题目：中段弹头的可见光与红外特性仿真与试验研究

弹道导弹目标的中段处于大气层外的冷黑背景中，且有较长的飞行时间，是导弹防御预警系统对目标进行探测、识别、跟踪的重要阶段。随着弹道导弹目标多种突防技术的应用，快速、准确判断真假来袭目标成为导弹防御系统的关键技术之一。弹道目标的光学特性是对其进行探测、识别与跟踪、拦截的重要特征，建立中段弹道目标光学特性模型并通过模拟测量校模，最终预测其在中段飞行过程中的温度、光学特性的变化，可以为探测器的目标探测与识别、传感器设计等提供重要的参考信息。中段弹道目标的光学特性是指目标在轨飞行过程中，红外辐射与可见光反射特性随时间、空间的变化规律。它是目标自身与环境的相互作用的结果，并且与探测手段和平台有直接的关系。影响目标红外和可见光波段信号强弱的因素包括太阳、地球等外部辐射源，以及弹头的轨道、姿态、结构、表面材料、热控方式等内部因素。中段弹道目标包括弹头、诱饵等目标。在飞行过程目标的运动特性和表面材料光学属性是影响其温度与光学特性的重要因素：中段弹道目标在飞行中采用自旋的方式维持稳定，对其外表面受太阳、地球辐射加热效应产生影响，从而影响目标的表面温度；不同表面材料的可见光吸收率和红外发射率不同，导致目标的瞬态热平衡温度也会因此相差较大，进而影响目标光学特性在探测器方向的总辐射能量。本文根据基本物理原理，对中段弹道目标的三维瞬态平衡温度、红外辐射和可见光散射特性进行了建模，并通过地面模拟真空环境测量了目标的温度场和红外辐射，对计算模型进行了校准。最后计算了多类中段目标的温度及光学特性变化情况，主要研究工作及贡献如下： 1. 建立了中段目标光学特性的物理学模型。通过对中段目标三维网格划分，以及对目标的位置、姿态及转动状态计算，分析了目标表面单元相对太阳、地球的相对关系，得到了表面单元与外部热源的辐射角系数。通过对表征材料反射和发射特性定义的分析和研究，采用了能够精确描述材料表面反射特性的双向反射分布函数（BRDF）计算目标表面单元的光谱反射亮度，并使用Sandford-Robertson半经验模型计算目标表面材料的BRDF，得到各影响因素对目标单元辐射的计算模型。2. 采用有限体积法对弹头目标进行建模，编程求解了中段弹道目标三维非稳态温度场、目标表面可见光波段（0.4~1.0µm）散射及红外辐射(8~14µm,14~16µm)特性。可用于预测中段目标的温度及光学特性随时间、探测角度的变化，有助于分析相关参数对中段目标温度及光学特性的影响。3. 通过地面设备模拟中段飞行的真空环境和外部辐射热源，测量了缩比弹头模型的表面温度分布和红外辐射特性随时间及外部条件的变化情况。分析了外部辐射热源、自身运动特性等因素对目标温度、红外辐射的影响，并与仿真模型的计算结果进行了对比分析。4. 利用校准后的仿真模型，计算了多种外部条件及表面材料的中段目标的温度及光学特性随时间、空间的变化情况，分析了影响中段目标光学特性的原因。5. 采用基于OpenGL的着色语言实现了深空星点源目标、太阳系地球及大气环境、中段弹道目标、不同轨道预警卫星在可见光和红外波段下的可视化仿真绘制，并能够实现对卫星视角下目标及背景的可见光和红外辐射仿真序列图像和视频输出。