（光学工程专业论文）空间目标红外辐射特性的研究.pdf

摘要 空间目标是指高度约1o o k r n 以上的各种人造飞行物和宇宙飞行物。采用多谱段( 可 见光、红外波段) 探测技术，保汪全天候对空i - u j 目标进行足醚踪、测控已成为各国空刚 目标光电探测系统的发展趋势之一。为此对空刚目标的辐射特性进行分析就尤为重要。 由于空间目标是在稀薄大气空例中运行，外部加热只能以辐射方式进行，因此对 空问目标的辐射加热计算就成为一项重要二：作。窄i 刈目标红外辐射研究，主要是研究 目标在内外热流作用f 的表面温度。本文芏璎分析了空问目标t t j 见光特性和辐射特性， 并建立空j 日j 目标辐射特性计算的数学模型。并在此基础上探讨了中波和长波地基红外 系统对空i 、日j 目标的探测能力。 摘要：空间目标红外辐射特性红外星等 a b s t r a c t s p a c eo b j e c t sa r et h ev a r i o u sm a n m a d ea n dt h eu n i v e r s ef l y e r sa ta na l t i t u d eo fa b o u t 10 0k ma b o v e am u l t i s p e c t r u m ( v i s i b l el i g h t i n f r a r e d ) d e t e c t i o nt e c h n o l o g yt oe n s u r e a 1 1 w e a t h e rt r a c ko fs p a c eo b j e c t sm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l h a sb e c o m eo n eo ft h e d e v e l o p m e n tt r e n do ft h en a t i o n a ls p a c eo b j e c t so fp h o t o e l e c t r i cd e t e c t i o ns y s t e m f o rt h i s g o a l ，t h ea n a l y s i s o fi n f r a r e dr a d i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs p a c et a r g e ti sp a r t i c u l a r l y i m p o r t a n t a ss p a c eo b j e c t si st or u ni nt h er a r e f i e da t m o s p h e r eo fs p a c e ，e x t e r n a lh e a t i n gc a no n l y f o r mo fr a d i a t i o n ，t h er a d i a t i o no fs p a c eh e a t i n gt a r g e to nac a l c u l a t i o no fa ni m p o r t a n tw o r k s p a c ei n f r a r e dr a d i a t i o nr e s e a r c ho b j e c t i v e s t h em a i no b j e c t i v ei s t oe x a m i n et h er o l eo f i m e r n a la n de x t e r n a lh e a tu n d e rt h es u r f a c et e m p e r a t u r e t h i sp a p e ra n a l y z e dt h eg o a l so f s p a c ea n dr a d i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fv i