CN113806866A - 基于光线偏折量的高速飞行器探测方法及仿真方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于光线偏折量的高速飞行器探测方法及仿真方法,处于临近空间的飞行平台向目标识别区域发射激光，并记录其出射光线方向，发送至地面监测站。地面监测站接受激光信号，记录激光的入射方向，得到激光入射方向与出射方向的差值，得到激光光线偏折量；通过分析激光光线偏折量和当地区域的大气特性，得到目标识别区域是否存在高速飞行器的结论。本发明使用光线探测维持了原有的探测效率。

Description

基于光线偏折量的高速飞行器探测方法及仿真方法
技术领域
本发明属于高速飞行器的探测技术领域，具体是一种基于光线偏折量的高速飞行器探测方法及仿真方法。
背景技术
在高速飞行器不断发展下，新型高速武器常使用隐身外形设计及隐身涂层实现对传统雷达隐蔽性。
目前，通常使用新型算法或加大雷达信号来实现对高速飞行器的可探测性，但是效果十分有限。隐身外形设计及隐身材料的迅速发展，使得传统的雷达原理及探测方式对高速飞行器的探测效果不佳。
与专利CN 104199045 A相比，该方法不依赖于尾焰特性，对于不使用发动机的高动能飞行器，或在高速飞行器尾焰被隐藏时，依然可以对高速飞行器进行探测。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明利用高速飞行器飞行时产生的明显的大气扰动，引起大气折射率的变化，通过观测光线穿越目标区域的偏折大小，对目标区域的高速飞行器进行探测。
本发明的技术解决方案是：
一方面，本发明提供一种基于光线偏折量的高速飞行器探测方法，其特点在于，该方法包括如下步骤：
步骤S1：在临近空间区域设置飞行平台，在目标识别地面区域设置地面监测站；
步骤S2：所述的飞行平台向地面监测站发射指定波长λ的激光，并将激光的发射坐标r0及发射方向t0通过无线电信号传播给地面监测站；
步骤S3：地面监测站接收激光入射信号，包括其入射坐标r∞及入射方向t∞，同时接收激光于飞行平台的出射信息，无线电信号，并记录激光的入射方向t0；
步骤S4：将激光入射方向与出射方向进行差值，得到激光光线偏折量t∞-t0，分析该激光光线偏折量，当激光光线偏折角度大于0.0001rad时，则认为目标识别区域内存在高速飞行器，否则，则不存在高速飞行器。
所述的临近空间区域是指距离海平面100km-300km高。
另一方面，本发明还提供一种基于光线偏折量的高速飞行器探测仿真方法，其特点在于，该方法包括如下步骤：
步骤S1：选取一高超声速飞行器作为仿真对象，建立流场网格，并在高超声速飞行器的尾部保留大的流场区域；
步骤S2：根据预定工况确定高超声速飞行器仿真高度及仿真速度，将高超声速飞行器仿真高度输入至大气模型中，其特点是一大气数据库，通过输入当地高度索引当地大气环境特性，包括当地温度，当地压力，当地大气密度；
步骤S3：利用流体力学求解器，根据工况将仿真速度及当地位置的温度、压力和大气密度，获得的飞行器的速度场、压力场、密度场和温度场；
步骤S4：计算海平面高度下光线折射率，公式如下：
Figure BDA0003260001870000021
其中，λ代表仿真模拟的平台出射激光的波长，n0,760代表海平面高度的大气特性下该波长的光线折射率；
计算目标识别区域内的大气折射率nT,P，公式如下：
Figure BDA0003260001870000022
其中，T为目标识别区域内温度，P为目标识别区域内压力P；
步骤S5：通过梯度算子计算折射率梯度场，公式如下：
Figure BDA0003260001870000031
Figure BDA0003260001870000032
其中，g代表某一标量的值，i,j代表在正交的规则网格中，其在x，y方向上的坐标；
步骤S6：对光线传输方程进行离散，得到可迭代求解的光线传输方程：
Figure BDA0003260001870000033
Figure BDA0003260001870000034
其中rk代表在第k步时，激光光线在计算域中的坐标，tk代表在第k步时，激光光线的传播方向，n代表在rk坐标下，该区域的折射率大小；通过确定仿真中模拟的平台激光出射方向t0，出射坐标r0，其余变量为龙格库塔迭代中的过程变量；
通过确定仿真中模拟的平台激光出射方向t0，出射坐标r0。可对计算域内光线传播路径进行求解，当激光穿越整个计算域时，记录其出射方向t∞，即模拟地面监测站接收到的激光入射角度。其差值即tdiff＝|t∞-t0|，至此整个仿真过程结束。
与现有技术相比本发明有益效果为：
(1)本发明考虑了高超声速飞行器其对尾部空气产生显著扰动，导致尾部空气折射率的变化明显，因此激光穿越该流场会发生相对显著的偏折。这种扰动是由于激波的特性而纯在的，因此不易被常用隐身设计及隐身技术干扰。
(2)本发明考虑了光路的传播特性，使用光线探测保证了新的探测方式维持的原有的探测效率。
(3)本发明中给出探测手段及仿真方法，可以进行仿真测试验证该探测手段对不同型号的飞行器的有效性。
附图说明
图1为本发明方法流程图
图2为本发明实施过程的具体示意图
具体实施方式
下面结合附图及实例对本发明做详细说明。
一种光线偏折量的高速飞行器探测方式及仿真方法，该探测方式的具体实施步骤为：
步骤一：在临近空间区域(距离海平面高度100km-300km距离)设置飞行平台，其向目标区域发射波长为λ的激光光束，并将其出射坐标r0及出射方向t0信息通过无线电磁波，发送于地面监测站；
步骤二：在地面监测站接受激光入射的信息，包括其入射坐标r∞及入射方向t∞，同时地面监测站接收激光信号，记录激光的入射方向t0；
步骤三：通过对激光的光线偏折量t∞-t0进行分析，当其大小大于0.0001rad时确定目标区域是否存在高速飞行器。
其同时有仿真方法，具体实施步骤为
选取一高速飞行器作为仿真对象，建立其流场网格，其特征为在高速飞行器尾部保留较大的流场区域，以便进行后续计算。
根据预定工况确定飞行器仿真高度及仿真速度，将飞行器仿真高度输入至Nrlmsise-00模型中，其特点是一大气数据库，通过输入当地高度索引当地大气环境特性，包括当地温度，当地压力，当地大气密度。
为对光路通过飞行器的偏折特性进行仿真，需要对仿真计算域的折射率进行计算。通过海平面折射率计算公式：
Figure BDA0003260001870000041
其中λ代表仿真模拟的平台出射激光的波长大小，n0,760代表海平面高度的大气特性下其对该波长的光线折射率大小。因此，在确定激光波长的情况下，可以得到海平面高度下大气的折射率特性。
通过折射率换算公式：
Figure BDA0003260001870000051
其中nT,P代表在当地温度为T，当地压力为P的情况下，当地大气的折射率与海平面大气折射率的关系。通过以上公式，在已知当地温度及当地压力的情况下，当地大气折射率的大小。将计算域应用该公式进行计算，可计算出计算区域内的折射率场。对计算域内的折射率梯度场进行求解，由于在模拟光线穿越计算域时，需要使用光线传输方程，其要求对折射率梯度场进行计算。通过梯度算子：
Figure BDA0003260001870000052
Figure BDA0003260001870000053
其中，g代表某一标量的值，i,j代表在正交的规则网格中，其在x，y方向上的坐标。该公式可对任意物理标量的梯度进行求解，并取得良好精度。通过以上方法，可求解折射率场的梯度。
对光线传输方程进行离散，得到可迭代求解的光线传输方程：
Figure BDA0003260001870000054
Figure BDA0003260001870000055
其中rk代表在第k步时，激光光线在计算域中的坐标，tk代表在第k步时，激光光线的传播方向，n代表在rk坐标下，该区域的折射率大小，公式中的其余参数代表龙格库塔算法的过程变量，无实际物理意义。
通过确定仿真中模拟的平台激光出射方向t0，出射坐标r0。可对计算域内光线传播路径进行求解，当激光穿越整个计算域时，记录其出射方向t∞，即模拟地面监测站接收到的激光入射角度。其差值即tdiff＝|t∞-t0|。至此整个仿真过程结束。
本发明结果可以对飞行平台扫描区域内的空气介质折射率进行检测，进而发现目标区域内是否存在高速飞行器。其原理直接，特征明显，具有良好的可检特性，弥补了当前雷达对隐身设计的速飞行器的检测性不佳的不足。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (3)

