空间无源对抗中的沾染研究

论文摘要

空间无源对抗技术具有技术难度较低、不产生对航天器有较大影响的空间碎片、研制成本较低等优势,是典型的软对抗手段。本文针对直接喷发式无源对抗技术,通过研究无源物质的空间输运,建立光学表面微粒分布的简单点阵模型,进而研究光学表面沾染对光学系统的影响。本文的研究是直接喷发式无源对抗技术的重要的基础性研究。所进行的大小不同、沾染密度不同的颗粒对光学系统影响的研究对于污染问题的分析、控制与防护、成像质量预估、分析与处理成像质量问题、空间非成像系统载波波长的选择及空间防护也具有重要意义。直接喷射式无源对抗的技术关键点在于无源物质以怎样的撒布速度和释放时间释放出去才能在目标星的光学表面形成足以使光学系统失效的颗粒层。为此,本文首先研究了无源物质的撒布速度问题。在对无源物质的空间输运和对抗轨道分析的基础上,在两颗星轨道根数和离开近地点时间已知的情况下,针对到达目标星的无源物质的形态大多为分子流或准分子流的情况,建立了无源物质的撒布速度模型。并就无源物质输运过程中的扩散问题进行了分析,给出扩散角度不同时无源物质在光学表面的密度分布情况,为简单点阵的提出提供依据。以最少的无源物质达到作战目的是追求的目标。为此,本文建立简单点阵模型,着重对颗粒沾染的三种情况进行研究:首先,将颗粒视为不透明介质,从成像的角度研究颗粒分布为简单点阵时沾染对成像光学系统的影响。根据巴俾涅原理,从Fraunhofer衍射理论出发得到颗粒规则分布的衍射屏的点扩散函数,并进行归一化处理得到成像面上的点扩散函数。分析颗粒间距和尺寸不同时点扩散函数的特点,得到了颗粒浓度和尺寸对点扩散函数影响的一般规律。其次,假定颗粒是具有一定复折射率的均质颗粒,针对空间成像系统和非成像系统,采用时域有限差分方法(FDTD)分别建立点阵沾染模型,分别分析了颗粒沾染对光学成像系统和非成像系统性能的影响。进一步与实验结果对比,提出了根据FDTD计算结果判定颗粒沾染导致光学成像系统失效的评定方法,研究了当由FDTD计算得到的光强分布与该评定方法一致时,颗粒间最大距离、颗粒所占比例及颗粒间隙宽度与颗粒半径的关系。颗粒的其他分布情况仅仅是简单点阵的迭加而已。最后,认为沾染到光学表面的颗粒物是含有多个大小不一、具有一定复折射率的颗粒的液滴或冰晶,以满足阿波罗填充的颗粒聚合体为例,采用FDTD方法从振幅幅值的变化规律和偏振两个方面研究了含有多个不同质颗粒的液滴的前向散射特性,分析了这种分形颗粒对光学系统的影响。对于光学表面沾染多个颗粒聚合体的情况,可通过点阵模型与单个颗粒聚合体模型的分析结果迭加得到。这种情况的沾染产生的后果更为严重。本文通过实验测试得到光学表面的颗粒大小不同、间距不同时的分辨率。试验结果既证明了颗粒浓度对光学成像系统的影响大于颗粒尺寸的影响,又对光学系统失效的评定方法的提出给予了实验方面的支持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 沾染对光学系统影响的研究现状
• 1.2.1 实验方法研究现状
• 1.2.2 数值方法研究现状
• 1.2.2.1 颗粒散射数值方法研究现状
• 1.2.2.2 颗粒聚合体数值方法研究现状
• 1.2.3 散射问题研究现状
• 1.3 研究的目的及意义
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 无源物质的空间输运研究
• 2.1 无源物质空间输运的问题分析
• 2.2 对抗轨道
• 2.3 无源物质撒布速度模型
• 2.4 仿真计算与分析
• 2.5 输运过程的扩散分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 光学表面沾染对光学成像系统影响的研究
• 3.1 前言
• 3.2 光学成像系统表面沾染模型
• 3.3 一个圆形孔径的点扩散函数
• 3.4 规则圆形孔径阵列的点扩散函数
• 3.5 颗粒规则分布的衍射屏的点扩散函数
• 3.6 仿真计算与分析
• 3.7 颗粒分布对成像质量影响的分析
• 3.8 本章小结
• 第4章 表面受污染的光学系统的性能分析
• 4.1 前言
• 4.2 分析理论
• 4.3 边界条件
• 4.4 近场-远场变换
• 4.5 表面受污染的成像光学系统性能的分析
• 4.5.1 成像光学系统表面沾染模型
• 4.5.2 仿真计算与分析
• 4.6 表面沾染对非成像系统性能的影响
• 4.6.1 空间非成像系统的沾染模型
• 4.6.2 仿真计算与分析
• 4.6.3 颗粒沾染与激光波长的关系
• 4.7 颗粒位置对光学系统性能的影响
• 4.8 本章小结
• 第5章 光学系统失效的分析与评定
• 5.1 分辨率测试的方法与实验
• 5.1.1 分辨率测试的方法
• 5.1.2 分辨率测试实验
• 5.1.3 实验结果分析与讨论
• 5.2 光学系统失效的估计与评定方法
• 5.3 导致光学系统失效的影响因素分析
• 5.3.1 颗粒间最大距离与颗粒半径之间的关系
• 5.3.2 颗粒覆盖比例与颗粒半径的关系
• 5.3.3 颗粒间隙宽度与颗粒半径的关系
• 5.4 评定方法的分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 颗粒聚合体污染影响的分形分析
• 6.1 前言
• 6.2 分形概念
• 6.3 内部含不同粒径颗粒的液滴的分形模型
• 6.4 采用分形模型的光学系统的污染分析
• 6.5 分形颗粒对光学系统成像的影响
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及其他成果
• 致谢
• 个人简历