s ib l el i g h t a n dt h ee s t a b l i s h r n e n to fs p a c er a d i a t i o n g o a lo fc a l c u l a t i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e l t h ed e t e c ta b i l i t y o fm e d i u mw a v ea n dl o n g w a v ei n f r a r e ds y s t e mf o rs p a c eo b j e c t sw e r ed i s c u s s e d a b s t r a c t ：s p a c eo b j e c t i n f r a r e dr a d i a t i o ni n f r a r e dm a g n i t u d e 7 第一章绪论 1 1 引言 空间目标主要指卫星，包括工作的卫星和不工作的卫星，同时也包括各种空间碎 片，如进入空间轨道的助推火箭、保护罩和其他物体，还包括进入地球外层空间的各 种宇宙飞行物，如彗星和小行星。空间目标探测系统的任务是对重要空间目标进行精 密探测和跟踪，确定可能对航天系统构成威胁的航天器的任务、尺寸、形状和轨道参 数等重要目标特性；对目标特性数据进行归类和分析。 目前最先进的空间目标监视系统还是冷战时期美苏两国为了监视敌方导弹进攻及 侦察卫星而建造的地基跟踪系统。在两大系统中共有5 0 多部雷达及各种光学和光电探 测器，每天平均进行1 5 万次观测，以保持对约l 万个太空物体的跟踪。它们能探测到 低轨道上l o o m 大小和地球同步轨道上l m 大小的碎片。如今借助计算机的超强的处理 能力，它能用复杂的运算技术对太空监视系统拍下的照片进行处理，大大提高照片的 质量，帮助科学家们判断太空垃圾的类型和危害程度。我国也启动了“空间碎片研究 行动计划 ，预计到2 0 0 5 年，我国将初步具备观测空间碎片的能力，并建立空间碎片 动态数据库。此外，中科院南京天文仪器研制中心研制出一种精度高、光力强的太空 垃圾探测望远镜，它将大大提高我国针对太空垃圾和人造卫星观测的精度。 传统的空间目标监视多采用地基光学望远镜、雷达探测器及无线电信号探测器组 成的监视网，对空间目标进行探测和跟踪。这种方式的优点是技术成熟、投资成本低， 能够对空间目标进行有效搜索和跟踪，但易受气象、地理位置和时间限制。为了提高 空间目标监视能力，美国、加拿大等国都开展了建立天基空间目标监视系统的计划。 天基空间目标监视系统的优点是不受地理位置和气象条件限制，探测效果好，且战时 生存能力强，但造价高，星上信息处理能力有限，功率也无法和地基监视系统相比。 天基空间目标监视系统是未来进行空间目标探测和跟踪的重要发展方向。 物理学的研究告诉我们，自然界中任何温度高于绝对零度的物体都在向外辐射各 种波长的红外线，物体的温度越高，其辐射红外线的强度也越大。因此，从理论上讲， 任何目标都有可能被红外探测器探测到，这就决定了红外探测技术应用的广泛性。例 如，利用目标和背景辐射特性的差异可以比较容易地探测和识别各种军事目标，且无 论白天黑夜均能进行被动探测等。在现代战争中，获取战场信息的优势已经成为获取 战争主动权的关键，红外探测技术则是获取战场信息的关键技术之一。因此，许多国 家均投入很大的人力和财力，研制各种红外探测器件，并广泛应用于军事领域。 1 2 地基空间目标监视系统的发展现状 目前，美国和俄罗斯都建立了较完善的地基空间目标监视与跟踪系统。美国对空 间目标的监视与跟踪主要由“空间探测和跟踪系统”( s p a d a t s ) 中的观测设备来完成。 此外，还采用了导弹核打击预警系统的设备、美国国防部的航天测控系统、美国和其 他国家民用科研机构的无线电技术综合设施等。“空间探测和跟踪系统 本身包括空 军的“空间跟踪”( s p a c t r a c k ) 系统和海军的“空间监视”( s p a s u r ) 系统，该系统 现已移交给空军管理和使用。