面场景的类型包括含冰凌的青海湖、城市、沙漠、山脉、水体五种类型。（4）...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
-3μm大气顶层太阳辐射亮度
电子科技大学硕士学位论文8图2-32-3μm不同海拔高度处大气透过率2.2尾焰目标红外辐射特性火箭的尾焰目标是发光发热的燃烧气体，由火箭发动机燃烧室内消耗推进剂，并通过喷口产生的推力产生的。由于燃料燃烧后的产物主要成分都是水和二氧化碳，即水和二氧化碳是尾焰目标的主要组成。火箭的推进剂燃料主要包括液体燃料、固体燃料和固液混合燃料三种不同的类型，根据水和二氧化碳两种气体的分子结构，在2.7μm和4.3μm附近的强吸收波段范围内，可以使红外辐射对地表下垫面的干扰降到最低。同时，由于在考虑到大气窗口的情况下在具有高透过率的光谱带中进行探测，因此对地红外观测系统常选用2.7μm、4.3μm附近的波段进行探测，可以有效的减小对尾焰目标检测的错误率。本文针对2.7μm附近的波段进行研究。尾焰目标的红外辐射特性研究主要是从三个方面[35]进行实验研究，一方面是通过燃烧室以及复燃反应等角度实验，分析其对火箭发动机尾焰辐射特性影响；另一方面是使用具体的方法计算火箭发动机尾焰的红外辐射特性，例如采用反蒙特卡洛法运算尾焰目标的流场并对其数值仿真，离散坐标法进行尾焰目标二维或者三维建模，热流法得到尾焰目标的光谱辐射特性等；最后利用红外辐射探测量系统对尾焰流场的辐射特性进行测量，红外辐射计可以获得从尾焰流场得到的红外辐射强度值，红外热像仪可以获得红外辐射分布图，红外光谱仪得到红外光谱曲线。火箭尾焰目标的红外辐射特性主要受其表面温度决定，同时目标所处的空间环境和自身状态对其表面温度影响很大[36]。根据以往的研究，大气层外尾焰目标的表面温度总体呈递进式分布，为了保证计算的准确性，应该将其表面划分成无
第二章红外辐射相关理论13Torrance-Sparrow模型包括漫反射和镜面反射，其中sK与dK分别为镜面反射与漫反射分量的比例常数，sK与dK的关系为：1sdKK(2-10)Cook-Torrance模型和Torrance-Sparrow模型不同之处在于前者基于高斯分布，而后者基于Beckmann分布。对于理想的光滑表面，无漫反射，微小面元之间也没有互相遮挡，因此粗糙表面比光滑表面较暗。Cook-Torrance模型的BRDF表达式为：2242()(,)(,,,)tanexp4coscoscosaiirrdiffspecdsirRFnGBRDFBRDFBRDFKK(2-11)2.3.3散射模型中镜漫比参数的计算在仿真不同下垫面红外场景中，要计算下垫面散射的辐射亮度，需要先求出镜面反射与漫反射的分量，其关键是求出各分量对应的比例系数，即sK与dK的值，将sK与dK的比值dskk/定义为镜漫比，根据镜漫比与BRDF模型之间的关系最后能够仿真出较为真实的非朗伯体下垫面红外场景。本文以青海湖冰凌为例，对散射模型中镜漫比参数进行推导计算。图2-1为不同时刻的青海湖遥感数据所生成的图像。由图2-1可知，青海湖湖面冰凌区域的辐射亮度远远大于青海湖周围的黄土等背景亮度。而且不同结冰区域显示在图像事的亮暗不同，结冰程度不同，反照率不同，偏亮的区域是由于结冰程度高，而青海湖地势平缓，遮蔽效应不明显，湖面光滑镜面反射分量所占比例较大，导致青海湖冰凌辐射亮度值变大。因此对地红外观测系统经过青海湖上方，不同的观测角度形成了不同时刻的青海湖辐射数据，如图2-1所示。(a)(b)(c)图2-1不同时段的青海湖冰凌辐射数据成像。(a)t1时刻辐射数据成像；(b)t2时刻辐射数据成像；(c)t3时刻辐射数据成像
【参考文献】：
期刊论文
[1]空中目标多波段红外辐射特性描述与仿真分析[J]. 王霄,高思莉,金璐,李争,李范鸣. 光子学报. 2020(05)
[2]火箭发动机有遮挡情况的尾焰红外辐射计算[J]. 尹振跃,朱定强,任泓帆. 火箭推进. 2019(05)
[3]红外预警卫星探测波段地球背景辐射仿真研究[J]. 李文杰,闫世强,王成良,欧阳琰,张松芝,盖美庆. 红外与激光工程. 2019(12)
[4]复杂环境下弹道中段目标探测能力分析[J]. 袁航,王晓蕊,张凯莉,任冬,李珂. 红外与激光工程. 2019(06)
[5]红外预警卫星空间虚警源辐射特性分析[J]. 李文杰,宋泽正,李广波,闫世强,欧阳琰,王成良. 红外与激光工程. 2019(03)
[6]城市辐射场模拟性能对比分析[J]. 刘大龙,贾晓伟,杨竞立,董国明. 清华大学学报(自然科学版). 2019(03)
