一种隐身飞机的毫米波辐射特性模型建立方法与流程

本发明涉及隐身目标的被动探测领域，特别是一种隐身飞机的毫米波辐射特性模型建立方法。
背景技术：
：在战场中，隐身飞机突防能力强、威胁度大，是雷达及红外探测领域的重中之重。隐身飞机最主要的隐身技术就是雷达隐身技术，雷达隐身技术一般通过降低目标的雷达散射截面积(rcs)来获得低可探测性，所以隐身飞机最主要的特点就是难以被雷达发现。而毫米波被动探测技术利用目标自身固有的热辐射信号来探测目标。在天空冷背景下，隐身飞机因其自身的热辐射和对地面辐射的反射成为高温目标，容易被毫米波辐射计探测到。毫米波辐射计采用全被动的探测方法，系统本身不发射电磁波，也不需要依赖任何其他形式的人造电磁信号，而只接收目标自身固有的热辐射信号。因此，利用毫米波辐射计来探测目标具有隐蔽性好的优点。并且毫米波辐射计对于探测隐身目标还有着其得天独厚的优势。隐身目标的雷达隐身主要靠吸波材料进行隐身，其吸波能力越强，自身的辐射亮温就越强，也就意味着它的热辐射信号越容易被毫米波辐射计探测到。目前，利用毫米波辐射计探测远距离隐身飞机的研究还不太成熟，倪炜在论文《空中目标辐射特性及检测方法研究》中建立了一个微波辐射亮温传输模型，但是没有考虑尾焰及地表辐射温度经过隐身飞机本体及尾焰反射后对隐身飞机辐射亮温的贡献，导致结果不太准确，并且没有给出定量的目标空域有无目标的亮温差。本发明从典型吸波材料的毫米波辐射特性入手，结合大气毫米波传输特性，综合考虑隐身飞机本体、尾焰以及反射地表辐射温度最终建立隐身飞机的毫米波辐射特性模型，给出定量的目标空域有无目标的亮温差。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种隐身飞机的毫米波辐射特性模型建立方法。实现本发明目的的技术方案为：一种隐身飞机的毫米波辐射特性模型建立方法，包括以下步骤：步骤1、建立隐身飞机辐射亮温传输模型，根据黑体辐射理论推导出透射率为0的物体辐射温度的表达式；步骤2、将隐身飞机本体及尾焰的实际物理温度代入步骤1推导出的表达式中，得到不考虑衰减的情况下隐身飞机本体及尾焰的辐射温度表达式；步骤3、定义路径1为隐身飞机及尾焰到地面的路径，路径2为隐身飞机及尾焰到辐射计天线口面的路径；考虑路径1的衰减，得到隐身飞机本体及尾焰的空中视在温度的表达式；考虑路径2的衰减，得到辐射计天线口面接收到的辐射亮温。与现有技术相比，本发明的显著优点为：(1)建立模型的过程中，考虑了尾焰及地表辐射温度经过隐身飞机本体及尾焰反射后对隐身飞机辐射亮温的贡献，得到了更为准确的计算结果；(2)可以定量的给出目标空域中有目标和无目标时辐射计天线口面温度差，便于辐射计系统的参数计算。附图说明图1是本发明的辐射计探测隐身飞机的示意图。图2是本发明的隐身飞机的毫米波辐射特性模型建立流程图。图3是本发明的隐身飞机辐射亮温传输模型示意图。具体实施方式空中环境与地面环境相比是纯净环境，在晴朗大气下天空背景平静且稳定，若无特殊情况，天空温度相对于毫米波辐射计是一个恒定值。同时云雾对天空亮温的影响较小，天空背景温度即使发生变化也是缓慢变化，因此天空背景温度在辐射计一个探测周期内可认为是定值。然而飞机经过探测范围内会打破天空平静环境，飞机的气流、噪声以及尾焰对天空背景环境造成扰动。在这些扰动因素中，机体和尾焰辐射温度在毫米波探测中的贡献可能较大。金属机体辐射率很低，但是会反射地面温度，而涂覆了隐身吸波材料的隐身飞机反射率很低，虽然可以规避大部分常规雷达的侦察，但是会因为涂覆隐身材料而导致辐射率的增加，这样就容易被高灵敏度的毫米波辐射计探测到。毫米波被动探测隐身飞机的机理就是判断目标和背景毫米波辐射亮温的差异，无目标出现时天空环境平静稳定，而有目标经过时会造成环境扰动，打破平静稳定状态，因此只要将目标温度值和背景温度值相减，利用温度差异就能判断目标有无。为了具体反映目标有无的毫米波辐射亮温，本发明建立了隐身飞机的毫米波辐射特性模型，利用射线追踪法和微波辐射原理建立了隐身飞机、大气传输、地表散射以及毫米波辐射计于一体的隐身飞机探测模型。取探测系统天线中心为坐标原点，探测系统天线指向的天顶角和方向角为(1)若该天线指向方向上没有目标，则可认为射线直接传播出视场，因此根据微波传输理论，我们可知此时的到达天线口面的辐射亮温，即天线视在温度就是以向下传播的天空亮温(2)若目标出现在观测方向上，此时追踪射线在遇到目标时将发生散射反应，此时到达天线口面的辐射亮温可以视为以下三部分的组合：隐身飞机到微波辐射计天线口面间的天空亮温隐身飞机自身向外发射的微波辐射亮温以及目标对投射到其下表面的辐射亮温的反射。根据射线追踪法，由辐射亮温传输模型可知影响毫米波辐射计探测效果的几个重要作用点：飞机本体及尾焰辐射辐射温度，天空到地表的向下传输温度和地表到空中向上目标反射的传输温度。