“空间跟踪”系统的用途是监视航天目标被送入轨道和 在轨配置的过程，它包括6 个雷达站和4 个光学电子台站，对位于地球同步轨道和大椭 圆轨道上的航天目标实施观测。来自这些台站的数据用于航天器轨道参数的计算，为 空间防御武器提供目标指示以及采取措施保护美国的军用航天系统。“空闻监视”系 统的目的是在新的航天器通过狭窄的垂直屏障波束时，发现它们并预先测定其轨道参 数。这个狭窄的垂直屏障波束是由部署在美国领土上的9 个雷达站( 3 个用于发射、6 个 用于接收) 形成的i 该系统能保证对轨道倾角在3 0 1 5 0 。范围内的航天器的搜索。一 般情况下，航天目标都是在发射后的第1 个轨道圈上被发现，而在发现后经过l 3 小时才 能计算出它们的初始轨道参数。 相比而言，美国的地基监视系统计算太空目标的坐标更为精确，但俄罗斯相应系 统所接收的信息流量更大，可以监视更多空间目标。为此，美国采取规模战术，在新 墨西哥州、夏威夷群岛、葡萄牙、韩国、西班牙等地设立了光电观测站，以弥补系统 性能上的不足。 1 2 1 美国空间监视系统的发展现状 美国空间监视网由各种探测器组成，依据其性质和隶属关系的不同，可以分为3 大 类：“专用空间探测器”、“并用空间探测器”及“贡献型探测设备 。美国的这3 大 类探测器共同组成了一个遍布全球的空间目标监视网。从所用的探测器来说，美国的 空间探测与跟踪系统主要由相控阵雷达和光电探测器两大类探测器组成。这两种探测 器各有优缺点，相互补充，构成完整的空间监视体系，探测距离超过3 6 0 0 0 千米。 “专用空间探测器 隶属于美国国防部，专门用于空间监视的探测器主要包括贝 克努恩相机和“地基光电深空空间监视系统”( g e o d s s ) 等光电探测器、“海军空间监 视”( n a v s p a s u r ) 系统和a n f p s 8 5 相控阵雷达等雷达探测器。 “并用空间探测器”隶属于美国国防部，它们主要用于导弹预警和情报收集等任务。 弹道导弹早期预警系统( b m e w s ) 设计主要用以跟踪导弹并确定所发导弹的数量以及 它们的预设攻击目标 a n f p s 1 1 5 铺路爪( p a v ep a w ) 雷达系统是一种用于导弹预警和空间监视的 空军空间司令部雷达系统，该雷达主要用以探测和跟踪潜射弹道导弹和洲际弹道导弹 ( s l b m i c b m ) 、卫星探测和跟踪绕地球飞行的目标。 “贡献型探测设备 贡献型探测设备指的是那些在美国空间司令部要求时按合同 2 或协议提供空间监视数据的探测设备，主要包括毛伊岛贡献型探测设备指的是那些在 美国上的a m o s 光学系统。a m o s 望远镜包括一台1 6 米望远镜，一台o 8 米波束导 向跟踪仪( b e a m d i r e c t o rt r a c k e r ) 和一台0 6 h i 激光束导向仪( l a s e rb e a md i r e c t o r ) 。与 这些望远镜相关的传感器包括众多探测器和对可见光和红外成像阵列。1 6 米望远镜有 一个自1 9 8 2 年以来一直运行的补偿成像系统( c o m p e n s a t e di m a g i n gs y s t e m ) 。白适应光 学系统使a m o s 能拍摄到的在轨卫星照片特别清晰。 1 2 2 俄罗斯空间监视系统的发展现状 为了监视与跟踪宇宙空间环境，俄罗斯在其武装力量中也建立了“宇宙空间监视系 统”，其中包括宇宙空间监视中心。“宇宙空间监视系统 不间断地搜索宇宙空间，发 现和跟踪各种军用航天器，测定卫星的轨道参数，并通过宇宙空间监视中心向俄罗斯 武装力量各军种、军区发送原始信息通报( 包括卫星类型、编号与国籍，通报卫星第一 圈的轨道参数以及由于摄动引起的每圈轨道的参数变化等) ，供实施空间攻防对抗使 用。俄罗斯在利用光电望远镜进行空间目标监视方面水平很高，某些方面超过了美国。 “天窗”系统是俄罗斯航天部队典型的有源地面光电空间监视跟踪系统，位于塔吉 克斯坦境内的山区中，属于俄罗斯战略预警系统不可缺少的辅助支援手段。