復(fù)雜目標(biāo)紅外輻射特性一體化建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及復(fù)雜目標(biāo)紅外輻射特性一體化建模方法，尤其是指非均勻燃燒后氣體 流場(chǎng)中分子紅外輻射的計(jì)算技術(shù)，屬于目標(biāo)與環(huán)境紅外輻射散射特性研究領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 復(fù)雜目標(biāo)紅外輻射特性在紅外隱身裝備設(shè)計(jì)，紅外檢測(cè)算法驗(yàn)證，目標(biāo)紅外輻射 半實(shí)物仿真系統(tǒng)，紅外搜索跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括波段、域值的選取等領(lǐng)域具有重要作用。 獲取目標(biāo)紅外輻射特性技術(shù)是開展紅外設(shè)備與算法研究的基礎(chǔ)。通常獲取方法有兩種，一 種是通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲取，另一種是通過建模仿真的方式獲取。其中第一種實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲取方 法由于其局限性，開展飛行器地面測(cè)試會(huì)耗費(fèi)大量的人力物力，且并不能覆蓋不同情況下 的飛行器紅外目標(biāo)特性。而第二種通過仿真建模的獲取方式則能夠?qū)μ囟l件下的飛行器 目標(biāo)紅外輻射特性進(jìn)行預(yù)測(cè)，節(jié)省了大量成本。
[0003] 目標(biāo)紅外輻射特性是多元因素決定的，與目標(biāo)表面熱平衡狀態(tài)下的溫度、目標(biāo)表 面發(fā)射率分布、目標(biāo)表面光譜反射特性（用BRDF雙向反射分布函數(shù)表征）、目標(biāo)尾焰的流 場(chǎng)、尾焰流場(chǎng)中主要輻射源分子（如H20，C02)的組分分布，流場(chǎng)溫度、壓強(qiáng)分布，以及探測(cè)器 觀測(cè)方向等等因素有關(guān)。整個(gè)過程是一個(gè)復(fù)雜的能量輻射傳輸過程。對(duì)于復(fù)雜目標(biāo)紅外輻 射特性的求解，無法通過解析方式求解，必須采用數(shù)值計(jì)算方式。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)中，由馮云松、呂相銀等發(fā)表的《空中目標(biāo)蒙皮紅外輻射特性的理論計(jì) 算》，刊登在2013年Vol. 40，N〇. 2的光電材料期刊上，該論文建立空中目標(biāo)蒙皮的一維導(dǎo)熱 微分方程，采用后向差分方法求解方程，計(jì)算了蒙皮表面溫度分布，根據(jù)黑體輻射定律獲得 了隨時(shí)間空間的輻射變化，并考慮了環(huán)境輻射的影響。該論文中只考慮環(huán)境一次反射影響， 并未考慮多次反射效應(yīng)，其目標(biāo)表面為朗伯面，而且不包含飛行器目標(biāo)尾焰輻射特性。而由 楊玉峰、吳振森等發(fā)表的《非朗伯面目標(biāo)對(duì)復(fù)雜背景紅外輻射的散射特性》，刊登在2011年 的Vol. 40,No. 5的紅外與激光工程期刊上，該論文包含非朗表面對(duì)復(fù)雜背景的紅外輻射的 散射特性，雖然其采用BRDF表面，但未包含多次反射模型，目標(biāo)尾焰輻射模型，其計(jì)算目標(biāo) 為圓柱體。
[0005] 因此，目前亟需提出一種復(fù)雜目標(biāo)紅外輻射特性一體化建模方法，以光譜射線追 蹤方法貫穿整個(gè)求解過程，并建立適用射線追蹤形式的求解模型。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種復(fù)雜目標(biāo)紅外輻射特性一體化建模方法，以光譜射線 追蹤方法貫穿整個(gè)求解過程，并建立適用射線追蹤形式的求解模型，適用于對(duì)包含尾焰的 復(fù)雜目標(biāo)飛行器在特定飛行狀態(tài)下的紅外輻射特性仿真。
