【正文】 vania State University, 2002.致謝 在這次畢業(yè)設(shè)計過程中，作者學(xué)到了很多非常有用的東西，包括熟悉了關(guān)于光學(xué)設(shè)計的等相關(guān)方面的核心思想和Matlab的使用方法，尤其是通過對學(xué)習(xí)并掌握并了解了氣動熱輻射效應(yīng)的概念，并通過老師的講解學(xué)習(xí)并掌握氣體光譜輻射計算的一般方法，學(xué)習(xí)了光線在復(fù)雜介質(zhì)中的傳播，并且可以初步了解光電成像過程，使作者在這短短的一個學(xué)期里極大地充實(shí)了自己，也為以后的工作打下了很好的基礎(chǔ)。 。 [14] 張?zhí)煨颍闈h玉，張新宇著。 [12] 張義廣，楊軍，朱學(xué)平等編著。2011[3]王亞輝，王強(qiáng)，高磊，肖力平，徐力 。參考文獻(xiàn)[1]范志剛，等。且從圖12中可以看出，在紅外成像末制導(dǎo)系統(tǒng)的工作波段為38um時，初步認(rèn)為采用3—3m，68um雙色紅外成像復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)有利于提高其目標(biāo)識別和抗干擾能力。發(fā)射光譜強(qiáng)度平均值分別為 不同飛行速度的熱輻射噪聲可以看出，溫度條件相同時，兩種方法所得到的紅外譜帶發(fā)射強(qiáng)度在同一個數(shù)量級，％，可以互相驗(yàn)證其算法模型的合理性，與物理實(shí)質(zhì)規(guī)律的符合性較高。N 3種組分的吸收、發(fā)射光譜在38um內(nèi)的平均值為。將激波層非灰氣體采用灰氣體加權(quán)和模型WSGGM描述。 （）式中：為38um中遠(yuǎn)紅外波段。 離散傳遞法的基本思想是沿著某根特征射線求解輻射傳遞方程。當(dāng)網(wǎng)格分辨率較高時，將網(wǎng)格內(nèi)的媒質(zhì)溫度設(shè)為常數(shù)，假定其他物性各向均勻；當(dāng)輻射能在網(wǎng)格之間的界面?zhèn)鬟f時，只考慮它的折射或全反射，這雖與熱輻射在階躍界面處的傳遞不相符，但符合熱輻射在梯度溫度介質(zhì)內(nèi)的傳遞特點(diǎn)。 不均勻溫度介質(zhì)的光線追蹤第k次(k定義為光(輻射)傳遞軌跡Z方向改變次數(shù))傳遞時對應(yīng)切向角為，第k個拐變點(diǎn)處對應(yīng)的坐標(biāo)為(X,X(z))。 二維激波介質(zhì) 。 3種組分的合成光譜對于的長方體高溫稀薄氣體介質(zhì)，具有任意連續(xù)分布的溫度T(x，Y，Z)，難以直接求解其光學(xué)傳輸路徑和輻射路徑，為此將溫度場進(jìn)行離散。3．2．1高溫氣體原子輻射吸收系數(shù) 自由一自由躍遷時，在類氫近似下，逆韌幅吸收系數(shù)為： （）式中：為韌致過程的gaunt因子；為電子數(shù)密度()；為電子質(zhì)量；z為原子電荷數(shù)目；e為電子電荷量；n為束縛能級的層數(shù)；v為頻率。為發(fā)射能級；為181。H20，C02，N等對于紅外波段輻射具有相當(dāng)大的發(fā)射率和吸收率。建立了多級溫度模型，用于非平衡態(tài)能級數(shù)密度的計算。非平衡態(tài)向平衡態(tài)松弛的歷程為：首先是重粒子平動態(tài)和自由電子平動態(tài)分別建立平衡，即建立重粒子平動溫度和自由電子平動溫度；接著重粒子平動態(tài)和轉(zhuǎn)動態(tài)建立平衡，與此同時自由電子和電子激發(fā)態(tài)迅速達(dá)到平衡，電子碰撞引起的電子激發(fā)態(tài)能級松弛時間非常短，認(rèn)為電子激發(fā)溫度和自由電子平動溫度很快達(dá)到平衡；最終，當(dāng)重粒子平動態(tài)一轉(zhuǎn)動態(tài)、自由電子平動態(tài)一電子態(tài)分別建立平衡后向統(tǒng)一的平衡溫度的松弛過程靠振動能量傳遞實(shí)現(xiàn)。以導(dǎo)彈光學(xué)頭罩中心為三維對稱的中心點(diǎn)，選取脫體的弓形激波到導(dǎo)彈頭罩物面之間，緊貼探測窗口的是尺寸為的長方體高溫稀薄氣體介質(zhì)。由于和是單個原子分子的微觀參數(shù)（如吸收截面、躍遷幾率、躍遷波長、譜線半寬等），宏觀的熱力學(xué)狀態(tài)對其沒有影響。