这种地基 预警系统跟天基预警系统相比虽然小型、廉价，但能有效填补深空监视网的空白。该 系统装备l o 台光学望远镜，每台重达3 6 吨，一般仅在晚上工作。每架望远镜根据所 观察目标的高度来校正“目力 ，短距望远镜跟踪2 0 0 1 0 0 0 千米高度的军事目标，包 括美国的光学侦察卫星k h 一1 1 和k h 一1 2 等：普通光学望远镜可以观察到隶属于美国国 防部的g p s 卫星；远距望远镜能使地球同步卫星轨道上的“间谍原形毕露。“天窗 同时也监视太空垃圾，如空间试验站、火箭推进器的残骸，以及从火箭外壳剥落的一 些油漆碎片。 总之，透过“天窗 能观测到经过俄罗斯上空的所有人造卫星，光学望远镜会把收 集到的各种信息汇集到中央控制计算机里。计算机能自动剔除无用信息，只把捕获的 人造航天器的信号储存起来，然后计算出航天器准确的坐标和轨迹，确定它的功能， 再将数据和图形发至航天部队司令部。 中国科学院空间目标与碎片观测研究中心2 0 0 5 年3 月在紫金山天文台成立。它将 为我国航天器发射和在轨运行提供预警。目前，直径大于1 厘米的空间碎片数量超过 1 1 万个，大于1 毫米的超过4 0 0 0 万个。这些碎片总重量约3 0 0 0 吨。数量每年增长2 5 。空间碎片俗称太空垃圾。空间碎片对航天器与地球表面构成严重威胁。一颗迎面 飞来的直径半毫米的金属微粒，足以打穿密封的宇航服；药片大小的碎片足以造成人 造卫星瘫痪。1 9 8 6 年，阿里亚娜号火箭进入轨道后爆炸，形成了5 6 4 块1 0 平方厘米的 碎片，还有23 0 0 块更小的碎片。碎片曾经使两颗日本通信卫星被毁坏。专家估计， 到2 0 3 0 年。任何航天器将无法进入太空轨道。 1 3 空间目标探测的发展趋势 与空间目标雷达测量系统比较，光电探测系统具有以下优点；测量精度高；直观 性强，不受地面杂波干扰影响。因此，美国和俄罗斯( 前苏联) 都已经建立了庞大的地 基对空间目标的光电探测系统，具备了对各种轨道的空间目标进行精确定位和跟踪能 力。 美国对低轨空间目标的光电探测系统包括光电经纬仪，弹道相机、激光雷达等多 种设备。美国典型光电经纬仪的技术性能如表l 所示。 美国曾广泛使用的弹道相机有b c 一4 b c 一6 0 0 ，p c 1 0 0 ，f a s 等型号。高精度弹道 相机的测角精度优于1 角秒，一般弹道相机的测角精度为1 - 3 角秒。美国林肯实验室于 1 9 7 5 年研制成功的f i r e p o n d 单脉冲激光雷达是远程精密跟踪和目标识别激光雷达，使 用c 0 激光器和四象限碲镉汞( h g c d t e ) 探测器，以相干探测体制工作，具有高精密跟踪 和目标识别能力。 空间目标光电探测系统，在未来的航天发展中具有重要作用，世界各国必将进一 步发展和完善自己的空间目标光电探测系统。其发展将具有以下特点： 1 ) 采用多谱段( 可见光、红外波段) 探测技术，保证全天候对空间目标进行跟踪、 测控； 2 ) 大面阵c e d 器件、激光雷达外差探测、图像处理等先进技术将得到进一步应用； 3 ) 光电探测系统和地基雷达探测系统配合使用，光电探测设备跟踪空间目标的指 向数据由雷达提供，光电探测设备主要完成对空间目标的精确定位和跟踪。 一般来讲，空间目标本身并不发光，而是依靠反射太阳光而发亮的。由于其表 面积小。离地面又高，亮度极为有限，而且不同的目标，其亮度有很大的变化。 在可见光波段，空中目标表面所接受的辐射能量的大小与目标和地球的相对位置、 季节、地球表面的状态和大气等因素有关。太阳的光谱是接近于5 9 0 0k 的黑体辐射， 有9 9 的能量集中在0 2 9 5 哪的波段范围内，辐射亮度的最大值在o 。4 8 “m 处。天背 景辐射是由大气分子的散射和地面的反射引起的，其辐射能量与纬度、海拔、季节、 时刻和大气状态等有关； 4 第二章红外辐射理论和热辐射计算的基础 2 1引言 红外线是一种电磁波，其波长范围是o 7 5 1 0 0 0 微米，从可见光的红光边界开始， 一直扩展到电子学中的微波区边界，如图2 1 。