[0007] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種復(fù)雜目標(biāo)紅外輻射特性一體化建模方法，包 含以下步驟：
[0008]S1、將獲取的復(fù)雜目標(biāo)紅外輻射特性仿真所需的所有輸入?yún)?shù)和條件組織成XML 格式，為復(fù)雜目標(biāo)紅外輻射特性一體化建模方法提供輸入條件；
[0009] S2、建立適用于光譜射線追蹤方法的目標(biāo)表面紅外輻射求解模型，即計(jì)算目標(biāo)蒙 皮自身輻射模型，并基于該目標(biāo)表面紅外輻射求解模型對(duì)復(fù)雜目標(biāo)的表面區(qū)域進(jìn)行預(yù)處 理；
[0010] S3、建立適用于光譜射線追蹤方法的目標(biāo)表面紅外反射求解模型，即計(jì)算目標(biāo)蒙 皮BRDF反射模型，并基于該目標(biāo)表面紅外反射求解模型對(duì)復(fù)雜目標(biāo)的表面區(qū)域進(jìn)行預(yù)處 理；
[0011]S4、建立適用于光譜射線追蹤方法的非均勻尾焰氣體組分紅外輻射計(jì)算模型，并 基于該非均勻尾焰氣體組分紅外輻射計(jì)算模型對(duì)復(fù)雜目標(biāo)的尾焰區(qū)域進(jìn)行預(yù)處理；
[0012] S5:針對(duì)探測(cè)器及其視線方向，對(duì)探測(cè)器焦平面陣列像素進(jìn)行采樣，生成亞像素光 譜射線束，向場(chǎng)景中目標(biāo)投射射線束；針對(duì)每條亞像素光譜射線追蹤射線路徑，計(jì)算其與場(chǎng) 景中的目標(biāo)三角面元網(wǎng)格的交點(diǎn)；
[0013]S6、對(duì)復(fù)雜目標(biāo)的不同區(qū)域，采用S2和S3中建立的模型，計(jì)算每一個(gè)交點(diǎn)處的輻 射反射值；
[0014]S7、遞歸計(jì)算亞像素光譜射線與場(chǎng)景相交的過程，把所有計(jì)算的輻射亮度加到該 亞像素光譜射線接收總輻射亮度中；
[0015]S8、對(duì)每個(gè)探測(cè)器焦平面陣列的像素處的亞像素射線獲得的光譜輻射值進(jìn)行采樣 重建，匹配濾波，獲得該像素的光譜總輻射亮度；
[0016]S9、利用獲得的探測(cè)器焦平面陣列的各像素處的光譜輻射值，對(duì)譜段進(jìn)行積分，從 而獲得復(fù)雜目標(biāo)的紅外輻射亮度值。
[0017] 所述的S1中，具體包含以下步驟：
[0018]S11、建立所需仿真的飛行器，以作為復(fù)雜目標(biāo)；該飛行器具有進(jìn)氣口和尾噴口；
[0019]S12、獲得適用于流體計(jì)算的表面三角面元網(wǎng)格與周圍自由流體網(wǎng)格模型；
[0020]S13、根據(jù)復(fù)雜目標(biāo)飛行器的飛行參數(shù)，尾焰分子種類及熱化學(xué)反應(yīng)方程，大氣環(huán) 境參數(shù)，以及利用空氣流量、增壓比、渦輪前溫度的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)而設(shè)定的進(jìn)氣口邊界仿真條 件和尾噴口射流邊界仿真條件，獲得復(fù)雜目標(biāo)飛行器表面溫度場(chǎng)分布，尾焰射流流場(chǎng)溫度、 壓強(qiáng)、主要輻射分子組分分布的輸入數(shù)據(jù)，并將這些輸入數(shù)據(jù)和條件組織成XML格式。
[0021] 所述的S2中，具體包含以下步驟：
[0022] S21、所述的目標(biāo)蒙皮自身輻射模型是通過黑體輻射定律來計(jì)算求解的，該黑體輻 射定律公式為：
[0024] 其中，Μλ*黑體的光譜輻出度，h為普朗克常數(shù)，c為真空中的光速，k為玻耳茲曼 常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度，λ為輻射波長；
[0025]S22、將復(fù)雜目標(biāo)的表面近似為朗伯輻射面，則推導(dǎo)出適用于光譜射線追蹤方法的 目標(biāo)表面紅外輻射求解模型的公式為：
[0027] 其中，ε為復(fù)雜目標(biāo)表面的反射率；λ1和λ2分別為所需仿真的波長區(qū)間的起始 波長與終止波長；