[7]基于蒙特卡洛法的尾焰红外辐射特性仿真与试验[J]. 郑海晶,白廷柱,王全喜. 光子学报. 2018(08)
[8]高速飞行目标尾焰红外辐射特性的建模仿真计算[J]. 祝念,高思莉,岳娟. 红外. 2018(05)
[9]红外预警卫星直视地表波段选择及探测能力[J]. 刘尊洋,叶庆,李修和,邵立,孙晓泉. 红外与激光工程. 2018(02)
[10]多喷管液体火箭动力系统尾焰辐射特性研究[J]. 乔野,聂万胜,吴高杨,丰松江. 导弹与航天运载技术. 2017(04)
博士论文
[1]天基空间目标红外辐射特性分析与目标工作信息反演[D]. 李文豪.中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所) 2018
[2]复杂地球大气和目标光谱辐射散射特性研究[D]. 郭兴.西安电子科技大学 2018
[3]近红外天光背景测量系统中的若干关键术研究[D]. 董书成.中国科学技术大学 2018
[4]地表热红外辐射背景场建模与成像模拟研究[D]. 赵利民.南京大学 2011
硕士论文
[1]火箭发动机尾喷焰红外辐射特性不确定度分析研究[D]. 杨森.哈尔滨工业大学 2019
[2]红外预警卫星对弹道中段目标探测能力研究[D]. 张凯莉.西安电子科技大学 2018
[3]高温尾焰红外光谱特性分析及探测波段选取技术研究[D]. 祝念.中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所) 2018
[4]冰凌红外散射特性及场景仿真研究[D]. 周鑫.电子科技大学 2018
[5]红外目标与背景的物理叠合研究[D]. 万重涛.电子科技大学 2018
[6]导弹目标多波段红外成像特征建模仿真分析[D]. 朱姣.西安电子科技大学 2017
[7]云对地球与临边背景红外辐射特性影响研究及模拟[D]. 丛研.南京理工大学 2017
[8]地球及临边背景红外辐射特性研究[D]. 李瑞.南京航空航天大学 2016
[9]天基红外点目标成像特征研究[D]. 刘可辉.西安电子科技大学 2014
[10]复杂地球大气背景下目标的可见光/红外散射与辐射特性[D]. 王万君.西安电子科技大学 2014
本文编号：3136516
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
-3μm大气顶层太阳辐射亮度
电子科技大学硕士学位论文8图2-32-3μm不同海拔高度处大气透过率2.2尾焰目标红外辐射特性火箭的尾焰目标是发光发热的燃烧气体，由火箭发动机燃烧室内消耗推进剂，并通过喷口产生的推力产生的。由于燃料燃烧后的产物主要成分都是水和二氧化碳，即水和二氧化碳是尾焰目标的主要组成。火箭的推进剂燃料主要包括液体燃料、固体燃料和固液混合燃料三种不同的类型，根据水和二氧化碳两种气体的分子结构，在2.7μm和4.3μm附近的强吸收波段范围内，可以使红外辐射对地表下垫面的干扰降到最低。同时，由于在考虑到大气窗口的情况下在具有高透过率的光谱带中进行探测，因此对地红外观测系统常选用2.7μm、4.3μm附近的波段进行探测，可以有效的减小对尾焰目标检测的错误率。本文针对2.7μm附近的波段进行研究。尾焰目标的红外辐射特性研究主要是从三个方面[35]进行实验研究，一方面是通过燃烧室以及复燃反应等角度实验，分析其对火箭发动机尾焰辐射特性影响；另一方面是使用具体的方法计算火箭发动机尾焰的红外辐射特性，例如采用反蒙特卡洛法运算尾焰目标的流场并对其数值仿真，离散坐标法进行尾焰目标二维或者三维建模，热流法得到尾焰目标的光谱辐射特性等；最后利用红外辐射探测量系统对尾焰流场的辐射特性进行测量，红外辐射计可以获得从尾焰流场得到的红外辐射强度值，红外热像仪可以获得红外辐射分布图，红外光谱仪得到红外光谱曲线。火箭尾焰目标的红外辐射特性主要受其表面温度决定，同时目标所处的空间环境和自身状态对其表面温度影响很大[36]。根据以往的研究，大气层外尾焰目标的表面温度总体呈递进式分布，为了保证计算的准确性，应该将其表面划分成无