它既有与可见光相似的特性，如反射、 折射、干涉、衍射和偏振，又具有粒子性，即它可以以光量子的形式被发射和吸收。 此外，红外辐射还有一些与可见光不一样的独有特点： 1 ) 红外辐射对人的眼睛不敏感，所以必须用对红外辐射敏感的红外探测器才能探 测到； 2 ) 红外辐射的光量子能量比可见光的小，例如1 0 微米波长的红外光子的能量大 约是可见光光子能量的1 2 0 ： 3 ) 红外辐射的热效应比可见光要强得多； 1 0 0 0 0i ，, 0 0 01 脚x , 0 0 0 5 没敲( 米哆 图2 1毛磁波谱图 考虑了红外辐射在地球大气层中的传输特性，红外辐射光谱区可进一步划分，如表 2 1 所示。前三个波段中，每一个波段都至少包含一个大气窗口。所谓大气窗口，是指 在这一波段内，大气对红外辐射基本上是透明的。 表2 - 1 红外光谱划分 名称又名波长范围( 微米) 近红外短波红外o 7 5 3 中红外中波红外 3 6 中远红外长波红外 6 1 5 远红外远红外 1 5 1 0 0 0 2 2 红外辐射理论基础 2 2 1 辐射度量 通常，把以电磁波形式传播的能量称为辐射能。辐射能既可以表示在确定的时间 间隔内由辐射源发出的全部电磁能，也可以表示被阻挡物体表面所接收的能量。但是， 所使用的探测器大多数不是积累型的，它们响应的不是传递的总能量，而是辐射能传 递的速率，即辐射功率。因此，辐射功率以及派生的几个辐射度学中的物理量，属于 基本辐射量。表2 2 给出了基本辐射量的名称、符号、意义和单位。 表2 - 2 基本辐射量的名称、符号、意义和单位 名称符号意翅定义式单位 辐射能以电磁波的形式发射、传递或 了 q 接收的能量 辐射能密度 矽辐射场单位体积中的辐射能 形：塑 j q l - 3 o v 辐射功率 p 单位时间内发射、传榆或接收 p ：= o _ o _ o w 的辐射能 西 辐射出射度m源单位表面积向半球空间发 m ：翌 w m 一2 射的辐射功率 0 4 辐射强度 l 点源向某方向单位立体角 l a p w s r 1 = 施 发射的辐射功率 辐亮度扩展源在某方向上单位投影 l = w m s r 一1 面积和单位立体角内发射的a 2 p 辐射功率 a a 口a q 辐照度 e 入射到单位接收表面积上的 。 o p w m 一2 己= 一 辐射功率 0 , 4 光子辐射原单位表面积每秒向半球空 m s f l i 一2 m qm q2 一 间发射的光子数 ，z y 出射度 2 2 2 辐射的基本定律 l 、普朗克黑体辐射定律 6 ， 2 h c 2 2 - 5 e7 n l ( 2 。1 ) 式中，“为目标的波段辐亮度( w m 2 s r - 1 ) ； ， h = 6 6 2 6x1 0 埘w s 2 为普朗克常数； k = 1 3 8 0 6 x 1 0 埘j k 为玻尔兹曼常数； c = 2 9 9 8x1 0 8m s 为光速； z 为物体热力学温度( k ) ； 名为波长( 岬) ； 普朗克定律描述了黑体辐射的光谱分布规律，揭示了辐射与物质相互作用过 程中和辐射波长及黑体温度的依赖关系，是黑体辐射的理论基础。 2 、斯蒂芬玻尔兹曼定律 m = c r t 4 ( 2 2 ) 式中，m 为黑体的全波段辐射出射度： 仃= 5 6 6 9 6 1 0 - 8 ( w m k - 4 ) 为斯蒂芬玻尔兹曼常数： 斯蒂芬玻尔兹曼定律指出，黑体在单位面积上单位时间内辐射的总能量与黑体温 度的四次方成正比。 3 、维恩位移定律 被长( 1 l m 图2 2 不同温度下黑体辐出度随波长变化曲线 7 l-i“-：-o_至避杂善畚骣塞 维恩位移定律表达了黑体光谱辐射峰值波长与温度之间的关系，可以通过普朗克 定律对波长求极值得到。 以t = 2 8 9 7 7 9 p m k 该定律指出，当黑体的温度升高时， 图2 2 所示。 ( 2 3 ) 其光谱辐射的峰值波长向短波方向移动。如 4 、最大辐射定律 峰值波长对应的最大辐射出射度m 翩也可由普朗克公式导出。 将九= 6 丁代入普朗克公式，得 m 砌= q ( 导) 。