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        海面艦船多波段動(dòng)態(tài)紅外圖像仿真

        2015-05-15 08:58:36劉中華林春生
        機(jī)電工程技術(shù) 2015年7期
        關(guān)鍵詞:面元瞬態(tài)艦船

        陳 翾,劉中華,林春生

        (1.中國(guó)人民解放軍91336部隊(duì),河北秦皇島 066326;2.中國(guó)人民解放軍91860部隊(duì),上海 352103;

        3.海軍工程大學(xué)兵器工程系,湖北武漢 430033)

        0 引言

        隨著紅外探測(cè)與制導(dǎo)技術(shù)的飛速發(fā)展,越來(lái)越多的反艦導(dǎo)彈都裝備了先進(jìn)的紅外成像制導(dǎo)設(shè)備,這些對(duì)水面艦船的生存能力提出了更高的要求,并且對(duì)于目標(biāo)和背景的紅外熱像的模擬就顯得由為的重要。建立艦船目標(biāo)的熱成像理論模型已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外有關(guān)研究機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)之一。各種軍事目標(biāo)紅外圖像的獲得為軍事領(lǐng)域中紅外成像武器裝備的研制、仿真和評(píng)估隱身設(shè)計(jì)、尋求反隱身途徑提供了經(jīng)濟(jì)有效的手段。

        在國(guó)外,有關(guān)這方面的研究開(kāi)展的較早,并已取得了積極的進(jìn)展。特別是上世紀(jì)九十年代以來(lái),美國(guó)的ERIM研究所已將海洋背景與目標(biāo)融合起來(lái),建立了極為精確的紅外模擬方法;1999年,加拿大的DAVIS公司發(fā)布了他們與美國(guó)NRL實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開(kāi)發(fā)的艦艇紅外特征管理軟件。但在國(guó)內(nèi),這方面的研究起步較晚,開(kāi)展的工作也不是很多。上海交通大學(xué)在1992年以來(lái)開(kāi)展艦船紅外理論建模,計(jì)算模擬出靜態(tài)時(shí)艦船表面溫度分布[1-2]。但許多研究機(jī)構(gòu)在進(jìn)行目標(biāo)紅外熱像仿真時(shí),均是將目標(biāo)表面溫度或紅外輻射通量的數(shù)值與目標(biāo)熱圖像的灰度值進(jìn)行轉(zhuǎn)換,而未考慮探測(cè)器與目標(biāo)的相對(duì)位置對(duì)圖像仿真的影響,在一定程度上也影響了仿真的精度。

        本文在建立艦船目標(biāo)動(dòng)態(tài)傳熱模型基礎(chǔ)之上,模擬出艦船表面瞬時(shí)溫度分布,并利用3D-MAX軟件的強(qiáng)大三維幾何構(gòu)形功能,綜合考慮了目標(biāo)周圍環(huán)境、天空、太陽(yáng)、目標(biāo)與探測(cè)器相對(duì)位置以及大氣傳輸對(duì)目標(biāo)紅外特征的影響,模擬出艦船多波段瞬態(tài)的具有較強(qiáng)真實(shí)感的紅外圖像。

        1 艦船傳熱模型

        艦船表面溫度的模擬計(jì)算是一個(gè)具有復(fù)雜幾何形狀、對(duì)流與輻射耦合換熱邊界條件的瞬態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題。但為了使動(dòng)態(tài)模擬順利進(jìn)行,提出以下幾條假定[3]:(1)將艦船表面結(jié)構(gòu)化分為許多個(gè)具有一定厚度的面元,并對(duì)各面元的方向進(jìn)行定義(面元的方向定義如圖1所示),相同方向的面元分為一類,各面元材料相同、各向同性,且僅在厚度方向存在溫度變化,同類面元的溫度變化情況相同;(2)各艙室室內(nèi)溫度恒定,且內(nèi)壁面與室內(nèi)空氣對(duì)流換熱系數(shù)一定;(3)忽略面元間的輻射換熱。

        圖1 面元表面與探測(cè)方向的角度關(guān)系

        如果物體的熱物性參數(shù)不變且其內(nèi)部不含內(nèi)熱源,則物體導(dǎo)熱微分方程為[4]:

        其中,T(r,t)為目標(biāo)上某一點(diǎn)時(shí)刻t的熱力學(xué)溫度;a為目標(biāo)材料的熱擴(kuò)散率。

        對(duì)于目標(biāo)與背景的紅外特征模型,熱邊界條件的一般形式可表述為:

        其中,αs、αl、ε分別為目標(biāo)表面材料短波吸收率、長(zhǎng)波吸收率與平均發(fā)射率;Esuni、Eskyi為目標(biāo)第i個(gè)面元某一時(shí)刻接收到的太陽(yáng)輻照度與天空輻照度;Tfi為目標(biāo)第i個(gè)面元表面的瞬時(shí)溫度;qc、qec為目標(biāo)面元與外界的瞬時(shí)對(duì)流換熱量與潛熱換熱量;qri為邊界面與周圍物體間瞬時(shí)凈輻射換熱量。

