非平衡流中CN紫外光谱辐射特性测定方法、系统、设备及介质

本发明属于分子光谱辐射的相关计算，尤其涉及一种非平衡流中cn紫外光谱辐射特性测定方法、系统、设备及介质。

背景技术：

1、目前，随着航天航空事业的不断发展，人们对高速飞行器探测的精确性与快速性的要求也在不断提升，研究高速飞行器本体辐射的特性具有极其重要的战略意义与军事意义。在高速飞行器飞行的过程中，在飞行器弹头部分将形成弓形激波层；此外，推进剂在喷管中燃烧并发生化学反应产生尾喷焰。在激波层和尾焰中存在分子原子的振-转跃迁，使得流场处于非平衡状态。此外，在高温流场中碳基材料与周围大气发生碳氮反应，其主要的产物为cn自由基在紫外及可见波段存在三个明显的特征峰，是飞行器探测识别的主要辐射源之一。因此，得到流场中cn自由基准确的激波态能级布局就成为研究飞行器本体紫外辐射的首要问题。

2、目前求解cn自由基的激发态能级布局主要采用局部热力学平衡(lte)模型和碰撞-辐射(c-r)模型。在lte模型中，仅考虑了由重粒子碰撞引起cn的基态(x)和第二激发态(b)之间的程和分子自发辐射效应。c-r模型在lte模型的基础上增加了电子诱导的激发反应和复合反应，以及重粒子碰撞引起的复合反应。在准稳态的假设下，根据流场组分及温度压力等条件可将上述两个模型的主方程表示为矩阵形式，通过求解矩阵中化学反应速率、分子数密度等参数可获得cn激发态能级数密度。

3、现有求解非平衡态cn自由基能级数密度的模型(文献[1]wright m,olejniczakj,walpot l,et al.a code calibration study for huygens entry aeroheating[c].44th aiaa aerospace sciences meeting and exhibit.2006.

4、[2]surzhikov s t.radiative-collisional models in non-equilibriumaerothermodynamics of entry probes[j].journal of heat transfer,2012,134(3):031002.1-031002.11.

5、[3]brandis a m,laux c o,magin t,et al.comparison of titan entryradiation shock-tube data with collisional-radiative models[j].journal ofthermophysics and heat transfer,2015,28(1):32-38.)均具有以下缺点：在lte和c-r模型中，忽略了流场中电子的影响以及激发态a与b之间的跃迁过程，从而简化了计算过程。此种简化和假设通常误差较大，分析问题较为粗糙，无法真正描述分子激发态能级布局情况。此外，化学反应速率是lte和c-r模型中的重要参数，但目前对模型中化学反应速率的处理大多为假设正逆速率相等。综上，现有技术的简化和假设通常误差较大，分析问题较为粗糙，无法真正描述分子激发态能级布局情况。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种非平衡流中cn紫外光谱辐射特性测定方法、系统、设备及介质，根据真实流场组分，在碰撞-辐射模型中考虑了电子反应的影响，增加了激发态a和b之间的跃迁过程，并对模型中各化学反应逆向速率进行了求解；通过对模型的完善及化学反应速率的精确求解，提升了cn(b)能级数密度的计算精度，从而显著提高了高超声速飞行器非平衡绕流场中cn紫外光谱辐亮度计算的准确性，为高速目标的精确探测提供了理论依据。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种非平衡流中cn紫外光谱辐射特性测定方法，具体包括以下步骤：

4、步骤1、沿确定视线方向提取高超声速飞行器绕流场中温度、压强及组分浓度的分布数据；

5、步骤2、对步骤1中的视线方向数据进行分层处理，获得每层的温度、压强及组分浓度数据；

6、步骤3、推导增加电子参与反应的cn c-r模型在准稳态假设下主方程的矩阵形式；

7、步骤4、计算cn c-r模型矩阵中的化学反应速率；

8、步骤5、将步骤2中的流场数据以及步骤4中的化学反应速率代入步骤3中的主方程矩阵中，计算出cn(b)能级的数密度n；

9、步骤6、根据视在积分法，编程计算流场中沿确定视线的cn光谱辐亮度。

10、所述步骤3的具体方法为：

11、3.1)根据流场真实组分分布，在cn c-r模型中考虑电子的影响，即加入电子诱导的激发/退激发反应和电子诱导的复合反应其中，和分别表示由电子碰撞诱导在能级i和j之间跃迁产生的激发/退激发反应的速率和三体复合反应的速率；

12、3.2)给出cn c-r模型主方程对应的矩阵形式；在准稳态的假设下，主方程中项恒等于零，则对应的矩阵形式为：

13、

14、其中，nx、na和nb分别cn分子基态，第一激发态和第二激发态的数密度，考虑cn的基态(x)、激发态(a和b)的能级布局，即i和j的取值为1、2、3；

15、3.3)推导矩阵b和矩阵a中各元素的详细计算表达式:

