中段目標紅外特征分析和仿真范文

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摘要：分析中段目標的熱輻射環(huán)境，提出一種利用節(jié)點網絡法計算中段自旋目標表面溫度分布和變化規(guī)律的算法，并根據(jù)熱輻射的相關定律提出計算對應溫度下目標表面紅外輻射亮度分布和變化規(guī)律的算法，最后以典型的錐形目標為例進行紅外輻射特征的仿真計算。

關鍵詞：中段目標；表面溫度；紅外特征；自旋

引言

彈道目標進入中段后會受到天基紅外探測衛(wèi)星和攔截導彈的威脅，同時也會使用紅外誘餌來迷惑敵方紅外探測器，提高自身的突防能力。目標在中段的紅外輻射特征是攻守雙方關注的焦點，研究彈道目標在中段的紅外輻射特征一方面可以為探測、跟蹤、識別中段目標提供目標特征信息，另一方面也可以給中段紅外誘餌的設計提供指標參考。目前，國內對中段目標的紅外輻射特征已經有一些研究成果，文獻[1-3]將中段目標視為點源，研究了其在日照區(qū)和陰影區(qū)的溫度變化以及紅外輻射強度變化，文獻[4-6]將目標視為面源，研究了其在中段飛行中某些時刻的溫度場和多個波段的紅外輻射場。目前的研究成果中，普遍未考慮目標自旋的影響，且將目標設定為固定高度，與中段目標的實際飛行狀態(tài)有差別。本文在前人研究成果的基礎上，考慮目標自旋的影響，加入飛行高度隨時間的變化，細化了目標的溫度場和紅外輻射場的求解算法，給出了在任意觀測方向上目標整體在某個波段內紅外輻射強度的計算方法，并以典型的錐形中段目標為例進行了紅外輻射特征的仿真計算。

1中段目標表面溫度計算

1.1目標熱輻射環(huán)境分析

目標的紅外輻射特征取決于其表面材料的溫度和發(fā)射率[2]，而目標表面材料的發(fā)射率T,所以目標在某波長上的紅外輻射歸根結底取決于其表面材料的溫度，要求得目標的輻射特征首先需要求得目標表面的溫度。

1.2建立溫度求解方程

目前求解目標表面溫度分布的最佳方法是節(jié)點網絡法[8]。其求解思路為：首先建立目標的三維模型，并將目標表面劃分成若干小面元，每個小面元視為各向同性的平面（溫度、密度、厚度等參數(shù)處處相等）；然后通過分析小面元的熱平衡條件，建立小面元的熱平衡方程，得到小面元溫度的求解公式；最后求解出所有小面元在不同時刻的溫度，得到目標表面各個時刻的溫度場。

1.3溫度場求解

1.3.1角系數(shù)求解式（2）中的前三項123Q、Q、Q都包含一個各自的角系數(shù)，它們由輻射源方向和小面元法向量的夾角確定，表示小面元對輻射源能量的吸收比例。1.3.2方程簡化式（2）是一個微分方程，直接求解很困難，將其微分項改寫為前向差分形式遞推求解。

1.3.3目標自旋處理目標自旋的情況下，每個面元的法向量繞自旋軸隨時間作周期性變化。以圓錐底面為xoy平面，圓錐中心軸為z軸建立直角坐標系。

2中段目標紅外輻射特征

計算每個小面元都可根據(jù)其溫度求解出對應的任意波段內的法向紅外輻射亮度，同一時刻所有小面元紅外輻射亮度的集合即為目標在該時刻的紅外輻射亮度分布。通過對需要波段內的每個時刻的紅外輻射亮度分布求解，即可得到想要的目標紅外輻射特征及其變化。

3仿真分析

設置仿真條件為：目標為錐體，母線長1m，半錐角10°；目標錐面按50×50網格等面積劃分，底面按50×5網格等面積劃分（錐面與底面劃分后面元面積不同）；目標表面材料密度為1012kg/m3，比熱容為2300J/(kg•K)，厚度為2mm，導熱率0.6W/(m•K)；目標視為灰體，其表面材料的發(fā)射率為常量0.85，吸收率為常量0.7；目標自旋速度為1.5周/s；各輻射源方向如圖3所示；目標射程4500km，拋物線軌道，中段飛行高度為100km~1400km；中段時間共1200s，其中0s~600s為陰影區(qū)，600s~1200s為日照區(qū)；目標表面初始溫度為300K，仿真步長t為0.01s。仿真計算了目標在1200s內表面的輻射亮度分布以及不同觀測角度下目標的整體輻射強度。

4結束語

本文對中段自旋目標表面的溫度和紅外輻射特征的計算方法進行了分析，并以典型的錐形中段目標為例進行了仿真計算，結果表明自旋目標在中段飛行過程中，其表面的輻射亮度分布明顯地分為錐面和底面兩個區(qū)域，并且兩區(qū)域在日照區(qū)的變化規(guī)律不同。在遠距離上觀測到的目標紅外輻射強度與觀測角度有很大關系，在平行于母線方向觀測時最小，在垂直于母線方向觀測時最大。本文對中段錐形自旋目標紅外特征的仿真算法還可推廣到其他形狀和微動狀態(tài)的目標，其計算區(qū)別在于表面的建模和面元法向量的變化，利用此算法可以對中段目標的紅外輻射特征做出估計，為中段紅外誘餌的設計提供依據(jù)。

作者：魏志雄；孫玉斌；周云生 單位：北京遙測技術研究所