        將面元結(jié)構(gòu)沿厚度方向分為N層,每層間隔處為一節(jié)點(diǎn),加上內(nèi)外表面上各一節(jié)點(diǎn)共N+1個(gè)節(jié)點(diǎn),(如圖2所示),qsun=αsEsuni,qco、qci分別為面元外部與內(nèi)部和環(huán)境的對(duì)流換熱量,對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)列節(jié)點(diǎn)方程,并采用有限體法對(duì)N+1個(gè)節(jié)點(diǎn)方程進(jìn)行離散。離散后的目標(biāo)結(jié)構(gòu)瞬態(tài)熱平衡過(guò)程可表達(dá)為:

        其中,[K]為傳導(dǎo)矩陣;[C]為比熱矩陣;{}T 為節(jié)點(diǎn)溫度向量為溫度對(duì)時(shí)間導(dǎo)數(shù);{Q}為節(jié)點(diǎn)熱流率向量。

        各艙室壁面由兩種材料構(gòu)成(扁鋼與玻璃棉),材料參數(shù)如表1所示。

        圖2 面元傳熱模型

        通過(guò)計(jì)算可以得出艦船在一定速度和航向上,各個(gè)部位的任一面元的瞬時(shí)溫度變化情況?,F(xiàn)取艦船右舷、左舷及甲板上的三類面元,其溫度變化情況如圖3所示。

        表1 面元材料參數(shù)

        2 艦船紅外圖象仿真

        當(dāng)紅外圖像用灰度圖來(lái)表示時(shí),一般可以認(rèn)為圖像中某點(diǎn)的灰度值與探測(cè)器接受到這一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的面元的輻射能量的大小成正比。也就是說(shuō)圖像中某點(diǎn)灰度值與面元自身輻射能量、面元與探測(cè)器的相對(duì)位置以及面元和探測(cè)器間大氣傳輸影響等因素相關(guān)。探測(cè)器接收到的最大與最小輻射能量分別為Emax與Emin。探測(cè)器接收到面元的輻射能量為Ei,則其圖像的灰度值為:

        圖3 艦船面元瞬態(tài)溫度變化

        紅外探測(cè)器一般都具有一定的工作波段。當(dāng)計(jì)算探測(cè)器接收到某個(gè)面元某一波段的輻射能量E時(shí),需要考慮面元與探測(cè)器的相對(duì)位置、面元自身的輻射、面元對(duì)環(huán)境輻射的反射以及面元與探測(cè)器間大氣傳輸?shù)挠绊憽?/p>

        圖4 面元與探測(cè)器相對(duì)位置

        其中,ΔAf為面元面積;θ、θk分別為面元和探測(cè)器的法向與探測(cè)方向的夾角;li為探測(cè)器與面元間的距離;τΔλ為大氣透射率;M(Tfi)為Δλ波段內(nèi)溫度為T(mén)fi的黑體輻射出射度;ε為面元表面發(fā)射率; ρl,ρs分別為面元表面長(zhǎng)波與短波反射率;為面元與探測(cè)器間大氣輻射亮度。

        將式(5)~(10)代入(4)式就可以得出任意面元的灰度值,水平面元的灰度值計(jì)算結(jié)果如表2。

        表2 水平面元灰度值計(jì)算結(jié)果

        圖5 艦船多波段瞬態(tài)模擬紅外熱像

        艦船多波段瞬態(tài)紅外熱像模擬結(jié)果如圖5所示。圖5中,艦船航向正北,煙囪口溫度為500 k,模擬季節(jié)為秋季。從圖5可以看出,在3~5μm波段,艦船的紅外模擬熱像的整體輪廓很模糊,但在各個(gè)時(shí)刻由于太陽(yáng)時(shí)角的變化,艦船某些局部仍能比較清晰的辨別,特別是煙囪出口處在此波段的熱像中非常清晰。而在8~14μm波段,艦船的紅外模擬熱像在各個(gè)時(shí)刻都比較清晰,9∶00時(shí),艦船甲板的灰度低于船舷,12∶00時(shí),由于甲板溫度升高以及對(duì)環(huán)境輻射的反射增強(qiáng),甲板的灰度明顯高于船舷,15∶00時(shí),由于甲板溫度逐漸降低以及對(duì)環(huán)境輻射的反射減弱,甲板的灰度從新低于船舷。

        3 結(jié)語(yǔ)

        本文以目標(biāo)表面瞬態(tài)溫度場(chǎng)模擬為基礎(chǔ),利用3D-MAX軟件的強(qiáng)大三維幾何構(gòu)形功能,綜合考慮了目標(biāo)周圍環(huán)境、天空、太陽(yáng)以及大氣傳輸對(duì)目標(biāo)紅外特征的影響,模擬出艦船多波段真實(shí)感教強(qiáng)的瞬態(tài)紅外熱像。其研究成果將會(huì)對(duì)目標(biāo)識(shí)別、紅外隱身與對(duì)抗技術(shù)研究以及紅外制導(dǎo)武器研制等具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

        [1]高蘭香,沈國(guó)土,蔡繼光,等.紅外熱像理論建模中的體效應(yīng)研究[J].紅外與激光工程,2007,36(增刊2):597-599.

        [2]蔡石屏,沈國(guó)土,蔡繼光,等.有限元模型生成及其在熱分析中的應(yīng)用[J].紅外技術(shù),2009,30(5):279-282.

        [3]楊世名,陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京:高等教育出版社,1998.

        [4]張建奇,方小平.紅外物理[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2004.

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