[0028]S23、根據(jù)S22獲得的目標(biāo)表面紅外輻射求解模型，對(duì)S13中獲得的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行 預(yù)處理，加入復(fù)雜目標(biāo)的表面發(fā)射率；針對(duì)不同的復(fù)雜目標(biāo)，事先根據(jù)樣片測(cè)得其表面發(fā)射 率情況，并加入到復(fù)雜目標(biāo)的表面三角面元網(wǎng)格模型中。
[0029] 所述的S3中，具體包含以下步驟：
[0030]S31、所述的BRDF定義為：
[0032] 其中，dLjθρ(^)為適用于光譜射線追蹤的出射方向的輻射亮度，θι^為反射天 頂角，反射方位角；(ΙΕ^Θμ(^)為適用于光譜射線追蹤的入射方向的輻射照度， 為入射天頂角，<^為入射方位角；
[0033] S32、對(duì)于紅外波段，采用Sandford-Robertson模型對(duì)復(fù)雜目標(biāo)的表面樣片BRDF 測(cè)量結(jié)果進(jìn)行參數(shù)擬合，并將所得到的參數(shù)加入到復(fù)雜目標(biāo)的表面三角面元網(wǎng)格模型中， 對(duì)于相同BRDF特性的面元賦值一種擬合參數(shù)。
[0034] 所述的S4中，對(duì)復(fù)雜目標(biāo)的飛行器非均勻尾焰氣體組分的紅外輻射特性建模的 問題，等同于對(duì)非均勻熱氣體的輻射特性進(jìn)行建模；具體為：
[0035] 分析非均勻熱氣體的特點(diǎn)和均勻熱氣體的譜帶模型，以原子分子輻射理論為基 礎(chǔ)，結(jié)合譜線的碰撞展寬效應(yīng)和多譜勒展寬效應(yīng)，利用單譜帶模型近似法對(duì)非均勻熱氣體 譜帶模型所用到的譜帶模型參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，從而獲得射線方向所接收到的紅外輻射亮度 Lp，實(shí)現(xiàn)對(duì)非均勻尾焰氣體組分紅外輻射計(jì)算模型的建立。
[0036] 所述的S6中，具體為：對(duì)于復(fù)雜目標(biāo)的表面區(qū)域，交點(diǎn)處的輻射亮度值為：
[0038] 其中，Μ代表交點(diǎn)，E,代表外部輻射源到Μ點(diǎn)處的輻射照度；Le代表目標(biāo)表面自身 輻射亮度代表入射輻射亮度。
[0039] 所述的S7中，L(i，j，為探測(cè)器像素網(wǎng)格中像素（i，j)處的入射輻射亮度，其 波長位于[λι1; 的區(qū)間內(nèi)；亞像素光譜射線從（i，j)像素點(diǎn)投射并與場(chǎng)景中的復(fù)雜目 標(biāo)的多個(gè)面元相交，在第η個(gè)面元1處被反射，射線在反射后與第n+1個(gè)面元相交于Μn+1;則L(i,j,λ;)通過如下算法遞歸計(jì)算：
[0040]S71、初始條件的主射線為：L0(i，j,λJ= 〇 ;k0= 1;
[0041]S72、第n+1階遞歸為：
[0042]Ln+1 (i,j,λ丄）=Ln (i,j,λ丄)+kn · [τatn。（[Qn,Mn+1]，λ丄）·Llocal (Mn+1,λ工）
[0043] +(1-α(Mn+1,λ；)) ·Latmo([Qn,Mn+1],λ ;
[0044]
[0045] 對(duì)于Mn+1處的反射射線為：
[0046] kn+1=kn ·Tatnro([Qn，Mn+1]，入丄）·pg(Mn+1，;
[0047] Qn+1=Mn+1
[0048]
[0049] 其中，η為遞歸深度；Qn為探測(cè)器位置或者上一次反射點(diǎn)；Ln+1(i，j，λ]為探測(cè)器 接收到的第η+1階累計(jì)輻射亮度，在波長[λι1; 區(qū)間積分；Ln(i，j，λ]為探測(cè)器接收 到的第η階累計(jì)輻射亮度，在波長[λiλJ區(qū)間積分；kn+1為第η+1階遞歸系數(shù)；kη為第 11階遞歸系數(shù)；1^"1。（說，]^+1]，入1)為光程（]^，]^ +1)中大氣程輻射，在波長[111，入1]區(qū)間 積分；τatnro([Qn，Μη+1],λ;)為光程（Μη,Μη+1)的大氣透過率，在波長[λ;λJ區(qū)間積分； Li0cai(Mn+1，入）為Mn+1輻射和反射的輻射亮度，在波長[