o q 肪一1 ) 一= 占丁5 o ( 2 4 ) 式中：b = q b 。5 ( p 勺伯- 1 ) = 1 2 8 6 2 x 1 0 _ 1 1 ( w m a m k _ 5 ) 该定律指出，一定温度下，对应最大辐射波长的最大辐射出射度与温度的五次方 成j 下比。 一 5 、基尔霍夫定律 辐射能入射到物体表面时的三种过程：吸收、反射、透射： 对不透明物体有吸收、反射两种过程：吸收本领口- 为被吸收能量与入射总能量之 比：反射本领办未被反射能量与入射总能量之比；则乃+ 办2l 。 基尔霍夫定律：物体的辐射出射度m 和吸收本领口的比值m 口与物体性质无关， 都等于同一温度下绝对黑体的辐射出射度m 。表达式为 一m 1 ：丝：m 。：( 丁) 口l口2 ( 2 5 ) 该定律不但对所有波长的全辐射是正确的，而且对波长五的任何单色辐射也正确。 这时表达式为 垃：垃一一m 。卫：厂( 旯，丁) 口a 2 , 1 ( 2 6 ) 该定律表明，吸收本领大的物体，其发射本领也大，如果物体不能发射某波长的 辐射能，则它也绝不能吸收该波长的辐射能。反之亦然。而绝对黑体，对于任何波长， 在单位时间，单位面积上发出或吸收的辐射能都比同温度下的其它物体要多。 。一e 五一m 2= 生= - 辐射发射率( 比辐射率) ， 4 m 。，即在相同温度下，辐射体的辐射出射度 与黑体的辐射出射度之比。也是波长和温度的函数，还与辐射体的表面性质有关。 按照占五的不同，将辐射体分为三类： 8 ( 1 ) 黑体：s = l ； ( 2 ) 灰体：岛= 占 l ，称为光学厚介质：若介质的o l ，称为光学薄介质。光学厚与光学薄都是 介质辐射的一种极限情况，在辐射传热计算时可以简化。 l o 2 3 3 介质的发射率、吸收率与透过率 l 、介质的吸收翠 介质的吸收率为介质吸收的能量与投射能量之比。对等温均质介质，若光谱投射 能量为i 。( o ) ，介质中射线的行程长度为l 。介质光谱吸收系数为心厂b ) ，则其吸收 的能量为l ( o 湃- - e x p ( _ 心) 】，根据定义，其光谱吸收率及总吸收率分别为： 吒2 l e x p ( - x a l ) ( 2 1 5 ) 口= r 口j l ( o 旯f l ( o ) i 旯 ， ( 2 1 6 ) 2 、介质的发射率 根据基尔霍夫定律，介质的光谱发射率及总发射率分别为 占五= 口名= l e x p ( - t t - , l ) ( 2 1 7 ) 弘f g a l b a d 2 = 三盥坚竖堂 “d 2 ( 2 1 8 ) 3 、介质层的透射率 穿透介质层的能量与投射能量之比称为此介质层的透射率( 穿透率、 温均质介质的光谱透射率即总透射率分别为 y = z 。( l ) z 。( 0 ) = e x p 卜以上) 厂= j c o 九l a ( o ) ：l a f l 。( o 五 若忽略介质的散射，则反2 k ，综上所述，可得 n - - 2 _ l 一口 = l s l 对于灰介质，可得 7 = 1 一口= 1 一占工 若介质散射不能忽略，则上述两个式中不成立。吸收率、 用吸收率、发射率及透射率表示介质辐射性质的缺点。 2 3 4 漫射角系数 透过率) 。等 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 发射率不能表示散射，这是 表面热辐射传输计算是介质热辐射的一个特例。当介质的光谱吸收系数n 、光谱 散射系数吒- 均为零( 透明介质) ，这时闭腔内的介质辐射换热就简化为表面辐射换热。 物体表面闯的热辐射传递与表面几何形状、大小和相对位置等几何因素有关，这种因 素常用漫射角系数来考虑，其使用有以下的限制条件： 1 漫射提要既是漫发射又是漫反射。 2 有效辐射均匀，即本身辐射均匀、反射辐射均匀。本身辐射均匀要求该表面温 度t 和发射率e 均匀：反射辐射均匀要求投射辐射均匀、反射率p 均匀。 因此，有效辐射意味着介质表面辐射物性均匀，表面辐射物性均匀，表面温度 相等，表面的投射辐射均匀。 