建设和谐社会-大学入党申请书格式

第
33
卷第
5
期
2014
年
10< br>月
文章编号
：1001－9014（2014）05－0492－06
红外与毫 米波学报
J．InfraredMillim．Waves
Vol．33，No．5
2 014
October，
DOI：10．3724SP．J．1010．2014．
0 0492
基于辐射通量表观对比度光谱的红外预警卫星
探测波段选择方法
刘尊洋
，
邵立
，
汪亚夫
，
孙晓泉
*
（
电子工程 学院脉冲功率激光技术国家重点实验室
，
安徽
合肥
230037）
摘 要
：
选择合理的探测波段是设计红外预警卫星需要解决的重要问题
．
提出了一 种基于点目标辐射通量表观对比
度光谱确定红外预警卫星探测波段的方法
．
论文首先建 立了较完善的火箭尾焰表观对比度光谱计算模型
，
进一步
建模计算了典型液体和固体火 箭尾焰在不同高度的红外辐射特性
，
使用通用大气辐射传输
（CAＲT）
软件 计算了典
型大气条件下的地球

大气背景辐射以及不同高度处大气的透过率和路径辐射< br>，
在此基础上以典型液体和固体火
箭为例
，
计算了尾焰在不同高度处的 辐射通量表观对比度光谱
．
结果表明
：
不论液体还是固体火箭
，在
2．55～
2．85
μ
m
和
4．19～4．48μ
m
波段的辐射通量表观对比度都比较大
，
红外预警卫星工作波段可以选 为上述波段
．
关键词
：
红外预警卫星
；
探测波段
；
辐射通量表观对比度
；
火箭尾焰
中图分类号
：TN215
文 献标识码
：A
Abandselectionmethodforinfraredwarni ngsatellitesbasedon
radiationfluxapparentcontra stspectrum
LIUZun-Yang，SHAOLi，WANGYa- Fu，SUNXiao-Quan
*
（StateKeyLaboratoryofPulse dPowerLaserTechnology，ElectronicEngineeringInstitu te，Hefei230037，China）
Abstract：Theselectionofde tectionbandisfundamentaltothedesignofinfraredwarni ngsatellites．Anapproachadop-
tingpointtargetrad iationfluxapparentcontrastspectrumtoselectthedetec tionbandwasproposedinthispaper．Arela-
tivelycom pletemodelcalculatingtheapparentcontrastspectrumof rocketplumewasfoundedatfirst．Thentheinfrared
ra diationspectralcharacteristicsoftypicalliquidandso lidrocketsatvariousaltitudeswereobtainedbymodeling andsim-
ulating．Finally，theinfraredradiationofb ackgroundandthetransmittancesandpathradiationofatm ospherewerecalcu-
latedusingthecombinedatmosphe ricradiativetransfer（CAＲT）．Basedontheaboveresults， theapparentcontrastsspec-
traloftypicalliquidan dsolidrocketsatvariousaltitudesweregained．Ｒesultso fbothliquidandsolidrocketsshowthat，
theapparent contrastat2．55～2．85
μ
mand4．19～4．48
μ
marehigherthanotherbands，andmightbesuitableforthe< br>infraredwarningsatellitesdetectionbandchosenbyt hespacebasedinfraredsystem．
Keywords：infraredwa rningsatellites，detectionband，radiationfluxapparen tcontrast，rocketplume
PACS：95．55．Ｒg，95．85．-e
引言
选择合理的探测波段
，
可以提高红外预警卫星
降低其虚警率
；
反之则容易使目标湮没
的探测概率
，
于背景之中
．
上世纪< br>60
年代
，
美国
“
米达斯
”
卫星选
择
2．3
μ
m
波段探测导弹
，
波段选择不当是其失败
的重要原因
［1］
合理的探测波段
，
但并未公布具体的波段范围
，
只是
［2］
宣称在
2．7
μ
m
和
4．3< br>μ
m
波长附近
．
近年来
，
国内针对红外预警卫星的探 测波段选
［3］
许尤
择
，
开展了一系列的研究
．
朱 定强等人
，
福
［5］［6］
、
邵立等人和李盾等人分别从导弹辐射光
地球

