某型飞机表面红外反射特性研究

发布时间：2020-08-28 20:26

　　飞机在高空中飞行时,蒙皮会受到太阳辐射、天地背景辐射、地面反射的太阳辐射等复杂背景辐射照射,当红外制导探测器对目标进行捕获时,一方面蒙皮反射环境背景辐射可以作为探测辐射源,探测器可以追踪对背景辐射的反射对目标实施打击;另一方面由于环境辐射的多变性,飞机对环境辐射的反射可能成为红外制导导弹追踪目标时的干扰项从而导致目标脱靶等现象。因此,研究飞机的红外反射特性对于作战方案的制定与实施、目标红外识别与跟踪、红外制导系统的研发与实验等研究具有重要的意义。本文主要对飞机表面红外反射特性开展研究,为获得材料表面方向反射特性,首先对飞机材料表面双向反射分布函数进行研究,建立Schlick模型和CookTorrance模型两种双向反射分布函数的计算模型,发现模型中的反射系数和粗糙度因子是影响双向反射函数分布的主要因素;随后基于随机惯性权重微粒群智能算法建立了不同的双向反射分布函数(BRDF)模型参数反演方法,通过对已知文献中的铝合金和钛合金两种飞机常用金属表面BRDF分布数据进行参数反演,证明了本文所提出的微粒群智能反演模型的正确性。基于上述建立的双向反射分布函数模型,对飞机表面红外反射特性进行了系统深入的研究。首先,分别采用Catia和GiD软件完成某型飞机三维几何模型的构建和网格划分,基于导出网格数据建立坐标转换关系,结合反向蒙特卡洛法对某型飞机表面辐射遮挡判断因子进行仿真计算,编写自动计算程序调用MODTRAN软件得到大气光谱透过率;然后针对不同飞行场景下飞机表面受到的环境背景辐射进行计算,发现飞机表面环境辐射与飞机的飞行姿态、所处当地时间位置及探测波段有关;最后基于BRDF计算模型对飞机表面反射背景辐射特性进行仿真计算,结果发现当计算飞机表面反射特性时采用BRDF模型比漫反射模型更合理,在不同反射角度下,飞机表面的反射辐射分布呈现非一致性。因此,在通过红外制导武器对目标进行打击时,需要根据当地日期时间位置、探测波段和探测器相对飞机位置合理制定作战方案。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TJ765;V218;TL81
【部分图文】：

空空导弹,导引头,环境辐射

（a）AIM-9X 空空导弹（b）AIM-9X 空空导弹导引头图 1-1AIM-9X 空空导弹及其导引头飞机在高空中飞行时，蒙皮会受到如太阳辐射、天地背景辐射等环境辐射。在红外制导导弹探测器对目标进行捕获时，蒙皮对环境辐射的反射一方面可以作为探测器的辐射源，探测器可以通过追踪这一部分对环境辐射的反射对目标实施打击；另一方面由于飞机空中飞行时在不同的时间和运动状态下所受环境辐射是不同的，这就会导致飞机反射的环境辐射是一直变化的，此时飞机对环境辐射的反射便可能成为红外制导导弹追踪目标时的干扰项从而导致目标脱靶等现象。因此研究高空作战飞机目标的反射特性对于作战飞机红外隐身与反侦察、作战方案的制定与实施、目标的红外识别与跟踪、红外制导武器的研发与实验等研究具有重要的意义[12, 13]。目前对高空作战飞机的目标反射特性研究主要有两种方法，第一种是飞机实际飞行测量的场外实验方式，第二种是通过计算机数值计算和模拟仿真的方式[14]。目标飞机场外试验的方式是通过红外探测设备对目标在不同的飞行状态、不同的飞行环境下红外反射特性进行实际测量，然后将测量得到的目标数据进行汇总分

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-22-（c）Rastrigrin 函数（d） Ackley 函数图 2-8 标准测试函数示意图上图中四个标准测试函数全局最小值皆为 0，通过随机惯性权重微粒群算法得到的计算结果见表 2-2，从表中可以看出该算法取得了较好的计算结果。表 2-2 随机惯性权重微粒群算法测试函数结果函数名称输出结果目标函数值标准差Sphere121.52 10117.59 10Griewank34.34 1022.28 10Rastrigrin32.40 1022.91 10Ackley55.20 1033.20 102.5 BRDF 模型参数重建材料表面 BRDF 模型参数重建属于辐射传输反问题，通过 BRDF 实验测量平

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最终构建完成的飞机三维模型和实物对比图如图3-3 所示。图 3-3 飞机三维模型与实物图对比GiD 是 CIMNE 公司的一款数值计算仿真前后处理软件，在流体动力学、传热学、力学和电磁学等领域等都具有广泛的应用，具有较强的三维建模、网格划分、计算后结果处理等功能，具有有限元方法、有限差分法等计算方法接口。本研究通过GiD进行飞机网格划分，将三维建模软件输出的几何模型导入并进行模型修补，随后进行 Triangle 面网格和 Tetrahedra 体网格的划分。网格划分完成后将网格数据输出用于后续程序计算时的调用，模型数据和网格数据见表 3-1。划分完成的网格图见图 3-4。

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