3 不透明表面，即表面透射率y = 0 ，吸收率q - - i p 。 两表面l 及2 ，均符合前述3 个条件，且两表面间为透明介质，则表面1 对表面2 角系数f 1 2 的定义为：表面l 直接投射到表面2 上的能量占表面1 辐射能量的百分比， 即 = 芝勰筹= 鲁 眩2 3 ， ，卜z 一1 猫而百丽两广一2 百 “z 川 1 2 第三章空间目标辐射特性分析 3 1 空间目标的可见光特性分析 对空间目标可见光谱散射的计算主要考虑了白天太阳的直接辐射以及云层对阳光 的反射和大气自身向上的辐射。在傍晚和凌晨主要考虑太阳光的辐射。对于空间目标 的红外辐射特性，主要计算目标在内外热流作用下的表面温度及辐射功率。 根据空间目标的温度，从维恩位移定律可知：空间目标的辐射在可见光波段非常 微弱，可以忽略不计，空间目标的可见光特征主要是卫星反射的太阳光为了降低空 间目标温度，空间目标表面应对太阳辐射的吸收率非常低，这就要求空间目标表面具 有高反射率且尽量光滑，以使空间目标把接受的太阳光反射掉，对于光学观测仪器而 言，强烈反射太阳光的空间目标形成了一个亮点这样在地球上，甚至使用普通的光 学望远镜就可以观测到空间目标。 研究空间目标的红外辐射特性主要是其表面温度及辐射功率的变化规律。由于空 间目标是在稀薄大气空间中运行，外界环境的加热主要通过辐射传热的方式进行，这 涉及到背景辐射等问题。同时考虑到不同空间目标之间存在换热关系，所以必须讨论 空间目标之间的热传递关系。国内外大量文献对不同物体间的热交换关系和背景辐射 问题做了较详细的研究，专门设计了高空气球的捕获、跟踪实验系统。这些工作为研 究空间目标的红外辐射特性奠定了坚实的基础。 3 。1 1 太阳的地面光谱照度 非自发光的空间目标是利用太阳光的照射而产生的亮度，因此首先应该研究太阳 的发光特性。对于远离地球大气的太阳，在研究其光谱特性的时候，可以将太阳看作 为一个温度为5 9 0 0 k 的黑体。目标反射太阳辐射的特性与目标的几何形状、表面反射率 和飞行姿态有关。 空间目标在太阳光的照射下，向各个方向反射任意波长的光照射到目标随机粗糙 表面都会在表面产生反射和散射。散射存在相干分量和非相干分量。严格描述空间目 标可见光反射特性必须引入双向反射分布函数( b r d f ) 。双向反射分布函数( b r d f ) 定义 为两个便于计算的辐射测量量之比。其数学表达式为： z l l 7 以? 8 , 1 , q ，a ) ：堂粤粤型 ( 3 1 ) 1 y - , o c o s u 5 式中，厶一目标反射辐亮度 e oc o s 见太阳对目标的辐照度 目大气层外的太阳常数，当良= 0 时e o = k = 1 3 5 3w m 2 下角标s 、d 、t 分别代表太阳、探测器和目标其物理意义为沿以，办) 方向出射的辐 射亮度( d l ，) 与沿 ，以) 入射的辐射照度( d e ，) 之比。且这种描述具有唯一性的特 点，的量纲为s r ，它由目标表面粗糙度、介电常数、照射波长、偏振等因素决定。 单位面积激光雷达散射截面与b r d f 的关系是盯= 4 n f e o s t g e o s 9 i 根据不同的表面粗 糙特性，我们可以利用不同的散射理论，如基尔霍夫切平面近似法和微扰法，首先求 出散射截面，然后利用上式求出b r d f ；或者借助实验的统计方法，通过选取合适的统 计模型反演其参数，最后获得b r d f 。b r d f 与半球方向反射率的关系是： d ，仍；2 万) = i f ( 秒i ，c p i ；啡，伊，) c o s 0 , d c o ， ( 3 2 ) 矗 式中d 缈，为辐射立体角。朗伯板的b r d f 及半球反射率均是常数，且有p = n f 。 可以利用大气传输软件计算出入射到目标表面的阳光大气系统的光强度或亮 度，然后利用双向反射分布函数求出空中目标表面对阳光的散射亮度。在实际计算中， 空中目标的几何外形往往比较复杂，我们首先将目标进行几何建模，对表面进行网格 划分，然后建立地表坐标系，目标坐标及本地面元坐标系，双站消隐，求出其散射截 面。