卫星红外辐射特性研究

论文摘要

卫星红外辐射特性研究在航天技术、通讯导航、遥感探测等领域有着重要的应用价值。本文以卫星红外辐射特性研究为主要内容，在卫星红外辐射特性研究的基础上，对典型太空背景红外场景建模，以及目标与背景的红外辐射特性对比度进行研究，内容主要如下：1．卫星红外辐射特性研究考虑空间轨道外热流、卫星表面自身辐射、热载荷等因素影响，建立卫星温度计算模型，在采用Monte-Carlo求解卫星复杂辐射边界条件的基础上，利用有限容积法对卫星温度场进行数值计算；卫星红外辐射特性受卫星表面温度影响，在卫星温度计算模型基础上，建立卫星温度灵敏度计算模型，通过温度灵敏度来定量分析相关参数变化对卫星温度的影响，采用泰勒展开理论与数值计算两种方法分析系统灵敏度理论与系统误差统计理论之间的内在联系；考虑空间轨道外热流、卫星表面自身辐射等因素影响，建立卫星红外辐射通亮计算模型，计算得到卫星红外辐射通亮分布。2．热控涂层表观光谱吸收特性研究在射线跟踪法基础上，提出半透明吸收、散射性介质内辐射传递研究的计算方法RTM-DRE，通过建立等效介质模型，将该计算方法应用于含散射粒子半透明介质内的辐射传递研究。采用RTM-DRE研究热控涂层内辐射传递，结合Mie氏散射理论，考虑粒子吸收与散射、基料吸收、界面反射等因素影响，建立热控涂层表观光谱吸收率计算模型，验证计算模型的正确性，分析计算模型的计算误差与计算时间；在此基础上，通过计算热控涂层表观光谱吸收率来研究热控涂层表观光谱吸收特性，分析基料与粒子光学特性、粒子体积份额、粒径、界面反射特性、辐射能量入射角等因素的影响，初步研究空间环境因素对热控涂层表观光谱吸收特性的影响，采用系统灵敏度理论定量分析热控涂层表观光谱吸收特性变化对卫星温度的影响。3．太空背景红外场景建模太空背景红外场景建模主要对典型太空背景红外场景进行建模，内容包括地球背景红外场景建模与星空红外点光源场景建模。在地球背景红外场景建模方面，分别采用全球高程数据与全球植被数据建立全球地表几何场景与全球地表植被场景；考虑太阳辐射、大气长波辐射、地表自身辐射、地表与环境间的显热及潜热交换等因素影响，考虑大气辐射传输特性对辐射能量传递过程的影响，建立全球地表区域温度计算模型，在此基础上，建立全球地表区域红外辐射通亮计算模型，模拟生成地球背景红外场景图像。在星空点光源红外场景建模方面，采用低分辨率红外星表数据，通过对星表数据的岁差修正与一系列空间坐标变换，利用OpenGL视图变换功能，模拟生成星空点光源红外场景图像。在目标与背景红外辐射特性研究的基础上，生成卫星目标与太空背景的红外合成图像，对它们之间的红外辐射特性对比度进行研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号及单位表
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 卫星红外辐射特性研究
• 1.2.2 太空背景红外场景建模
• 1.3 本文的概述及作者的主要工作
• 2 卫星红外辐射特性研究
• 2.1 卫星温度计算模型
• 2.1.1 卫星温度控制方程
• 2.1.2 辐射边界条件
• 2.1.3 卫星温度场数值计算方法
• 2.2 辐射传递系数的Monte-Carlo求解
• 2.2.1 发射点随机分布概率模型
• 2.2.2 光线跟踪模型
• 2.2.3 辐射传递系数的统计计算
• 2.3 卫星温度灵敏度计算模型
• 2.4 卫星红外辐射通亮计算模型
• 2.4.1 单元表面自身辐射
• 2.4.2 单元表面反射辐射
• 2.5 本章小结
• 3 热控涂层表观光谱吸收特性研究
• 3.1 辐射传递计算方法RTM-DRE的介绍
• 3.2 表观光谱吸收率计算模型的建立
• 3.2.1 粒子Mie氏散射
• 3.2.2 基料吸收
• 3.2.3 表观光谱吸收率计算
• 3.3 表观光谱吸收率计算模型的验证
• 3.4 表观光谱吸收率计算模型的计算误差分析
• 3.4.1 热控涂层介质衰减系数的影响
• 3.4.2 热控涂层介质反照率的影响
• 3.4.3 单元体数目的影响
• 3.4.4 表观光谱吸收率计算误差的控制
• 3.5 表观光谱吸收率计算模型的计算时间分析
• 3.6 热控涂层表观光谱吸收特性研究
• 3.6.1 热控涂层材料光学特性的影响
• 3.6.2 下界面反射率的影响
• 3.6.3 粒子体积份额的影响
• 3.6.4 粒径的影响
• 3.6.5 上界面反射特性的影响
• 3.7 热控涂层表观光谱吸收特性的衰变
• 3.8 本章小结
• 4 卫星红外辐射特性计算结果分析
• 4.1 卫星结构
• 4.1.1 卫星本体
• 4.1.2 太阳能电池板
• 4.1.3 数据中继天线反射器
• 4.2 卫星温度分析
• 4.2.1 卫星本体温度
• 4.2.2 太阳能电池板温度
• 4.3 卫星温度灵敏度分析
• 4.3.1 卫星本体温度灵敏度
• 4.3.2 太阳能电池板温度灵敏度
• 4.3.3 表观太阳吸收率与表观发射率间的比较
• 4.4 卫星红外辐射通亮分析
• 4.5 本章小结
• 5 太空背景红外场景建模
• 5.1 地球背景红外场景建模
• 5.1.1 MODTRAN简介
• 5.1.2 地球几何及植被场景模型
• 5.1.3 地表区域温度计算模型
• 5.1.4 地表区域辐射亮度场模型
• 5.2 星空点光源红外场景建模
• 5.2.1 星表数据的岁差修正
• 5.2.2 惯性坐标向非惯性坐标的转换
• 5.2.3 非惯性坐标向探测器坐标的转换
• 5.2.4 星空点光源红外场景生成
• 5.3 卫星目标与太空背景的红外辐射特性对比度研究
• 5.4 本章小结
• 6 结语
• 本文的主要创新点
• 进一步的工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 A 半透明介质内辐射传递研究
• A.1 介质物理模型
• A.2 基于辐射能量再分配的射线踪迹法
• A.3 介质内辐射传递研究的Monte-Carlo
• A.4 基于辐射能量传递过程分解的射线踪迹法
• A.4.1 介质内辐射能量传递过程的分解
• A.4.2 辐射传递系数的计算
• A.5 含散射性粒子介质内辐射传递RTM-DRE研究
• A.6 计算方法的分析
• A.6.1 计算方法的计算精度分析
• A.6.2 计算方法的计算时间分析
• A.6.3 计算方法的综合性能分析
• A.7 附录总结
• 攻读博士学位期间发表的论文