第二章红外辐射相关理论13Torrance-Sparrow模型包括漫反射和镜面反射，其中sK与dK分别为镜面反射与漫反射分量的比例常数，sK与dK的关系为：1sdKK(2-10)Cook-Torrance模型和Torrance-Sparrow模型不同之处在于前者基于高斯分布，而后者基于Beckmann分布。对于理想的光滑表面，无漫反射，微小面元之间也没有互相遮挡，因此粗糙表面比光滑表面较暗。Cook-Torrance模型的BRDF表达式为：2242()(,)(,,,)tanexp4coscoscosaiirrdiffspecdsirRFnGBRDFBRDFBRDFKK(2-11)2.3.3散射模型中镜漫比参数的计算在仿真不同下垫面红外场景中，要计算下垫面散射的辐射亮度，需要先求出镜面反射与漫反射的分量，其关键是求出各分量对应的比例系数，即sK与dK的值，将sK与dK的比值dskk/定义为镜漫比，根据镜漫比与BRDF模型之间的关系最后能够仿真出较为真实的非朗伯体下垫面红外场景。本文以青海湖冰凌为例，对散射模型中镜漫比参数进行推导计算。图2-1为不同时刻的青海湖遥感数据所生成的图像。由图2-1可知，青海湖湖面冰凌区域的辐射亮度远远大于青海湖周围的黄土等背景亮度。而且不同结冰区域显示在图像事的亮暗不同，结冰程度不同，反照率不同，偏亮的区域是由于结冰程度高，而青海湖地势平缓，遮蔽效应不明显，湖面光滑镜面反射分量所占比例较大，导致青海湖冰凌辐射亮度值变大。因此对地红外观测系统经过青海湖上方，不同的观测角度形成了不同时刻的青海湖辐射数据，如图2-1所示。(a)(b)(c)图2-1不同时段的青海湖冰凌辐射数据成像。(a)t1时刻辐射数据成像；(b)t2时刻辐射数据成像；(c)t3时刻辐射数据成像
【参考文献】：
期刊论文
[1]空中目标多波段红外辐射特性描述与仿真分析[J]. 王霄,高思莉,金璐,李争,李范鸣. 光子学报. 2020(05)
[2]火箭发动机有遮挡情况的尾焰红外辐射计算[J]. 尹振跃,朱定强,任泓帆. 火箭推进. 2019(05)
[3]红外预警卫星探测波段地球背景辐射仿真研究[J]. 李文杰,闫世强,王成良,欧阳琰,张松芝,盖美庆. 红外与激光工程. 2019(12)
[4]复杂环境下弹道中段目标探测能力分析[J]. 袁航,王晓蕊,张凯莉,任冬,李珂. 红外与激光工程. 2019(06)
[5]红外预警卫星空间虚警源辐射特性分析[J]. 李文杰,宋泽正,李广波,闫世强,欧阳琰,王成良. 红外与激光工程. 2019(03)
[6]城市辐射场模拟性能对比分析[J]. 刘大龙,贾晓伟,杨竞立,董国明. 清华大学学报(自然科学版). 2019(03)
[7]基于蒙特卡洛法的尾焰红外辐射特性仿真与试验[J]. 郑海晶,白廷柱,王全喜. 光子学报. 2018(08)
[8]高速飞行目标尾焰红外辐射特性的建模仿真计算[J]. 祝念,高思莉,岳娟. 红外. 2018(05)
[9]红外预警卫星直视地表波段选择及探测能力[J]. 刘尊洋,叶庆,李修和,邵立,孙晓泉. 红外与激光工程. 2018(02)
[10]多喷管液体火箭动力系统尾焰辐射特性研究[J]. 乔野,聂万胜,吴高杨,丰松江. 导弹与航天运载技术. 2017(04)
博士论文
[1]天基空间目标红外辐射特性分析与目标工作信息反演[D]. 李文豪.中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所) 2018
[2]复杂地球大气和目标光谱辐射散射特性研究[D]. 郭兴.西安电子科技大学 2018
[3]近红外天光背景测量系统中的若干关键术研究[D]. 董书成.中国科学技术大学 2018
[4]地表热红外辐射背景场建模与成像模拟研究[D]. 赵利民.南京大学 2011
硕士论文
[1]火箭发动机尾喷焰红外辐射特性不确定度分析研究[D]. 杨森.哈尔滨工业大学 2019
[2]红外预警卫星对弹道中段目标探测能力研究[D]. 张凯莉.西安电子科技大学 2018
[3]高温尾焰红外光谱特性分析及探测波段选取技术研究[D]. 祝念.中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所) 2018
[4]冰凌红外散射特性及场景仿真研究[D]. 周鑫.电子科技大学 2018
[5]红外目标与背景的物理叠合研究[D]. 万重涛.电子科技大学 2018
[6]导弹目标多波段红外成像特征建模仿真分析[D]. 朱姣.西安电子科技大学 2017
[7]云对地球与临边背景红外辐射特性影响研究及模拟[D]. 丛研.南京理工大学 2017
[8]地球及临边背景红外辐射特性研究[D]. 李瑞.南京航空航天大学 2016
[9]天基红外点目标成像特征研究[D]. 刘可辉.西安电子科技大学 2014
[10]复杂地球大气背景下目标的可见光/红外散射与辐射特性[D]. 王万君.西安电子科技大学 2014
本文编号：3136516
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