1.一种基于光线偏折量的高速飞行器探测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤S1：在临近空间区域设置飞行平台，在目标识别地面区域设置地面监测站；
步骤S2：所述的飞行平台向地面监测站发射指定波长的激光，并将激光的发射坐标及发射方向通过无线电信号传播给地面监测站；
步骤S3：地面监测站接收激光信号，并记录激光的入射方向，同时接收激光于飞行平台的出射信息，无线电信号；
步骤S4：将激光入射方向与出射方向进行差值，得到激光光线偏折量，分析该激光光线偏折量，当激光光线偏折角度大于0.0001rad时，则认为目标识别区域内存在高速飞行器，否则，则不存在高速飞行器。
2.根据权利要求1所述的基于光线偏折量的高速飞行器探测方法，其特征在于，所述的临近空间区域是指距离海平面100km-300km高。
3.一种基于光线偏折量的高速飞行器探测仿真方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤S1：选取一高超声速飞行器作为仿真对象，建立流场网格，并在高超声速飞行器的尾部保留大的流场区域；
步骤S2：根据预定工况确定高超声速飞行器仿真高度及仿真速度，将高超声速飞行器仿真高度输入至大气模型中，其特点是一大气数据库，通过输入当地高度索引当地大气环境特性，包括当地温度，当地压力，当地大气密度。
步骤S3：利用流体力学求解器，根据工况将仿真速度及当地位置的温度、压力和大气密度，获得的飞行器的速度场、压力场、密度场和温度场；
步骤S4：计算海平面折射率，公式如下：
Figure FDA0003260001860000011
其中，λ代表仿真模拟的平台出射激光的波长，n0,760代表海平面高度的大气特性下该波长的光线折射率；
计算目标识别区域内的大气折射率nT,P，公式如下：
Figure FDA0003260001860000021
其中，T为目标识别区域内温度，P为目标识别区域内压力P；
步骤S5：通过梯度算子计算折射率梯度场，公式如下：
Figure FDA0003260001860000022
Figure FDA0003260001860000023
其中，g代表某一标量的值，i,j代表在正交的规则网格中，其在x，y方向上的坐标；
步骤S6：对光线传输方程进行离散，得到可迭代求解的光线传输方程：
Figure FDA0003260001860000024
Figure FDA0003260001860000025
其中rk代表在第k步时，激光光线在计算域中的坐标，tk代表在第k步时，激光光线的传播方向，n代表在rk坐标下，该区域的折射率大小；通过确定仿真中模拟的平台激光出射方向t0，出射坐标r0，其余变量为龙格库塔迭代中的过程变量；当激光穿越整个计算域时，记录其出射方向t∞，即所述地面监测站接收到的激光入射角度；
计算激光入射方向与出射方向进行差值，即tdiff＝|t∞-t0|。
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