16、 

17、

18、

19、

20、

21、

22、

23、其中，k(i,j)(t)和k(c,i)(t)分别表示由重粒子碰撞诱导在能级i和j之间跃迁产生的激发/退激发反应的速率和三体复合反应，a(i,j)表示cn分子的电子能级从能级i跃迁到能级j发出光子而引起的自发辐射反应的速率，k(i,c)和为由重粒子或电子碰撞引起的三体复合反应的逆反应速率。

24、步骤4所述的cn c-r模型矩阵中的化学反应包括重粒子/电子诱导的激发反应、重粒子/电子诱导复合反应和自发辐射反应，其中，自发辐射反应的吸收过低，可认为自发辐射反应不存在逆向过程，只需考虑正向过程，自发辐射反应正向反应速率为已知。

25、步骤4所述的cn c-r模型矩阵中的化学反应速率计算包括：

26、4.1)已知重粒子诱导激发反应的正向反应速率为k(i,j)(t)，利用公式可计算出对应的重粒子诱导激发反应的逆向反应速率，其中平衡常数ta表示控制温度和分别表示cn分子能级i和能级j的振-转配分函数；ecn(j-i)为能级j向能级i的跃迁能量；电子诱导激发反应逆向反应速率的求解过程同重粒子诱导激发反应的逆向反应速率求解过程；

27、4.2)已知重粒子诱导复合反应的逆向反应速率为k(i,c)(t)，利用公式可求出对应的重粒子诱导复合反应的正向反应速率，其中平衡常数zm(t)＝10000/t，平衡常数的求解公式适用的范围为500k-50000k；电子诱导复合反应的正向反应速率求解过程同重粒子诱导复合反应的正向反应速率求解过程。

28、所述步骤6的具体方法为：

29、根据步骤2分层处理后的数据，以视在积分法，编程计算流场中沿确定视线的cn光谱辐亮度：

30、6.1)基于逐线法以及hitran高温分子数据库计算不同温度下的线强其中q(t)表示温度t时的配分函数，e″表示跃迁的低状态能量，ν表示波数，c2表示第二辐射常数，t0表示参考温度；采用步骤5中获得的能级数密度可计算单层的吸收系数α＝s·n·φ，其中φ为线型函数，voigt线型可以获得更为精确的吸收系数；

31、6.2)计算每层的吸收率1-e-α·l，l表示单层的厚度；透过率e-α·l；

32、6.3)选用黑体辐射作为目标的初始辐亮度i0，基于视在积分法计算经过整条路径后的光谱辐亮度，其中光学厚度τλ＝κsλ·l，ibλ表示黑体辐射函数；需要注意当计算第n层的辐亮度时，会经过前面n-1层路径的衰减影响，即离散形式的方程为

33、一种基于上述非平衡流中cn紫外光谱辐射特性测定方法的系统，所述系统包括：

34、气体参数分布模块，用于提取高速飞行器在高空飞行的气体流场温度、压强及组分浓度的分布；

35、流场分层处理模块，用于根据流场分布情况，沿确定视线方向对流场进行分层处理，获得每层的温度、压强及各组分的浓度分布；

36、化学反应速率计算模块，用于计算cn碰撞-辐射模型中的化学反应速率；

37、数密度计算模块，用于将流场参数和化学反应速率带入碰撞-辐射模型中，编程计算cn不同电子能级的数密度；

38、光谱辐亮度计算模块，用于根据视在积分法，运用编程计算尾焰或激波层中cn的光谱辐亮度。

39、一种基于上述非平衡流中cn紫外光谱辐射特性测定方法的设备，所述设备包括：

40、存储器，用于存储计算机程序；

41、处理器，用于执行所述计算机程序时实现步骤1至6所述基于非平衡流中cn紫外光谱辐射特性测定方法。

42、一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时能够基于步骤1至步骤6所述方法实现非平衡流中cn紫外光谱辐射特性测定。

43、本发明与现有技术相比，具有如下优点：

44、(1)本发明步骤3中，考虑了cn碰撞-辐射模型中电子的影响，加入了第一激发态a和第二激发态b之间的跃迁过程，进而推导出在准稳态条件下cn碰撞-辐射模型主方程对应的矩阵中各元素的计算公式，对cn碰撞-辐射模型的描述更加准确。

45、(2)本发明步骤4中，给出了重粒子/电子诱导激发反应的逆向速率和重粒子/电子诱导复合反应的正向速率详细计算公式，通过对正逆反应速率的详细求解提高了测定准确性。

46、(3)本发明步骤6中，将cn碰撞-辐射模型与辐射传输方程相关联，给出了求解非平衡状态下cn自由基高分辨率光谱的具体公式和详细计算流程，计算时间短，计算结果精确。

47、综上，本发明提供了精确的谱线预测模型，考虑了流场中电子的影响，增加了激发态a和b之间的跃迁过程，并对模型中各化学反应逆向速率进行了细致求解，对cn碰撞-辐射模型的描述更加准确；在运用编程计算碰撞-辐射模型的矩阵方程以及后续基于视在积分法求解光谱辐亮度具有计算时间短，计算结果精确的显著优势，对目标预警、检测和识别的研究有着重要的意义。