LOWTRAN 大气层外无翼飞行器红外辐射建模分析

LOWTRAN 大气层外无翼飞行器红外辐射建模分析 ---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ LOWTRAN 大气层外无翼飞行器红外 辐射建模分析 摘要基于无翼飞行器定位需求，本论文通过对无翼飞行器的飞行过程进行分析，建立了无翼飞行器的温度特性模型，表面红外辐射模型,在综合考虑大气吸收、散射及气象条件等各种因素下建立了大气衰减作用下的红外辐射模型以及目标在两种波段下光谱分布与空间分布，并对大气传输计算软件LOWTRAN7的输入片“tape5”进行编程，将结果输出到“tape6”文件上，得出其在所需条件下的各种特性值。以某种无翼飞行器为例，在已建立的仿真模型基础上，进行了数值计算并对计算并对结果进行了分析。9188 关键词红外辐射温度模型可见光波段LOWTRAN频谱分布和空间分布 毕业设计说明书,论文,外文摘要 1 / 18 TitleA Infrared Radiation’s Modeling and Anylysis of NoWing Aircraft in the Exoatmospheric Abstract Base in Wing aircraft positioning needs, wingless aircraft temperature model, the infrared radiation model of the target , atmospheric attenuation under the target model and the objectives of the infrared radiation spectral distribution and spatial distribution of the two bands, the goal of infrared radiation intensity, atmosphericthe spectral transmittance through the atmospheric attenuation of infrared radiation.In this paper, the wing aircraft flight analysis, considering the atmospheric absorption, scattering and meteorological conditions and other factors, conduct input piece tape5 for LOWTRAN7 program, the calculatesthe programming output of the radiation and the results under certain conditions to tape6 success.The obtained model in the required conditions, conditions in the simulation model based on the model assumptions, a numerical calculation and the calculation results are ---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ analyzed. 4.2.2部分重要代码29 4.3系统截图39 结论41 致谢42 参 考 文 献43 1 绪论 1.1课研究背景及意义 如今航空航天领域的研究是我国比较热门的研究学科，关于无翼飞行器在大气中的定位方法以及温度、辐射模型建立也一直在不断更新，本文即前人的 3 / 18 诸多理论，通过大气辐射传输软件来对无翼飞行器的温度模型以及红外辐射模型分别进行仿真，并综合考虑大气吸收、散射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计算模型，得到了气衰减作用下的目标辐射模型，计算两种波段下目标红外辐射强度、大气光谱透过率以及经过大气衰减后的红外辐射强度，对夜间和午间条件下无翼飞行器的红外辐射频谱分布和空间分布分别进行数值计算，并对计算结果进行了分析。 无翼飞行器在飞行过程中的辐射特性是追踪其方位非常重要的物理特性，对于飞行器的监控系统的目标检测、跟踪和识别都具有重要的意义。 无翼飞行器在飞行过程中分为助推段、终段航行、末段飞行，它在中段飞行飞行的时间时间最长，飞行轨迹相对固定，便于进行定位与捕抓，因此中断定位是飞行器在定位过程中最重要的一环。但是，无翼飞行器在飞行中段往往存在较多的假目标与诱饵[6]，使得无翼飞行器的定位容易出现误差，而利用光学技术对中段飞行的无翼飞行器进行目标识别是一种重要的识别途径。红外辐射特性是光学测量与识别的关键与 ---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ 前提，目标的温度和辐射强度是识别判断的关键性参数，他们集中反映了无翼飞行器的物理特征，因此研究无翼飞行器在飞行中段的红外辐射特性，可谓光学预警识别信息处理技术和地基预警以及天基预警等系统的开发奠定一定的基础。 