大气背景辐射以及卫星探测器材料组
谱特性
、
［4］< br>．
因此
，
国外后续预警系统采用了更
成等方面推断
，
分析了红外预警卫星探测波段的确
Ｒeceiveddate：2013-05-10，revised date：2013-09-23
修回日期
：2013-09-23
收稿日期
：2013-05-10，
基金项目
：
国家重点实验室基金项目
（10J00 6）
Foundationitems：SupportedbyFoundationofState KeyLaboratory（10J006）
），mail：liukp2003@163．com< br>作者简介
（Biography）：
刘尊洋
（1984-
男
，
博士生
，
主要从事红外辐射及光电仿真方面的研究
．E-
*
mail：sunxq@ustc．com
通讯作者
（Correspondingautho r）：E-

5
期
刘尊洋
等
：
基于辐射通量表 观对比度光谱的红外预警卫星探测波段选择方法
493
如国外报道那样工作在
2．7< br>μ
m
和
4．3
μ
m
附近
．
但
是由于这些研究方法将目标
、
背景
、
探测器等探测要
素孤立起来< br>，
缺乏系统性
，
因此推导导弹预警卫星探
［1］
测波段时难免 考虑不够全面
．
张光明等人
首次从
系统角度出发
，
利用导弹 助推段红外探测器的像面
照度模型确定了
DSP
预警卫星的探测波段为
2．6 0～2．80
μ
m
和
4．18～4．45
μ
m．
后 续研究基本
都是沿袭此从系统角度开展研究的思路
．
张伟等
人
提出使 用系统等效目标
（SET）
综合表示背景杂
波噪声和探测器电子学噪声对波段选择的影 响
，
然
后以综合信噪比作为目标函数确定了
DSP
预警卫
星 的最佳工作波段为
2．73～2．85
μ
m
和
4．20～
4 ．43
μ
m．
但是
，
上述两个报道仅以其他文献中报道
的特 定高度处尾焰光谱辐射强度曲线为依据
，
而没
有考虑不同高度尾焰光谱辐射强度的变化
．
另外
，
在
计算目标信号时
，
仅考虑大气的衰减而 忽略了大气
路径辐射的贡献
．
鉴于此
，
叶庆等人
以视在对比
度为目标函数确定
DSP
卫星的最佳工作波段
，
计算
了尾焰 在不同海拔高度的尾焰光谱辐射亮度
，
综合考
虑了大气的吸收作用和大气路径辐射的增 益作用
，
最
终认为
DSP
预警卫星的最佳探测波段应该为
2 ．63～
2．83
μ
m
和
4．18～4．50
μ
m ．
该文考虑了不同高度的
尾焰光谱分布以及路径辐射对尾焰视在辐射的贡献
，
但选择了亮度对比度作为目标函数
．
这一选择对于面
目标探测系统而言是合适的
，
而红外预警卫星为点目
标探测系统
，
尾焰的整体辐射强度才是探测系统所 接
收到的目标信号
，
而尾焰各处温度和气体组分分布不
同
，
其局部区域辐射亮度的光谱分布规律与整个尾焰
辐射强度的光谱分布规律并不完全一致
，
因此用亮度
对比度作为目标函数不一定适用于分析红外预警卫
星的探测波段
．
另外
，
由于尾焰相对探测器张角小于
探测器的瞬时视场
（IFOV），特别是火箭飞行高度较
［8］
低时
，
尾焰尺寸仅为百米量级
，< br>对探测器张角远小
于探测器
IFOV，
此时就需要考虑
IFOV
内尾焰所占立
［9］
体角以外背景辐射的贡献
．
鉴于此
，
论文提出一种利用点目标辐射通量表观
对比度光谱确定红外预警卫星探测波段的方法
，
建立
了较完善的火箭尾焰表观对比度光谱计算模型
，
在计
算目标所在
IFOV
与相邻
IFOV
内的辐射通量对比度
IFOV
内填充背景光 谱分布规律时
，
考虑了尾焰辐射
、
的辐射
，
路径辐射对目标 所在像元辐射通量的贡献
．
基于此模型
，
论文研究了液体和固体两种不同燃料 的
火箭在不同高度处表观对比度光谱分布规律
，
为红外
预警卫星探测波段的选 择提供了参考
．
［2］
［7］
1
火箭尾焰点目标辐射通量表观对比度 定义
由于尾焰所张立体角小于红外预警卫星的瞬时
视场
（IFOV
），
故可以视为点目标
，
如图
1
所示
．
图
dp
为尾焰尺寸
，d
为单元探测器尺寸
，
中
，
θ为尾焰
IFOV
为单元探测器瞬时视场
．
所张立体角
，
图
1尾焰辐射大气传输及瞬时视场示意图
Fig．1Illustrationofplumeinfr aredradiationtransfer
throughatmosphereandIFOV< br>由于尾焰尺寸不能充满整个
IFOV，
根据图
1，
所以目标所在
IFOV
的辐射通量由三部分组成
：
一
是来自尾焰辐射经大气衰减后到达像 元表面的辐射
通量
，
二是目标所张立体角内路径辐射在像元表面
产生的辐射通 量
，
三是目标所张立体角外像元
IFOV
内地球大气背景辐射在像元表面产生 的辐射通量
．
据此
，
目标所在
IFOV
内总的辐射通量可以 表示为
：
S
o
S
o
Φ
m
=I
m< br>τ
a
2
τ
o
+L
path
A
m2
τ
o
L
ms
L
ms
，（1）
So
+L
B
（A
p
－A
m
）
2
τ
o
L
ms
S
o
为光
I
m
为尾焰 辐射强度
，
τ
a
为大气透过率
，
式中
，
L
ms
为火箭和红外预警卫星之间的
学系统入瞳面积
，
距离
，
τ
o
为光学系统透过率
．L
path
为路径的大气路径A
m
为尾焰在视线方向的投影面积
．A
p
为
辐射亮度< br>，
A
p
=
瞬时视场在物方目标所在位置的投影面积
，
L
B
为地球以及大气背景的辐射亮
（IFOV·L
ms
）
2
，
度
，
使用
CAＲT
软件计算
，
具体见本 文第
3
节
．
另一方面
，
相邻瞬时视场内接收地球大气背景< br>辐射通量由下式给出
：
Φ
B
=L
B
A
p［9］
S
o
τ
o
L
2
ms
．（2）< br>尾焰与背景的点目标辐射通
根据对比度定义
，
量表观对比度
（
下文简称表观对比度
）
可以表示成
：
C=
Φ
m
－< br>Φ
B
Φ
B
．（3）

