中段目标红外特征分析和仿真范文

摘要：分析中段目标的热辐射环境，提出一种利用节点网络法计算中段自旋目标表面温度分布和变化规律的算法，并根据热辐射的相关定律提出计算对应温度下目标表面红外辐射亮度分布和变化规律的算法，最后以典型的锥形目标为例进行红外辐射特征的仿真计算。

关键词：中段目标；表面温度；红外特征；自旋

引言

弹道目标进入中段后会受到天基红外探测卫星和拦截导弹的威胁，同时也会使用红外诱饵来迷惑敌方红外探测器，提高自身的突防能力。目标在中段的红外辐射特征是攻守双方关注的焦点，研究弹道目标在中段的红外辐射特征一方面可以为探测、跟踪、识别中段目标提供目标特征信息，另一方面也可以给中段红外诱饵的设计提供指标参考。目前，国内对中段目标的红外辐射特征已经有一些研究成果，文献[1-3]将中段目标视为点源，研究了其在日照区和阴影区的温度变化以及红外辐射强度变化，文献[4-6]将目标视为面源，研究了其在中段飞行中某些时刻的温度场和多个波段的红外辐射场。目前的研究成果中，普遍未考虑目标自旋的影响，且将目标设定为固定高度，与中段目标的实际飞行状态有差别。本文在前人研究成果的基础上，考虑目标自旋的影响，加入飞行高度随时间的变化，细化了目标的温度场和红外辐射场的求解算法，给出了在任意观测方向上目标整体在某个波段内红外辐射强度的计算方法，并以典型的锥形中段目标为例进行了红外辐射特征的仿真计算。

1中段目标表面温度计算

1.1目标热辐射环境分析

目标的红外辐射特征取决于其表面材料的温度和发射率[2]，而目标表面材料的发射率T,所以目标在某波长上的红外辐射归根结底取决于其表面材料的温度，要求得目标的辐射特征首先需要求得目标表面的温度。

1.2建立温度求解方程

目前求解目标表面温度分布的最佳方法是节点网络法[8]。其求解思路为：首先建立目标的三维模型，并将目标表面划分成若干小面元，每个小面元视为各向同性的平面（温度、密度、厚度等参数处处相等）；然后通过分析小面元的热平衡条件，建立小面元的热平衡方程，得到小面元温度的求解公式；最后求解出所有小面元在不同时刻的温度，得到目标表面各个时刻的温度场。

1.3温度场求解

1.3.1角系数求解式（2）中的前三项123Q、Q、Q都包含一个各自的角系数，它们由辐射源方向和小面元法向量的夹角确定，表示小面元对辐射源能量的吸收比例。1.3.2方程简化式（2）是一个微分方程，直接求解很困难，将其微分项改写为前向差分形式递推求解。

1.3.3目标自旋处理目标自旋的情况下，每个面元的法向量绕自旋轴随时间作周期性变化。以圆锥底面为xoy平面，圆锥中心轴为z轴建立直角坐标系。

2中段目标红外辐射特征

计算每个小面元都可根据其温度求解出对应的任意波段内的法向红外辐射亮度，同一时刻所有小面元红外辐射亮度的集合即为目标在该时刻的红外辐射亮度分布。通过对需要波段内的每个时刻的红外辐射亮度分布求解，即可得到想要的目标红外辐射特征及其变化。

3仿真分析

设置仿真条件为：目标为锥体，母线长1m，半锥角10°；目标锥面按50×50网格等面积划分，底面按50×5网格等面积划分（锥面与底面划分后面元面积不同）；目标表面材料密度为1012kg/m3，比热容为2300J/(kg•K)，厚度为2mm，导热率0.6W/(m•K)；目标视为灰体，其表面材料的发射率为常量0.85，吸收率为常量0.7；目标自旋速度为1.5周/s；各辐射源方向如图3所示；目标射程4500km，抛物线轨道，中段飞行高度为100km~1400km；中段时间共1200s，其中0s~600s为阴影区，600s~1200s为日照区；目标表面初始温度为300K，仿真步长t为0.01s。仿真计算了目标在1200s内表面的辐射亮度分布以及不同观测角度下目标的整体辐射强度。

4结束语

本文对中段自旋目标表面的温度和红外辐射特征的计算方法进行了分析，并以典型的锥形中段目标为例进行了仿真计算，结果表明自旋目标在中段飞行过程中，其表面的辐射亮度分布明显地分为锥面和底面两个区域，并且两区域在日照区的变化规律不同。在远距离上观测到的目标红外辐射强度与观测角度有很大关系，在平行于母线方向观测时最小，在垂直于母线方向观测时最大。本文对中段锥形自旋目标红外特征的仿真算法还可推广到其他形状和微动状态的目标，其计算区别在于表面的建模和面元法向量的变化，利用此算法可以对中段目标的红外辐射特征做出估计，为中段红外诱饵的设计提供依据。

作者：魏志雄；孙玉斌；周云生 单位：北京遥测技术研究所