發(fā)射系數(shù)可由自發(fā)躍遷概率系數(shù)求得，即 () 式中u為發(fā)射能級，為第u能級數(shù)密度，是自發(fā)躍遷概率系數(shù)。根據(jù)空氣控制溫度T（躍遷過程的激發(fā)溫度），大氣各組分的分子輻射機(jī)制（原子束縛束縛躍遷，束縛自由躍遷，離子自由自由躍遷，分子的電子譜帶系躍遷），當(dāng)能量狀態(tài)改變到（設(shè)），將發(fā)射電磁輻射。在電離氣體（等離子體）中，在離子電場中飛行的自由電子可以發(fā)射量子，而不耗盡自己的所有動能，并仍然處于自由狀態(tài)；或者吸收量子得到附加的動能。與結(jié)合能相比較，剩余的量子能量變?yōu)樽杂呻娮拥膭幽?。原子、分子、離子中的電子，從一個不連續(xù)能級到另外一個不連續(xù)能級的躍遷屬于束縛束縛躍遷。取電子的自由狀態(tài)和束縛狀態(tài)之間的分界線作為能量零點(diǎn)，則束縛態(tài)的能量為負(fù)。被激發(fā)原子的數(shù)目越多，也就是溫度越高，發(fā)射能力越強(qiáng)。在散射可被忽略的情況下，光學(xué)厚度變?yōu)? （） 、吸收機(jī)制氣體輻射的吸收和發(fā)射是大量原子分子能級間躍遷的結(jié)果。平行光束在距離元上的相對減弱與該距離元成正比，即： （） 當(dāng)通過從點(diǎn)0到點(diǎn)x的距離x后，光束的強(qiáng)度按照指數(shù)規(guī)律減?。? （） 衰減系數(shù)由吸收系數(shù)和散射系數(shù)相加組成。光束通過介質(zhì)，在自己的路程上將被減弱，減弱的發(fā)生既是由于量子被吸收，也是由于被散射偏離了原來的方向。1eV特的溫度T，對應(yīng)于erg的能量。圖 視線偏差(LOS errors)示意圖輻射由電磁場的振動頻率或波長表征，后者通過光速和頻率相聯(lián)系：。 因而弧長s與存在關(guān)系：。若插值算法符合流場真實(shí)的溫度分布，則每插值一次網(wǎng)格的分辨率也會提高一倍，仿真結(jié)果的精度也會提高一倍。由圖可以看出隨著入射角的增加，OPD在迅速增大，并且沿Y軸向坐標(biāo)OPD變化率在增大。利用這個模型追跡流場內(nèi)的若干條光線，以進(jìn)入流場邊界為起點(diǎn)，射出流場為追跡終止條件。仿真結(jié)果符合高空由于空氣密度小，對于光波傳輸?shù)幕冇绊憚t較小這一基本事實(shí)；隨著Ma的增加，空氣流場的可壓縮性對密度參數(shù)影響較大，對光傳輸產(chǎn)生顯著影響。實(shí)際仿真結(jié)果表明，這種處理使得在傳輸關(guān)系計算中在不影響成像的基礎(chǔ)上去除了全反射現(xiàn)象的作用。經(jīng)推導(dǎo)得第k個折變點(diǎn)處的光線傳輸關(guān)系為： （） 在光線傳輸關(guān)系中還應(yīng)當(dāng)考慮全反射現(xiàn)象發(fā)生的可能性，這使得傳輸變得非常復(fù)雜。設(shè)光線初始入射角為θ0，通過節(jié)點(diǎn)11后折射角為θ1，第次(k定義為光線Z向折變次數(shù))折射時對應(yīng)折射角為θk，第k個折變點(diǎn)處對應(yīng)的坐標(biāo)為(X, Z)。不失一般性，僅研究從網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)入射的光線傳輸問題，這樣根據(jù)折射定律，只需研究光在二維平面內(nèi)的傳輸。這時用幾何光學(xué)描述光傳輸過程即直觀又能保證很高的精度。光在折射率不變的同一均勻介質(zhì)中的傳輸遵循直線傳播定律；當(dāng)光線入射到折射率不同的兩種介質(zhì)界面處時發(fā)生折反射現(xiàn)象，反射遵循反射定律而折射遵循Snell折射定律。單元格大小記為，則計算光線的光程長OPL為： （） 式中為節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的路徑上的折射率，節(jié)點(diǎn)標(biāo)號以光的傳播方向按順序標(biāo)號i=1,2,3,…64。因而下面分別從正入射和斜入射兩類情況入手進(jìn)行建模算法研究。本章第三節(jié)提出了本文所研究介質(zhì)的網(wǎng)格分辨率確定準(zhǔn)則。