494
红外与毫米 波学报
33
卷
将式
（1）、
式
（2）
代入式
（3），
可得尾焰与背景的
表观对比度计算公式
：
C=
I
m
τ
a
+L
path
A
m
－L
B
A
m
L
B
A
p
，（4）
3
地球
< br>大气背景特性的计算
地球以及大气背景的辐射亮度
L
B
主要由地球表观对比度光谱计算公式为
：
I
m
τ
a
+L
p ath
λ
A
m
－L
B
λ
A
m
C< br>λ
=
λλ
L
B
λ
A
p
大气背景辐射 特性
、
红外辐射大气透过率
、
以及辐射
传输大气路径辐射三部分构成
．
使用通用大气辐射
传输软件
（Combinedatmosphericr adiativetransfer，
CAＲT）
［13-14］
计算上述参数
．
仿真条件是
：
晴空
，
大陆
地区
6
月< br>，
能见度
23km，
地表条件为陆地
，
地表温
度为< br>296K，
观测方位角为
0°，
观测天顶角为
180°，
太阳 天顶角和方位角都为
0°，
大气层厚度设为
100km，
考虑大气自身辐射和 太阳光多次散射对大
气路径辐射的贡献
．
图
2
为大气层顶探测时地球 大
气背景辐射光谱分布规律
，
图
3
为海拔
10km
高空
垂直传输到大气层顶的透过率和大气路径辐射光谱
分布规律
．
．（5）< br>2
火箭尾焰红外辐射特性的计算
本节仅简要介绍液体和固体火箭尾焰红外辐射
特 性的计算方法
，
具体细节参见本文作者前期发表
的文章
．
使用
FLUENT
软件计算尾焰流场
，
其
中尾焰复燃反应使用有限速率化学反应 模型计算
，
尾焰中气体粒子两相耦合流场使用离散颗粒模型计
算
，
气 体辐射参数基于
HITEMP
数据库计算
，
固体粒
子辐射参数使用< br>MIE
散射理论计算
，
尾焰内辐射传
输方程的求解使用有限体积法完成
．
假设火箭发动
机燃烧室压强为
4．8MPa，
温度为
35 50K，
液体和
固体火箭发动机中组分质量分数如表
1
所示
，
尾焰
中复燃反应模型如表
2
所示
．
表
1
各组分在 喷管出口的质量分数
Table1Massfractionsofspeciesatnozzleo utlet
Speices
H
2
O
CO
2
COH
2
O
2
N
2
HCl
OH
H
O
Al
2
O
3
Case1
0．268
0．221< br>0．115
0．00406
0
0．103
0．288
0
0
0
0
Case2
0．
1554
0．1224
0 ．0667
0．0024
0
0．0661
0．1670
0
0
0
0．42
［10-12］
图
2
地球

