红外预警系统首要工作任务是高预警概率、低虚警概率地对视场内的潜在威胁目标进行探测、跟踪、分类和识别(DTCI),为攻防体系提供有效的预先保障。红外预警系统关注的对象为具有威胁性质的高速导弹和飞行器,其主要探测辐射源通常为发动机尾喷焰和弹体本体。预警系统工作要求能够纷杂多变的背景中识别出目标、背景和虚警源,但由于传感器视场内背景辐射、虚警源的复杂性以及低信号特征技术的出现使得这一工作面临着极大挑战。从发展趋势看,对大气层内导弹喷焰或高超飞行器光辐射现象特征进行研究,获得随飞行高度姿态缓变的和随动态事件(包括级间分离、发动机启动、停机等)瞬变的目标辐射特征规律,对于预警目标的探测、分类、识别具有重要意义。本文以火箭发动机喷焰和典型高超声速飞行器两类目标为研究对象,旨在建立一套高速目标辐射现象特征的计算模型和分析工具,通过目标稳态辐射信号影响参数分析、与飞行事件相关的目标动态辐射特性研究,了解掌握典型预警目标的辐射现象学要素(时间、光谱、空间、运动、方向和能量)变化规律,进而获得不同探测场景下目标辐射时-空-谱特征及其在目标探测、捕获中的可用性。论文主要工作可以概括为如下三个方面:1.在高速目标辐射现象研究的理论模型和计算工具方面,针对导弹喷焰和高超声速飞行器两类目标,开展了由原型参数经化学反应流场、辐射物性参数、光辐射传输模块至光辐射特性的理论建模和部分代码研制工作,发展了一套连续流区高速目标光辐射特性计算方法。论文将发动机喷焰和高超声速飞行器绕流场统一处理为热化学非平衡多组分反应流,基于分子内能松弛双温度模型和有限速率反应模型建立了喷焰和飞行器绕流高速流场、温度场求解方法;基于辐射和流场解耦思想,建立了高速反应流场辐射物性参数计算的逐线(LBL)和窄谱带(SNB)计算模型和数据库,采用视在光线(LOS)法求解流场辐射传输,研制了喷焰辐射信号计算模块(IRSAT)和高速飞行器辐射特性计算模块(SATHV)。此外,为解决工程快速预估需求,论文依据欠膨胀射流结构特性和流场参数的“自模性”特征,发展了考虑复燃、卷吸和湍流效应的低空喷焰射流辐射信号快速计算工具(FIRSAT),明确了喷焰光辐射计算所需的流场截断温度、包覆体尺寸以及各主要组元对辐射贡献的大小。2.在高速目标本征辐射现象学特性研究方面,重点开展了准稳态条件下目标辐射影响参数分析和飞行条件下与动态事件相关的目标光辐射的时-空-谱特性规律研究。论文首先研究澄清了复燃效应、模型缩比、推进剂配比、热力非平衡效应对发动机喷焰光辐射信号的谱带辐射的影响规律;其次,获得了助推滑翔类HTV-2和轨道验证类X-37B两类高超声速飞行器在不同现象学要素下的辐射特征和规律、本体与绕流场辐射强度的贡献和反应控制系统(RCS)喷焰的机会辐射特征。最后,设计数值实验细致分析了与高速目标动态飞行事件相关的辐射现象学特征,包括发动机开关机动作、级间分离、沿弹道飞行、高超声速飞行器机动过程等,获得了沿弹道喷焰的谱带辐射-高度曲线交叉、谱带辐射-內弹道压力曲线跟随、谱带辐射-级间分离高度的时序、助推滑翔飞行器的谱带辐射-攻角变化率的影响规律。3.在与探测系统相关的高速目标辐射现象学规律分析与应用方面,开展了不同探测场景下目标辐射特征及可探测性分析,并评估了辐射噪声的影响因素。首先,论文建立了天基和地基不同观测平台下的探测距离和热成像的物理模型,研究发现天基观测条件下发动机喷焰不同“谱带对”的谱带辐射-高度曲线交叉点特征高度存在明显差异;分析了高超声速飞行器的表观辐射特征和探测距离对探测波段、探测器灵敏度、观测角度强烈依赖性,指出了两类飞行器与表观辐射相关的探测特征高度、辐射增强波段、致盲区、灵敏度增强等系列效应。其次,评估了三种化学反应动力模型和两种非平衡温度指数因子对临近空间高超声速飞行热化学非平衡激波层内组分生成的可靠性并建议了适用条件,发展了激波层非平衡光辐射噪声的计算模型并分别验证了紫外和红外波段的辐射噪声预估的可靠性。最后,分析了近地高速钝头体光学头罩的尺寸会因大气中痕量组分含量沿弹道的变化而对辐射噪声在时-空间-谱的变化产生影响,建立了谱带辐射噪声与来流密度、速度的关联模型。