在非均勻的介質(zhì)中，由于溫度是空間位置的函數(shù)，光線不再沿直線傳播其傳播軌跡將是曲線，這樣光程將相對于初始入射情況下發(fā)生變化，產(chǎn)生光程差(OPD)。由Snell定律，可導(dǎo)得如下關(guān)系式： （） 即 （） 將式代入式得： （）由方程，并利用恒等式 （） 可得： （） 把代入，即可得到穩(wěn)態(tài)、梯度折射率、吸收、發(fā)射、散射、半透明介質(zhì)內(nèi)的輻射傳遞方程的一般形式為 （） 無散射情況下，半透明梯度溫度介質(zhì)內(nèi)輻射傳遞方程可以簡化為: （） 方程在形式上與均勻溫度介質(zhì)內(nèi)的輻射傳遞方程相似。半透明梯度溫度介質(zhì)內(nèi)，沿輻射傳播路徑不僅介質(zhì)的吸收、發(fā)射和散射會導(dǎo)致輻射強(qiáng)度的變化，溫度的變化也將也起輻射強(qiáng)度的改變。文中首先將激波層氣體作文中首先將激波層氣體作為不同組分、密度組成的化學(xué)混合物，基于分子原子輻射理論計算紅外波段的吸收發(fā)射系數(shù)；然后將激波層氣體作為灰介質(zhì)建立總體模型，將其輻射特性用3種等效灰氣體代替，對每種灰氣體進(jìn)行輻射計算，利用光線傳輸模型得到導(dǎo)引頭探測口徑內(nèi)的視線路徑，運(yùn)用離散傳遞法推衍出激波層的熱輻射強(qiáng)度計算模型，獲取此模型在目標(biāo)所涉及波段內(nèi)的熱輻射噪聲。激波層中的氣體密度、溫度、組分高度不均勻，并產(chǎn)生強(qiáng)烈的紅外輻射，對探測器成像產(chǎn)生熱輻射噪聲干擾，使得目標(biāo)圖像嚴(yán)重退化，稱為氣動熱輻射效應(yīng)。以近空間高超聲速飛行器為對象，上海交通大學(xué)陳方等人進(jìn)行了其氣動熱紅外輻射特性的數(shù)值仿真研究。 雖然我國對氣動光學(xué)效應(yīng)研究起步比較晚，但現(xiàn)在己充分認(rèn)識到氣動光學(xué)效應(yīng)研究的重要性，在氣動光學(xué)傳輸和熱輻射效應(yīng)仿真實(shí)驗(yàn)研究方面，北京航空航天大學(xué)王強(qiáng)等人以氣動加熱情況下的飛行器蒙皮為對象，建立了紅外輻射特性計算理論模型。例如，美國和以色列合作研制的“箭”式導(dǎo)彈，突破了高速導(dǎo)彈成像探測氣動熱/熱輻射效應(yīng)和校正等一系列問題，成功地進(jìn)行了攔截飛行實(shí)驗(yàn)而轉(zhuǎn)入定型裝備階段；美國“戰(zhàn)區(qū)高空區(qū)域防御系統(tǒng)”（Theater High Altitude Area Defense — THAAD）的攔截彈也已于近年完成了高空攔截飛行實(shí)驗(yàn)，并且隨著氣動熱/熱輻射問題的解決正在考慮進(jìn)行低空攔截飛行實(shí)驗(yàn)。美國七十年代的政府報告中提出了超高聲速飛行器周圍的激波熱輻射問題，此后各種應(yīng)用條件下的熱輻射計算方法不斷發(fā)展。Denison和Webb改進(jìn)了WSGG模型，并在詳細(xì)的譜線數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上提出了基于灰氣體加權(quán)和的光譜線模型(SLW)，通過引入一個在整個光譜上用普朗克函數(shù)加權(quán)的吸收系數(shù)累積分布函數(shù)，再進(jìn)一步SLW模型推廣用于非等溫、非均勻介質(zhì)中。WSGGM還可用于非等溫和非均勻介質(zhì)，但局限于黑體封閉空間內(nèi)非散射性介質(zhì)問題。如果氣體混合物可以看作是灰體，那么可以將總體模型用于輻射傳遞計算。余其錚等基于合并譜帶模型得到簡化的計算式，提出了自己的代數(shù)模型。但它只適用于雙原子分子氣體，而且波數(shù)間隔和有效帶寬的選取對結(jié)果影響很大。20世紀(jì)60年代上半葉出現(xiàn)了多個直接計算單個譜帶的寬譜帶模型法。Golden將其擴(kuò)展應(yīng)用于Doppler和Voigt線型。一般作為檢驗(yàn)其它模型準(zhǔn)確度和有效性的基準(zhǔn)解。逐線計算亦稱逐線積分法(LBL)，是逐條計入吸收譜線貢獻(xiàn)的一種精確的透射率計算方法。到20世紀(jì)60年代，伴隨著航天、火箭工業(yè)的崛起，需要精確計算火箭尾部火焰的輻射等問題，迫切需要精確的高溫氣