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基于MODTRAN的复杂大气条件下红外系统作用距离计算

作　者: 马鹤
导　师: 吴平
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 光学工程
关键词: 大气透过率 红外成像系统 作用距离 MODTRAN
分类号: TN216
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


近年来，由于红外成像系统能够在夜间和恶劣气象条件下工作，作用距离较远，且为被动工作方式，不易被发现和干扰，受到了世界各国的重视，被广泛应用于航空航天侦查、遥感、夜视、成像制导跟踪、天文学、医疗成像、工业故障诊断等军事和民用领域。因此，红外成像系统的性能评价对理论研究和实际应用有非常重要的意义。作用距离是红外成像系统的重要参数之一，对红外成像系统的作用距离进行评估对提高系统设计水平、降低成本、缩短研制周期有着重要的意义。红外成像系统的作用距离与许多因素有关，主要有：目标的红外辐射特性、红外辐射在大气中的传输特性以及红外成像系统自身的性能等。本文推导和分析了红外成像系统的作用距离公式，从目标和背景的红外辐射特性、大气对红外辐射的吸收、散射和衰减及系统自身性能三个方面介绍了影响红外成像系统作用距离的因素。大气环境对红外辐射传输的影响很大，是影响红外成像系统作用距离的重要因素,且难以用准确的数学公式表达，是计算红外成像系统作用距离的难点。在大气透过率的处理上，本文采用国际公认的MODTRAN软件进行计算。MODTRAN对大气透过率的计算充分考虑了水蒸气、二氧化碳、一氧化碳、甲烷、臭氧等物质对红外辐射的衰减作用，以及大气温度、湿度、海拔高度、能见度、观测路径以及传播距离等因素对透过率的影响，计算结果精确。通过设置MODTRAN的大气参数与探测方式等参数可得到所需的大气透过率数据。根据MODTRAN所得数据，建立了一定大气条件、不同海拔高度、不同路径的大气透过率的数据库，供红外成像系统作用距离计算时调用，使作用距离更快捷、方便、精确。巡航导弹由于具有突防能力强、命中精度高、灵活性强等优点备受各国军方重视，近年来已经发展为现代战争的重要空袭利器。因此有效对抗巡航导弹是防空作战面临的重要问题。正确估算红外成像系统对巡航导弹的作用距离是对其进行探测预警和有效抗击的基础。根据本文所得作用距离公式及用MODTRAN所得大气透过率数据，以Catherine-GP型号的热像仪为例，计算了此热像仪对战斧4巡航导弹的作用距离。计算结果表明该方法具有可行性。最后，利用MATLAB语言计算目标的红外辐射，同时调用大气透过率数据库中的数据计算出红外成像系统的作用距离。根据上述模型，编写出实时计算红外成像系统作用距离的软件。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-11
第一章 绪论  11-15
  1.1 红外成像系统的原理及特点  11-12
  1.2 红外成像系统性能评估的研究现状  12-13
  1.3 课题研究背景及内容  13-14
  1.4 本章小结  14-15
第二章 红外成像系统作用距离与影响因素  15-25
  2.1 红外辐射基础  15-17
    2.1.1 常用辐射量  15-16
    2.1.2 发射率  16-17
  2.2 基于对比度的作用距离  17-19
    2.2.1 对比度定义  17-18
    2.2.2 基于对比度的作用距离公式推导  18-19
  2.3 基于光谱辐射功率的作用距离  19-20
  2.4 红外成像系统作用距离的影响因素  20-24
    2.4.1 目标和背景的辐射特性  20
    2.4.2 红外成像系统的性能参数  20-24
      2.4.2.1 红外成像系统的基本参数  21-22
      2.4.2.2 红外探测器的主要特性参量  22-24
    2.4.3 大气对作用距离的影响  24
  2.5 本章小结  24-25
第三章 大气对红外辐射传输的影响  25-41
  3.1 大气概况  25-26
  3.2 大气对红外辐射的衰减  26-29
    3.2.1 大气对红外辐射的吸收衰减  27-28
    3.2.2 大气对红外辐射的散射衰减  28
    3.2.3 气象条件对红外辐射的衰减  28-29
  3.3 MODTRAN 简介  29-32
    3.3.1 MODTRAN 的分子带模式参数  29-30
    3.3.2 MODTRAN 的带模式透过率  30-31
    3.3.3 MODTRAN 中气溶胶对红外辐射的衰减  31-32
  3.4 大气透过率软件的计算结果  32-39
  3.5 大气透过率数据的提取及数据库的建立  39-40
  3.6 本章小结  40-41
第四章 红外成像系统作用距离的计算与讨论  41-52
  4.1 目标及背景的红外辐射计算  41-44
    4.1.1 巡航导弹红外辐射特征  41-43
    4.1.2 背景的红外辐射特征  43-44
  4.2 逐步逼近法求解作用距离过程  44-45
  4.3 作用距离求解与分析  45-51
    4.3.1 基于对比度的作用距离求解与分析  45-48
    4.3.2 基于光谱辐射功率的作用距离求解与分析  48-51
  4.4 本章小结  51-52
第五章 总结  52-54
参考文献  54-58
致谢  58-59
在学期间的研究成果及发表的学术论文  59

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 光电子技术、激光技术 > 红外技术及仪器 > 红外系统装置
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