中段目標(biāo)紅外特征分析和仿真范文

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摘要：分析中段目標(biāo)的熱輻射環(huán)境，提出一種利用節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)法計(jì)算中段自旋目標(biāo)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(guān)定律提出計(jì)算對應(yīng)溫度下目標(biāo)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(biāo)為例進(jìn)行紅外輻射特征的仿真計(jì)算。

關(guān)鍵詞：中段目標(biāo)；表面溫度；紅外特征；自旋

引言

彈道目標(biāo)進(jìn)入中段后會受到天基紅外探測衛(wèi)星和攔截導(dǎo)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(biāo)在中段的紅外輻射特征是攻守雙方關(guān)注的焦點(diǎn)，研究彈道目標(biāo)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(biāo)提供目標(biāo)特征信息，另一方面也可以給中段紅外誘餌的設(shè)計(jì)提供指標(biāo)參考。目前，國內(nèi)對中段目標(biāo)的紅外輻射特征已經(jīng)有一些研究成果，文獻(xiàn)[1-3]將中段目標(biāo)視為點(diǎn)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(qiáng)度變化，文獻(xiàn)[4-6]將目標(biāo)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(biāo)自旋的影響，且將目標(biāo)設(shè)定為固定高度，與中段目標(biāo)的實(shí)際飛行狀態(tài)有差別。本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，考慮目標(biāo)自旋的影響，加入飛行高度隨時間的變化，細(xì)化了目標(biāo)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(biāo)整體在某個波段內(nèi)紅外輻射強(qiáng)度的計(jì)算方法，并以典型的錐形中段目標(biāo)為例進(jìn)行了紅外輻射特征的仿真計(jì)算。

1中段目標(biāo)表面溫度計(jì)算

1.1目標(biāo)熱輻射環(huán)境分析

目標(biāo)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(biāo)表面材料的發(fā)射率T,所以目標(biāo)在某波長上的紅外輻射歸根結(jié)底取決于其表面材料的溫度，要求得目標(biāo)的輻射特征首先需要求得目標(biāo)表面的溫度。

1.2建立溫度求解方程

目前求解目標(biāo)表面溫度分布的最佳方法是節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)法[8]。其求解思路為：首先建立目標(biāo)的三維模型，并將目標(biāo)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(biāo)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(xiàng)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(xiàng)改寫為前向差分形式遞推求解。

1.3.3目標(biāo)自旋處理目標(biāo)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(biāo)系。

2中段目標(biāo)紅外輻射特征

計(jì)算每個小面元都可根據(jù)其溫度求解出對應(yīng)的任意波段內(nèi)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(biāo)在該時刻的紅外輻射亮度分布。通過對需要波段內(nèi)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(biāo)紅外輻射特征及其變化。

3仿真分析

設(shè)置仿真條件為：目標(biāo)為錐體，母線長1m，半錐角10°；目標(biāo)錐面按50×50網(wǎng)格等面積劃分，底面按50×5網(wǎng)格等面積劃分（錐面與底面劃分后面元面積不同）；目標(biāo)表面材料密度為1012kg/m3，比熱容為2300J/(kg•K)，厚度為2mm，導(dǎo)熱率0.6W/(m•K)；目標(biāo)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(biāo)自旋速度為1.5周/s；各輻射源方向如圖3所示；目標(biāo)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(biāo)表面初始溫度為300K，仿真步長t為0.01s。仿真計(jì)算了目標(biāo)在1200s內(nèi)表面的輻射亮度分布以及不同觀測角度下目標(biāo)的整體輻射強(qiáng)度。

4結(jié)束語

本文對中段自旋目標(biāo)表面的溫度和紅外輻射特征的計(jì)算方法進(jìn)行了分析，并以典型的錐形中段目標(biāo)為例進(jìn)行了仿真計(jì)算，結(jié)果表明自旋目標(biāo)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(yuǎn)距離上觀測到的目標(biāo)紅外輻射強(qiáng)度與觀測角度有很大關(guān)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(biāo)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(biāo)，其計(jì)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(biāo)的紅外輻射特征做出估計(jì)，為中段紅外誘餌的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

作者：魏志雄；孫玉斌；周云生 單位：北京遙測技術(shù)研究所