依次求出各个作用点的辐射计亮温和传输路径的衰减，就可以推出毫米波辐射计探测隐身飞机的辐射传输亮温计算公式。根据黑体辐射理论，透射率为0的物体辐射温度(辐射亮温)可以表示为：其中，为物体的辐射率，t为物体的实际温度，tr为物体反射周围环境温度，根据实际应用场景决定。因此，隐身飞机本体的辐射温度可以表示为：其中，为飞机本体辐射率，tbt为飞机本体温度，为飞机本体反射的地表辐射温度(地表辐射温度向上传输的温度)。而地表辐射温度又可以表示为：其中，为地表辐射率，tg为地面温度，为天空背景辐射亮温。因此在不考虑衰减的情况下，可以认为此时隐身飞机本体的辐射温度表达式为：推理方式与上述过程类似，隐身飞机尾焰的辐射温度表示为：其中，为尾焰的辐射率，twy为尾焰温度，为尾焰的透射率。在不考虑衰减的情况下，辐射计天线口面接收到的辐射亮温主要由天空背景辐射亮温、隐身飞机本体辐射温度和尾焰的辐射温度三部分组成，可以表示为：当对远距离目标探测时模型中需要考虑衰减因素，而主要考虑的部分为地表辐射温度向上传输至目标的衰减和目标辐射温度和向下传输到天线口面的衰减。考虑路径1的衰减时，可以将隐身飞机本体和尾焰的辐射温度改进为：其中，为地表辐射温度向上传输至目标的衰减系数。而考虑路径2的衰减时，可以将辐射计天线口面接收到的辐射亮温改进为：其中，为目标本体辐射温度和尾焰辐射温度向下传输到天线口面的衰减系数。毫米波被动探测系统可以通过检测天线口面温度变化判断目标的有无，而被动探测系统的灵敏度决定了天线口面接收到的最小温度变化量，因此对空中探测对被动探测系统的自身参数有较高要求。根据上述探测模型的分析可知，毫米波被动探测隐身飞机的关键因素是目标本体及尾焰的毫米波辐射温度、辐射传输衰减和辐射计自身参数。下面参照附图对本发明的示例性实施方式进行详细描述。实施例如图1所示，隐身飞机的毫米波辐射特性模型的建立是为了获取目标空域有无隐身飞机的辐射亮温的差异值，在晴朗大气下，天空背景平静且稳定，一般情况下，天空温度相对于毫米波辐射计是一个恒定值，即使发生变化也是缓慢变化，因此在一个探测周期内可认为天空背景温度为一个定值。然而在飞机经过目标空域内的时候会打破原来目标空域平静的天空环境，飞机的气流、噪声以及尾焰对天空背景环境造成了扰动。隐身飞机涂覆了隐身材料导致其辐射率增加，更容易被高灵敏度的毫米波辐射计探测到。如图2所示，隐身飞机的毫米波辐射特性模型的建立步骤为：第一步，建立隐身飞机辐射亮温传输模型，根据黑体辐射理论推导出透射率为0的物体辐射温度的表达式；第二步，将隐身飞机本体及尾焰的实际物理温度代入步骤1推导出的式子中，得到不考虑衰减的情况下隐身飞机本体及尾焰的辐射温度表达式；第三步，考虑到路径1中的衰减，得到隐身飞机本体及尾焰的空中视在温度的表达式；第四步，考虑路径2的衰减，得到辐射计天线口面接收到的辐射亮温。如图3所示，利用射线追踪法和微波辐射原理建立了隐身飞机及尾焰、大气传输过程、地表辐射情况以及毫米波辐射计系统于一体的隐身飞机探测模型。取探测系统天线中心为坐标原点，探测系统天线指向的天顶角和方向角为(1)若该天线指向方向上没有目标，则可认为射线直接传播出视场，因此根据微波传输理论，我们可知此时的到达天线口面的辐射亮温，即天线视在温度就是以向下传播的天空亮温(2)若目标出现在观测方向上，此时追踪射线在遇到目标时将发生散射反应，此时到达天线口面的辐射亮温可以视为以下三部分的组合：隐身飞机到微波辐射计天线口面间的天空亮温隐身飞机自身向外发射的微波辐射亮温和以及目标对投射到其下表面的辐射亮温的反射。设机体的蒙皮温度为350k，毫米波辐射计的探测频率为35ghz，在该探测频率下机体蒙皮辐射率为0.6621，尾焰的平均温度为500k，由于尾焰成分中大部分为水，所以辐射率很小，在该探测频率下辐射率为3.38×10-5，尾焰透射率为0.5，地表温度为288.15k，地面辐射率为0.9，由于地面反射率较低，所以天空反射忽略不计。标准大气条件下35ghz波段的大气衰减如表1所示。标准大气条件下35ghz波段的晴天天空亮温如表2所示。表1标准大气条件下35ghz波段的大气衰减表2标准大气条件下35ghz波段的晴天天空亮温俯仰角(°)天空亮温(k)10187.853092.087将以上仿真条件代入式(7)得到隐身飞机本体的辐射温度代入式(8)得到隐身飞机尾焰的辐射温度代入式(9)得到探测距离为200km时辐射计天线口面接收到的辐射亮温如表3所示。表3上述仿真条件下仿真结果虽然参照示例性实施方式对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明并不局限与文中详细描述和示出的具体实施方式，在不偏离权利要求书所限定的范围的情况下，本领域技术人员可以对所述示例性实施方式做出各种改进或变型。当前第1页12