当代空间红外天文观测技术的发展

1 空间红外观测的意义 □□温度低于4000K的天体的辐射主要在红外区,因此是空间红外天文观测的主要对象。其意义体现在以下几个方面: (1) 揭示冷状态的物质 宇宙中从微米大小的尘埃到巨大的行星,它们的温度范围是3～1500K。在这个温度范围内,物体辐射的大多数能量位于红外区。     

OpenGL在红外辐射计算中的应用

提出一种将OpenGL应用在目标红外辐射特性计算中,从而实现目标红外辐射特性可视化计算的方法.由于OpenGL可用于构造三维模型,进行三维图形交互软件的开发;因而将其引入红外辐射特性计算中可解决复杂目标计算问题,而且图形硬件的消隐能力避免了遮挡计算并使计算以所见即所得的方式实现可视化.针对目标红外辐射特性中的自身辐射和目标对太阳光的反射部分,分别运用光照模型中发射光和漫反射的特性,以像素的颜色获取温度参数和法矢从而实现可视化计算.用一个简单标准体模型进行验证,计算结果表明了该方法的有效性和可行性.     

飞行体的海空背景反射与辐射计算

研究了对近海飞行体的红外特性有重要影响的海空背景辐射的反射特性.讨论了波浪面起伏随机规律,随机起伏对海面自身辐射及对阳光反射的影响,推演了此种随机起伏波浪面的自身辐射及反射的阳光在观测点形成的辐照度的计算方法.给出的算例结果表明,海空背景对飞行体的红外特性尤其对其前半球的红外特性有重要的意义.     

空间目标红外特征仿真模型

建立了一种基于三维场景的空间目标红外辐射特征计算模型.模型对多层介质目标进行几何建模与三维剖分,考虑目标微动时太阳和地球对目标加热的影响,计算了目标外表面的辐射散热及内腔壁面元间的辐射换热,在此基础上完成目标的三维导热计算,利用Gauss-Seidel迭代法求解微元体的温度,进而计算了中长波和长波红外波段目标自身的辐射、对外热源的反射以及总的辐射亮度图像和辐射强度曲线.研究表明,无自旋的目标在圆周方向受太阳加热不均,温差显著;自旋使目标圆周方向温差减小,温度分布趋于均匀.     

烟气覆盖表面红外温度测量的实验分析

为了研究辐射参与性烟气对红外测温法金属壁面温度测量的影响,首先根据实验中红外探测器测量得到的表面温度分布的特点,建立了一维表面红外测温模型;然后根据红外热成像测温原理及辐射传输理论,利用源项多流法分析模型计算了烟气覆盖表面在不同烟气厚度和不同表面温度下红外探测器获得的温度;最后利用马弗炉模拟不同温度的表面,振动筛模拟不同浓度和厚度的烟气环境,在实验室条件下设计搭建了模拟烟气覆盖表面的红外测温实验系统,实验验证了源项多流法分析模型,实验测量得到的温度与分析模型预测的温度吻合较好,并提出了利用反演方法修正红外测温的设想。     

复杂背景红外成像系统作用距离估算方法

传统红外成像系统作用距离模型只有在背景单一不变的条件下有效,引入概率分布的思想对传统作用距离方程进行了改进,将方程中的作用距离和背景红外辐射亮度由变量更换为向量,向量维数由背景红外图像的灰度值分布确定.改进后的作用距离模型将应用条件拓展到任意背景,打破了传统模型对背景条件的局限.针对作用距离计算过程中复杂背景红外辐射亮度难以获取的问题,提出建立红外成像系统的亮度-灰度函数,通过背景的红外图像灰度信息计算其红外辐射亮度的方法.计算实例表明,该模型能够解决复杂背景下红外成像系统作用距离的估算问题.     

宇宙探索

四、红外和紫外望远镜 红外望远镜 红外望远镜接收红外线探测宇宙. 红外线是可见光波长较长的红端之外到毫米波射电波之间的电磁辐射光谱.宇宙中所有温度低于3000℃、高于-250℃的物体都发射红外线,因此,使用红外望远镜可以观测到温度从3000℃到-250℃的幼年恒星、褐矮星和行星等天体,以及星际尘埃物质和亚毫米波辐射等.     