对于在空中不断运动的目标，还要考虑其运动轨道及姿态，过程比较复杂。 3 1 2 空间目标可见光辐射 空间目标通常指离地球表面高度约1 0 0 l 以上的人造目标，如卫星、导弹、空f 司站 和其它空间飞行器，包括与这些目标伴飞的物体( 发动机和碎片) ，以及可能施放的干 扰物( 干扰条和诱饵等) 。 设目标被太阳照明的面元面积为d a ，则该面元在距离目标r ，。的探测器上产生的 辐照度d e 为 d e ；z ( 见，仍，岛，钆) c o s p ，c o s 吼j 磐 ( 3 3 ) 对目标表面积分，得到目标在探测器处所产生的辐照度e 为 e = 争兀纯，锡，) c o s 以。，c o s 吼，鲋 ( 3 4 ) 1 、f d， 撕的取值范叫：嚣器瓣熟器有贡删利用空间删表面方 程，并用目标坐标系表示太阳光入射方向的高低角、方位角，以及反射至探测器的反 射光线高低角、方位角，就可以写出的具体表达式，即可以求出空间目标反射的太阳 光在探测器处产生的可见光辐照度。 3 2 空间目标的红外辐射特性分析 空间目标所处的深恐背景是等效3 5 k 的冷背景，目前的科学技术水平已能实现在 空载平台上对空间目标进行红外探测、跟踪和制导。如果知道空间目标的形状尺寸、 表面温度和表面材料的红外光谱发射率，就可以确定空间目标的红外辐射特性。 空间目标红外辐射研究，主要是研究目标在内外热流作用下的表面温度。由于空间 目标是在稀薄大气空间中运行，外部加热只能以辐射方式进行，因此对空间目标的辐 射加热计算就成为一项重要工作。 3 2 1 空间目标受热热流的计算 如图3 1 所示，空间目标在大气层外飞行中，接收到的外来热流有太阳辐射、地球 热辐射和地球大气系统的反照辐射。 图3 1 空间目标在宇宙空间的热平衡 射 l 、太阳对空间目标的直接辐射 由于目标远离太阳，可将太阳光视作平行光，在距离太阳r 处，目标单位面积接 收到的太阳功率为 。( 鲁) 2 式中耻平均同地距离 目标面源幽接收到的太阳功率p 。为 ( 3 5 ) 矗巴= 【0 ( e d 三, 4c 式中，肘太阳表面的辐射出射度； ，大气外层至太阳的平均距离； 太阳的半径。 若入射到大气层上的阳光被均匀地散射到2 兀立体角内，则天空的亮度三为： 三2 石e2 万o _ ) ： ( 4 6 ) 2 万 2 万l ，。i 则太阳表面的亮度三。与天空亮度三之比为： 争：而掣l ：2 帆) ： ( 4 - 7 ) 三刀眠) ：叫“ 。 若取( r 气) 的平均值为2 1 5 ，则 ，l = 0 9 2 4 x1 0 5 ( 4 8 ) 上述数据与实际数据相比，散射形成的天空亮度显然是偏高了。有学者认为取其 1 l o 可能较为实际。在地平方向，晴空大气分子辐射可近似地用一个3 0 0 k 的黑体辐射 来代表。 在晴空条件下，散射形成的天空亮度具有以下一些特点： ( 1 ) 在散射区( 水3 p m ) ，光谱曲线具有一系列的波带状结构。这是由于在0 9 4 、 2 6 1 1 、1 4 、1 9 、2 7 1 1 m 为中心的水汽的强吸收带形成的。 ( 2 ) 散射的亮度随观测的仰角而变化，这是因为和水平面构成的仰角增加时，光 线路径减小，散射阳光的大气分子数也随之减少，因之散射的亮度减少。 ( 3 ) 天空的辐射亮度也随阳光的高低角而变。 ( 4 ) 散射与大气辐射不同，它受大气温度的影响很小。 2 、大气辐射 大气的辐射受气象条件的影响很大，有云团的遮盖对大气的辐射有着重要的影响。 在晴朗天空的条件下，大气温度对大气辐射亮度有着明显的影响。可以把晴空大气辐 射粗略地看成黑体辐射，因而不同仰角所代表的不同路径就有不同的分子数，吸收率 也就不同。在有云的情况下，形成云团的水汽一般说对红外辐射是很好的吸收体。具 有相当厚度的云团，对红外线的吸收率很高。当然，在可见光范围内太阳辐射的吸收 率不高。 对大气的辐射也能用理论计算的方法进行估算。大气的温度、压力、密度通常随 高度而变，因此可将大气沿高度方向分成刀层。可以假定在每一层的大气是均匀的并 且处于热平衡状态，第f 层的仰角为目角方向的光谱辐射亮度为