目前,我国已对目标和红外辐射进行了一定的研究，目标红外辐射特性的研究方法主要有实际测量、模拟测量和数值计算。实际测量可以获得较为准确真实的测量结果，但需要考虑的因素很多，且测试费用很高,国内有关单位和研究人员运用理论计算与实验室模拟测量相结合地方法，研究了空间目标的红外辐射特性，但这还远远不能满足需要，鉴于无翼飞行器在中段飞行时几乎处于真空环境，环境应速效，弹道单一，顾可以对其飞行过程进行仿真进行数值运算，利用热平衡理论建立了无翼飞行器的温度数学模型，结合红外辐射计算模型，得到了一般情况下无翼飞行器的辐射特性，为满足实际需求，进一步计算大气衰减作用下的辐射特性。随着红外成像系统在空间目标监视与跟 5 / 18 踪、特别是弹道防御中的作用日益突出，基于红外成像的弹道目标群识别问题已可建立较为完善的弹道目标群红外特性计算模型和天基红外传感器成像模型，可以准确地仿真了天基红外传感器对大气层外弹道式目标群的动态红外成像结果，对目标红外辐射可以进行定量的仿真。 1.3本文的主要工作和内容安排 本文主要在于分析无翼飞行器温度模型、红外辐射模型，和在大气环境下各种衰减作用下的辐射模型和大气光谱透过率，侧重于理论研究，并分析源码了解LOWTRAN7如何建立各种环境下的辐射模型，同时需要运用vc++，对LOWTRAN7的卡片5进行编程操作，即对LOWTRAN7的输入满足理论要求的数据并对结果进行分析。主要工作如下: ,1,搜集资料，对无翼飞行器在巡航段的各种参数进行假设。学习大气辐射传输理论，对于大气中的各种衰减元素以及辐射方面的参数进行了解。 ---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ ,2,普朗克定律:是用于描述在任意温度下，从一个黑体中发射的电磁辐射的辐射率与电磁辐射的频率的关系。这里辐射率是频率ν的#数#[1]: (2.1) 这个函数在hv=2.82kT时达到峰值。如果写成波长的函数，在单位立体角内的辐射率为注意这两个函数具有不同的单位: (2.1.2) 第一个函数是描述单位频率间隔内的辐射率，而第二个则是单位波长间隔内的辐射率。因而I(ν,T)和I(λ,T)并不等价。它们之间存在有如下关系: (2.1.3) 通过单位频率间隔和单位波长间隔之间的关系，这两个函数可以相互转换: 7 / 18 (2.1.4) 2.2大气的垂直结构 表述大气物理状况的物理量一般有气压、大气温度与大气湿度，他们在垂直方向上的变化远远大于水平方向上的梯度，大气效应纠正中大多假定大气具有水平均一、垂直分层结构。 大气厚度约为1000km,从地面到大气上界，可垂直分为4层: 对流层:高度在7,12 km,温度随高度而降低，空气明显垂直对流，天气变化频繁，航空遥感主要在该层内。上界随纬度和季节而变化。 平流层:高度在12,50 km，没有对流和天气现象。底部为同温层,航空遥感活动层,，同温层以上为暖层，温度由于臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。 电离层:高度在50,1 000 km，大气中的O2、N2 ---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ 受紫外线照射而电离，对遥感波段是透明的，是陆地卫星活动空间。 大气外层:800,35 000 km ,空气极稀薄，对卫星基本上没有影响。 目标在大气层外飞行时,可能有一部分太阳辐射直接传输到目标表面,通常将这一部分太阳辐射简称太阳直接辐射,目标表面第m面元反射太阳直接辐射在λ1-λ2波段任意方向的辐射强度Is,m为: (2.3.4) 式中Esun为太阳直接辐射在地球大气层外的总辐照度,Ksun为太阳直接辐射在地球大气层外在λ1-λ2波段的辐照度与Esun的比值,ρsun为为第m面元该波段对太阳光谱的平均反射率Fm,s为该面元在该方向反射太阳直接辐射的角系 9 / 18 数地球反射的太阳辐射在该面元表面也被反射，通常将这一部分太阳辐射简称为太阳间接辐射。目标表面第m面元反射太阳间接辐射在λ1-λ2波段任意方向的辐射强度Ise,m为: (2.3.5) 式中ρse为地球及其大气系统对太阳光谱的平均反射率,Fm,se为面元在该方向反射太阳间接辐射的角系数. 地球辐射为地球及其大气系统的热辐射。该面元所反射的地球辐射在λ1-λ2波段任意方向的辐射强度Ie,m为: (2.3.6) 式中为地球辐射的辐射出射度;Mearth为地球辐射在λ1-λ2式中为地球辐射的辐射出射度;Kearth为地球辐射在λ1-λ2波段的辐射出射度与Mearth的比值,ρe,m为第m面元该波段对地球辐射的平均反射率,Fe,m为该面元在该方向 ---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ 反射地球辐射的角系数。 目标在λ1-λ2波段任意方向反射地球辐射的辐射强度Ie,r为它的所有面元在该波段该方向反射地球辐射的辐射强度之和: 即大气分子对电磁波能量的吸收。所有物质对某些范围内的电磁波都是透明的，而对另一些范围内的电磁波却不是透明的。