某类跨大气层飞行器全航程红外辐射特性分析

针对某类跨大气层飞行器飞行过程中需要进出大气层,且飞行速度跨度大等特点,建立了不同空域、不同飞行速度下的机体头部受热模型。当在大气层内飞行时分别使用经验公式和Lees公式计算马赫数小于5和大于5时头部受热情况,当在大气层外飞行时建立了考虑太阳直射、地球反照和地球红外加热情况下的受热模型。利用普朗克定律得到了相同温度下不同波段的红外辐射能量占比情况。最后利用本方法对某类跨大气层飞行器进行了温度和红外辐射计算,得到的计算结果能够大致反映全航程头部温度和红外辐射变化情况。     

太阳同步轨道卫星光学特性

为了分析太阳同步轨道卫星的光学特性,对FY-1卫星的可见光和红外波段光学信号进行了仿真计算和模拟试验验证.通过对外部辐射及内部热源的分析,计算了卫星的温度场,采用随机起伏表面算法模拟表面覆盖材料外表面,通过阴影遮挡判断及双向反射分布函数(BRDF, Bi-directional Reflectance Distribution Function)模型计算卫星对外部辐射的反射特性,编程计算得到在可见光0.4~1.0μm和红外8~14 μm,14~16 μm波段下卫星的光学特性.结果表明红外辐射亮度与表面温度相关,8~14 μm最大约90 W/(m²·sr)、14~16 μm最大约20 W/(m²·sr).空间可见光辐射强度具有明显的镜面反射效应,卫星主体峰值2 200 W/sr.通过地面模拟测量空间目标的温度和红外辐射验证了温度及红外辐射仿真计算模型,可见光辐射强度仿真计算结果与地面模型卫星测量结果误差在20%以内.     

红外窗口材料的热辐射特性测量方法

飞行器在大气层内高超声速飞行时,高温窗口迅速成为气动热辐射效应的主要因素,气动热辐射效应会降低甚至破坏红外(IR)探测系统的性能.通过分析红外探测窗口热辐射传输特性,提出一种红外窗口材料的热辐射特性测量方法,并测量了应用于中波红外(MWIR)探测系统的某蓝宝石红外窗口材料在高温状态下的透过率和自身辐射等热辐射数据.结果表明:在100~350℃范围内,0.1mm厚蓝宝石材料薄层在中波红外3.7~4.8μm波段的热辐射特性与温度近似呈3次方关系,温度越高,蓝宝石透过率越小,自身辐射越大.强烈的自身辐射极易导致红外探测器局部饱和现象,对探测系统造成的影响比透过率引起的信噪比(SNR)下降要大得多.      

飞行弹丸红外特性的地面模拟试验

设计并建立了用于飞行弹丸中段飞行状态实验室模拟的试验系统,测量获得了飞行弹丸的红外辐射特性.基于传热与辐射理论,分析了相关参数对实验结果的影响,获得飞行弹丸在一定飞行状态下的辐射特性变化规律.目标的初始温度和辐照条件是影响目标辐射特性的主要因素,自旋状态影响辐射特性的空间分布.试验测量与数值仿真和理论分析结果均具有很好的一致性,证明在实验室开展飞行弹丸的红外辐射特性模拟试验具有可行性.     

飞机红外辐射及大气透过率计算方法

研究了飞机目标的红外辐射特性,以及红外辐射在大气中的辐射衰减特性.根据现有的理论基础以及飞机自身结构特性,将飞机的红外辐射源分为蒙皮、尾喷口和羽流3部分,并提出了3个辐射源在不同波段、不同角度下的红外辐射特性计算方法.根据红外辐射的大气传输特性,采用了不同波长、不同弹目距离下的大气透过率简易计算方法,并将其与Lowtran7进行比较.计算了飞机在不同波段下,经大气衰减后,最终到达红外探测器的辐射强度.     