大气 背景红外辐射
atmosphericback-
Fig．
2Infraredrad iationofgeo-
grounds
表
2
尾焰中复燃反应模型
Table2Afterburningreactionmodelintheplume
Ｒeact ionformula
CO+O+M=CO
2
+M
CO+OH=CO
2
+H
H
2
+OH=H
2
O+H
H
2+O=OH+H
H+O
2
=OH+O
OH+OH=H
2
O+O
H+H+M=H
2
+M
O+O+M=O
2
+M
O+H+M=OH+M
H+OH+M=H
2
O+M
Ｒeactioncon stant
7×10
－33
exp（－2200T）
2．8×10
－ 17
T
1．3
exp（330T）
1．9×10
－15
T< br>1．3
exp（－1825T）
3．0×10
－14
Texp（－44 80T）
2．4×10
－10
exp（－8250T）
1×10
－1 1
exp（－550T）
3×10
－30
T
－1
3×10< br>－34
exp（900T）
1×10
－29
T
－1
1 ×10
－25
T
－2
图
3
海拔
10
km< br>大气透过率及路径辐射
Fig．3Thetransmittanceandpathradia tionat10km

5
期
刘尊洋
等
：
基于 辐射通量表观对比度光谱的红外预警卫星探测波段选择方法
495
4
红外预警卫星探测 波段研究
4．3
μ
m
附近约
4．2～4．5
μ
m< br>两个波段有较大值
，
且
在前者远大于后者
．
为了进一步确定探 测波段
，
计算
了
5～50km
不同高度处的液体火箭和固体火箭的< br>表观对比度光谱
．
图
6
和图
7
为液体和固体火箭在< br>2．7
μ
m
和
4．3
μ
m
两个波段附近的表 观对比度光谱
．
分析图
6
和图
7
火箭尾焰表观对比度光谱变 化
规律
，
可以得出以下结论
：
（1）
在
5km到
50km
高度范围内
，
液体火箭
2．7
μ
m
波段的表观对比度呈先增大后减小且趋于
稳定的规律
，
而
4．3μ
m
波段的表观对比度逐渐增
大
；
固体火箭
2．7μ
m
和
4．3
μ
m
波段表观对比度都
呈逐渐增 大规律
．
（2）
在所考察高度范围内
，
液体和固体火箭在
2 ．7
μ
m
波段的表观对比度都始终大于
4．3
μ
m
波段
的表观对比度
，
且在低空更加明显
，
据此可以推断
，< br>首先考虑瞬时视场对表观对比度光谱的影响
，
以
地球同步轨道探测器为
例
，
轨道高度为
35860km，
假设火箭位于卫星正下方海拔
20 km
高
度
，
则
L
ms
=35840km，
图
4
和图
5
为
（IFOV
×L
ms
）尺寸在
1km
到
4km
变化时
，
利用式
（5）
计算液体和
固体火箭尾焰表观对比度光谱变化规律
．
图
4
液 体火箭尾焰表观对比度光谱随
（IFOV×
L
ms
）
变化关系
Fig．4Therelationshipbetweenapparentcontrast
an d（IFOV×L
ms
）ofliquidrocketplume
图
5固体火箭尾焰表观对比度光谱随
（IFOV×L
ms
）
变化关系
Fig．5Therelationshipbetweenapparentcontrastand
（IFOV×L
ms
）ofsolidrocketplumeat20km
IFOV
对表观对比度观察图
4
和图
5
可以发现
，
的幅值影 响较大
，
而对光谱分布规律基本没有影响
．
故本文选择探测波段时仅以尾焰< br>（IFOV×L
ms
）
尺寸
等于
1km
为例进行计算
．
另外
，
还可以发现不论液
体火箭还是固体火箭
，
在
2．0
μ
m
到
5．0
μ
m
之间
，
表观对比度在
2．7
μ
m
附近约
2．5～3．0
μ
m
和
图
65～50km
高度处液体火箭表观对比度光谱
（ b）4．3
μ
m
波段附近
（a）2．7
μ
m
波段附 近
，
Fig．6Theapparentcontrastofliquidrocketat theal-
titudeof5km～50km（a）around2．7
μ
m，a nd（b）a-
round4．3
μ
m