我们把物质对某些范围内的电磁波不是透明的性质叫做物质对电磁波的吸收。由于自然界中的一切物体,只要温度在绝对温度零度以上,都以电磁波的形式时刻不停地向外辐射，所以说处在大气层外面的天体和里面的地球都会发生辐射，当辐射传播到大气层时大气层吸收其中某些范围内的电磁波。 大气吸收,atmospheric absorption,大气中各种成分，对电磁波辐射在其中传播肘的吸收作用。大气吸收是选择吸收，太阳辐射通过长长的大气路径，遭受一系 11 / 18 列吸收后到达地表，被吸收的能量转变为热能、离化能或其它形式的能量，对确定各层大气的物理和化学状态起着重要作用。在微波和毫米波段，氧和水汽是大气气体吸收的主要成分。氧分子具有磁偶极矩,水分子具有剩余电偶极矩。在电磁场的作用下,当电磁波的频率与分子转动能级跃迁频率一致时，分子吸收电磁波的能量，其转动能级由低向高跃迁，形成共振吸收。在分子碰撞的情况下，这种共振吸收谱线不是频率单一的谱线，而是有一定的频谱宽度。这样，氧和水汽不仅激烈地吸收频率与吸收谱线中心频率十分相近的电磁波，也会吸收频率不一致的电磁波。 2.4.2 大气散射 大气散射是重要而且普遍发生的现象，大部分进入我们眼睛的光都是散射光。如果没有大气散射，则除太阳直接照射的地方外，都将是一片黑暗。大气散射作用削弱了太阳的直接辐射，同时又使地面除接收到经过大气削弱的太阳直接辐射外，还接收到来自大气的散射辐射，大大增加了大气辐射问题的复杂性。大气散射是大气光学和大气辐射学中的重要内容。也是微波雷达、激光雷达等遥感探测手段的重要理论基础 ---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ ,见微波大气遥感、激光大气遥感,。光和粒子的相互作用，按粒子同入射波波长(λ)的相对大小不同，可以采用不同的处理方法:当粒子尺度比波长小得多时，可采用比较简单的瑞利散射公式,当粒子尺度与波长可相比拟时，要采用较复杂的米散射公式;当粒子尺度比波长大得多时,则用几何光学处理。一般考虑具有半径?的均匀球状粒子的理想散射时,常采用无量纲尺度参数q= 2πr/λ作为判别:当q<0.1时，可用瑞利散射,当q≥0.1时,需用米散射,当q>50时,可用几何光学。同一粒子对不同波长而言，往往采用不同的散射处理方法,如直径1μm的云滴对可见光的散射是米散射,但对微波，却可作瑞利散射处理。 2.4.3 因气象条件的衰减 因为气象,雾、雨、雪,粒子尺寸通常比红外辐射波长大得多，所以根据米氏理论，这样的粒子产生非选择的辐射散射。 13 / 18 无力的尺寸各有不同，虽然在雾中有衰减，但随波长的变化，避灾大气份子和粒子散射是要弱些，而不比8--14μm透过窗口小，通常它比可见光区小2--2.5倍。 在可见光和红外谱区，雨和雪的辐射衰减与雾的衰减有别，是非选择性的。因此，对于决定与其强度相关的雨、雪的衰减系数可采用在10.6μm波长的到的经验公式: α雨=0.66J α雪=6.5J 式中，J雨、J雪分别为与气象条件相关的降雨，降雪强度，mm/h. 可采用下面的降雨强度数值进行计算: 小雨——2.5mm/h; ---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ 中雨——12.5mm/h; 大雨——25mm/h。 由雨的衰减所导致的透过率为:(2.4.3.1) 由雨的衰减所导致的透过率为:(2.4.3.2) 式中R为作用距离 2.5 大气窗口与大气透过率 2.5.1 大气窗口 在红外波段，吸收比散射严重得多。根据分子物理学理论，吸收是入射辐射和分子系统之间相互作用的结果。辐射通过整个大气层时，产生极大的选择性吸收。其中对红外线的吸收最强烈的是H2O，其次是CO2和O3，而CO、O2、N2O、CH4这类分子，仅在一定条件下吸收才比较显著。在下图的大气透过光谱分析中，各种气体吸收较弱的窗口主要有三个: 15 / 18 2.1,2.5μm,3,5μm，8,14μm，，在这三个窗口，大气对红外线是相对透明的。 图2.1大气窗口的光谱透射率 2.5.2 大气窗口 红外辐射经过大气的衰减与传输距离、大气相对湿度、物体温度等有关[7]。 图2.2相同湿度下经过不同传输距离后红外辐射光谱的透射分布 另一方面，辐射强度也可以由于相同波长上物质的发射以及多次散射而增强，多次散射使所有其他方向的一部分辐射进入所研究的辐射方向。如下定义源函数系数 ---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ Jλ,使由于发射和多次散射造成的强度增大为: (2.6.2) 式中源函数系数jλ具有和质量消光界面相同的物理意义，因此方程可重新排列得到 ，(2.6.3) 这就是不加任何坐标系的普遍辐射传输方程，它是讨论任何辐射传输的基础。 2.7目标红外辐射特性最佳波段选择 无翼飞行器飞行过程我们可简介如图2.3: 图2.3 飞行轨迹 17 / 18 飞行器的时间与高度可绘图如图2.4: 图2.4 飞行高度-时间 由此可得出飞行器的飞行时间与速度之间的关系如图2.5: LOWTRAN 大气层外无翼飞行器红外辐射建模分析(8):