无人机红外辐射特性测量方法

无人机飞行时红外辐射特性测量受多方面因素影响,测量精度低,不能满足试验要求。采用室内标定、室外成像进行红外辐射特性反演,利用FasCode软件对大气传输进行估算,对测量结果进行修正,获得无人机红外辐射特性,测量结果与实际情况一致,测量方法有效。     

无人机红外辐射特性测量方法

无人机飞行时红外辐射特性测量受多方面因素影响,测量精度低,不能满足试验要求。采用室内标定、室外成像进行红外辐射特性反演,利用Fas Code软件对大气传输进行估算,对测量结果进行修正,获得无人机红外辐射特性,测量结果与实际情况一致,测量方法有效。     

基于双响应波段工作的红外热像仪测温原理与误差分析

为了提高红外热像仪测温的准确性,根据红外辐射理论,从红外热像仪的测温原理出发,分析了基于双响应工作波段的热像仪的测温原理,得出了目标物体的发射率、物体温度计算公式以及相应误差的估算公式,分析了各影响因素对热像仪测量准确度的影响,提供了一种目标物体发射率的测定方法,对利用红外热像仪准确测量内燃机等热能机械表面温度具有重要的意义。     

一种基于面源黑体的某型红外动态模拟靶标研制

基于某型导引头对目标体红外辐射特性和运动特性的仿真需求,研制了基于面源黑体的红外动态模拟靶标,用于模拟无穷远处的设定目标与背景温差,以及目标体在视场中的动态变化。介绍了该红外动态模拟靶标的基本原理、主要组成以及硬件系统设计和软件实现情况,并对其红外成像辐射特性以及动态性能指标进行了实验验证。     

大口径低温黑体标定装置研制

为了实现更大范围的辐射测量,研制了一套大口径低温黑体标定装置。该装置采用工质制冷技术,避免了大量液氮消耗;采用辐射面竖直放置,有利于红外测量设备标定使用;采取了双参数联动PID控制方案,实现了宽温区辐射体的高稳定性控温。该装置研制中使用了低温黑体的防结霜技术、低温黑体辐射定标温度修正技术、低温黑体校准技术等,为建立低温黑体辐射标准打下基础。     

材料红外辐射特性的评价方法

介绍了一种利用光谱发射率的测量结果来评价新型材料和涂料的红外辐射特性的方法。光谱范围为（０．６７￣１００）μｍ，温度变化为从室温到１０００℃，光谱发射率为０．０５０￣０．９９５，测量不确定度为２％。该方法成功地解决了科研生产中的实际问题。     

巡航导弹红外辐射及大气衰减计算模型

对巡航导弹3个主要辐射源:蒙皮、尾喷管及羽流进行了深入分析,建立了巡航导弹红外辐射计算模型.此外,在红外辐射的大气传输理论基础上,综合考虑高度、倾斜及气象条件等各种因素,分析了大气衰减对红外辐射的影响,建立了大气透过率的理论模型与计算方法.最后,以某型号巡航导弹为例,利用此模型计算了3~5μm和8~12μm两个波段的红外辐射强度、大气光谱透过率和平均透过率,以及经过大气衰减后的红外辐射强度,并对计算结果进行了分析.结果表明,这是一种计算巡航导弹红外辐射的简单方法.      

微射流强化混合对喷流红外辐射特性的影响

计算了微射流强化混合喷流在3~5μm波段的红外辐射特性,并与无微射流强化混合的喷流红外辐射特性进行了比较,分析了微射流强化混合对喷流红外辐射特性的影响.喷流的流场及温度场结果采用有限体积法求解N-S方程得到,采用Tam-Thies湍流模型模拟喷流.红外辐射特性的计算采用有限体积法求解吸收-发射性介质条件下的三维辐射传输方程得到.计算结果表明,在中等亚音速条件下,微射流可以达到较好的强化混合效果,射流流量占主流流量1%时,喷流的红外辐射强度比基准喷流的红外辐射强度降低15%左右,射流流量达到主流流量的3%时,喷流的红外辐射强度可以降低27%左右.