496
红外与 毫米波学报
33
卷
（4）4．3
μ
m
附近的表观对比度光谱 分布则随
高度变化较大
，
这主要是由于大气对该波段的吸收
一直存在
，
并逐渐减小
，
导致尾焰视在辐射在
4．2～4．3
μ
m< br>之间由大气吸收造成的凹谷一直存
在
，
并逐渐变浅
．
考虑4．3
μ
m
波段主要用于探测高
空的导弹
，
在选择探测 波段时
，
参考海拔
20km
以上
的表观对比度光谱
，
结合图
6（b）
和图
7（b）
结果
，
4．3
μ< br>m
波段的探测波段可以选择为
4．19～4．48
μ
m．
综合 对液体火箭和固体火箭表观对比度的研究
结果
，
本文认为红外预警卫星的探测工作波段 可以
选为
2．55～2．85
μ
m
和
4．19～4．48< br>μ
m．
另外
，
仔细
观察图
6
和图
7 ，
可以发现表观对比度光谱还有更
精细的结构
，
如果需要选取更窄的探测波段
，
如
1
μ
m
带宽时
，
可以选择
2 ．75～2．85
μ
m
和
4．19～
4．48
μ
m
作为探测波段
．
5
结论
提出了一种利用点目标表观对比度光谱分布规
律研究红外预警卫星探测波段的方法
，
建立了较完
善的火箭尾焰表观对比度光 谱计算模型
，
此模型可
用于任意已知尾焰红外辐射特性的目标探测波段选
择< br>．
以典型液体和固体火箭为例
，
研究了其在
5～
50km高度的表观对比度光谱曲线变化规律
，
通过
图
75～50km
高 度处固体火箭表观对比度光
（b）4．3
μ
m
波段附近
谱
（ a）2．7
μ
m
波段附近
，
Fig．7Theapparentco ntrastofsolidrocketatthe
altitudeof5～50km（a）aro und2．7
μ
m，and（b）a-
round4．3
μ
m
综合对液体和固体火箭研究的结果
，
推断了红外预
警卫星的探测波段可以选为
2．55～2．85
μ
m
和
4．19～4．48
μ
m．< br>仅考虑了背景辐射对表观对比度光谱选择的影
响
，
下一步工作将在综合考虑背景 辐射
、
光学系统热
噪声和探测器噪声的基础上
，
探讨红外预警卫星系
统综合信噪比的确定方法
，
进而研究红外预警卫星
对目标的检测概率和虚警概 率计算方法
，
并进一步
确定合理的探测带宽
．
Ｒeferences
［1］ZHANGGuang-Ming，SUNSheng-Li，ZHANGWei，etal．< br>Modelandapplicationofimageplaneilluminationfort he
space-basedinfrareddetectingofboos-phasemiss ile［J］．
J．InfraredMillim．Wave（
张光明
，
孙 胜利
，
张伟
，
等
．
导弹
助推段天基红外探测的像面 照度模型及其应用
．
红外与
2007，26（6）：425-428．
毫米波 学报
），
［2］YEQing，SUNXiao-Quan，SHAOLi．Analysis ofoptimum
detectivewavebandsforinfraredearly-wa rningsatellite［J］．
InfraredandLaerEngineering（< br>叶庆
，
邵立
．
红外孙晓泉
，
．
红外与激光工 程
），
预警卫星最佳探测波段分析
［J］
2011，39（3）：389-3 93．
［3］ZHUDing-Qiang，ZHANGXiao-Ying，XIANGHong-J un，
etal．Measurementandcalculationresearchofinf raredradi-
ationforsolidrocketmotorplume［J］．JOU ＲNALOFAS-
2．7
μ
m
波段更适合作为预警波段
，
且具备在低空探
4．3
μ
m
的低空探测能力较测到火箭尾焰的能力
，
弱
，
仅适用于高空探测
，
这一推断与美国新一代红外
预警卫 星短波波段负责导弹低空探测
、
中波负责导
弹高空探测是一致的
［15］．
（3）
在所考查高度范围内
，
固体和液体火箭在
2．7
μ
m
波段表观对比度的光谱分布规律较为一致
，
在
2．55～2． 85
μ
m
波段的表观对比度始终较大
，
虽
然
2．7 5～2．85
μ
m
波段具有更大的表观对比度
，
但
是考虑到 卫星探测火箭时
，
除了背景杂波以外
，
还有
其它干扰源
，< br>如探测器噪声
、
光学系统热噪声等
，
且
2．7
μm
波段背景辐射相对较弱
，
所以为了获取更大
的系统信噪比
，< br>需要选择尽量宽的探测波段以增大
目标的信号强度
．
据此
，
本 文认为红外预警卫星对火
箭尾焰在
2．7
μ
m
波段的探测波段可以选 择为
2．55～2．85
μ
m．

5
期
刘尊洋
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：
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