复杂目标红外辐射特性一体化建模方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及复杂目标红外辐射特性一体化建模方法，尤其是指非均匀燃烧后气体 流场中分子红外辐射的计算技术，属于目标与环境红外辐射散射特性研究领域。
【背景技术】
[0002] 复杂目标红外辐射特性在红外隐身装备设计，红外检测算法验证，目标红外辐射 半实物仿真系统，红外搜索跟踪系统的设计，包括波段、域值的选取等领域具有重要作用。 获取目标红外辐射特性技术是开展红外设备与算法研究的基础。通常获取方法有两种，一 种是通过实验测量获取，另一种是通过建模仿真的方式获取。其中第一种实验测量获取方 法由于其局限性，开展飞行器地面测试会耗费大量的人力物力，且并不能覆盖不同情况下 的飞行器红外目标特性。而第二种通过仿真建模的获取方式则能够对特定条件下的飞行器 目标红外辐射特性进行预测，节省了大量成本。
[0003] 目标红外辐射特性是多元因素决定的，与目标表面热平衡状态下的温度、目标表 面发射率分布、目标表面光谱反射特性（用BRDF双向反射分布函数表征）、目标尾焰的流 场、尾焰流场中主要辐射源分子（如H20，C02)的组分分布，流场温度、压强分布，以及探测器 观测方向等等因素有关。整个过程是一个复杂的能量辐射传输过程。对于复杂目标红外辐 射特性的求解，无法通过解析方式求解，必须采用数值计算方式。
[0004] 现有技术中，由冯云松、吕相银等发表的《空中目标蒙皮红外辐射特性的理论计 算》，刊登在2013年Vol. 40，N〇. 2的光电材料期刊上，该论文建立空中目标蒙皮的一维导热 微分方程，采用后向差分方法求解方程，计算了蒙皮表面温度分布，根据黑体辐射定律获得 了随时间空间的辐射变化，并考虑了环境辐射的影响。该论文中只考虑环境一次反射影响， 并未考虑多次反射效应，其目标表面为朗伯面，而且不包含飞行器目标尾焰辐射特性。而由 杨玉峰、吴振森等发表的《非朗伯面目标对复杂背景红外辐射的散射特性》，刊登在2011年 的Vol. 40,No. 5的红外与激光工程期刊上，该论文包含非朗表面对复杂背景的红外辐射的 散射特性，虽然其采用BRDF表面，但未包含多次反射模型，目标尾焰辐射模型，其计算目标 为圆柱体。
[0005] 因此，目前亟需提出一种复杂目标红外辐射特性一体化建模方法，以光谱射线追 踪方法贯穿整个求解过程，并建立适用射线追踪形式的求解模型。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种复杂目标红外辐射特性一体化建模方法，以光谱射线 追踪方法贯穿整个求解过程，并建立适用射线追踪形式的求解模型，适用于对包含尾焰的 复杂目标飞行器在特定飞行状态下的红外辐射特性仿真。
[0007] 为了达到上述目的，本发明提供一种复杂目标红外辐射特性一体化建模方法，包 含以下步骤：
[0008]S1、将获取的复杂目标红外辐射特性仿真所需的所有输入参数和条件组织成XML 格式，为复杂目标红外辐射特性一体化建模方法提供输入条件；
[0009] S2、建立适用于光谱射线追踪方法的目标表面红外辐射求解模型，即计算目标蒙 皮自身辐射模型，并基于该目标表面红外辐射求解模型对复杂目标的表面区域进行预处 理；
[0010] S3、建立适用于光谱射线追踪方法的目标表面红外反射求解模型，即计算目标蒙 皮BRDF反射模型，并基于该目标表面红外反射求解模型对复杂目标的表面区域进行预处 理；
[0011]S4、建立适用于光谱射线追踪方法的非均匀尾焰气体组分红外辐射计算模型，并 基于该非均匀尾焰气体组分红外辐射计算模型对复杂目标的尾焰区域进行预处理；
[0012] S5:针对探测器及其视线方向，对探测器焦平面阵列像素进行采样，生成亚像素光 谱射线束，向场景中目标投射射线束；针对每条亚像素光谱射线追踪射线路径，计算其与场 景中的目标三角面元网格的交点；
[0013]S6、对复杂目标的不同区域，采用S2和S3中建立的模型，计算每一个交点处的辐 射反射值；
[0014]S7、递归计算亚像素光谱射线与场景相交的过程，把所有计算的辐射亮度加到该 亚像素光谱射线接收总辐射亮度中；
[0015]S8、对每个探测器焦平面阵列的像素处的亚像素射线获得的光谱辐射值进行采样 重建，匹配滤波，获得该像素的光谱总辐射亮度；
[0016]S9、利用获得的探测器焦平面阵列的各像素处的光谱辐射值，对谱段进行积分，从 而获得复杂目标的红外辐射亮度值。
[0017] 所述的S1中，具体包含以下步骤：
[0018]S11、建立所需仿真的飞行器，以作为复杂目标；该飞行器具有进气口和尾喷口；
[0019]S12、获得适用于流体计算的表面三角面元网格与周围自由流体网格模型；
[0020]S13、根据复杂目标飞行器的飞行参数，尾焰分子种类及热化学反应方程，大气环 境参数，以及利用空气流量、增压比、涡轮前温度的发动机参数而设定的进气口边界仿真条 件和尾喷口射流边界仿真条件，获得复杂目标飞行器表面温度场分布，尾焰射流流场温度、 压强、主要辐射分子组分分布的输入数据，并将这些输入数据和条件组织成XML格式。
[0021] 所述的S2中，具体包含以下步骤：
[0022] S21、所述的目标蒙皮自身辐射模型是通过黑体辐射定律来计算求解的，该黑体辐 射定律公式为：
[0024] 其中，Μλ*黑体的光谱辐出度，h为普朗克常数，c为真空中的光速，k为玻耳兹曼 常数，T为热力学温度，λ为辐射波长；
[0025]S22、将复杂目标的表面近似为朗伯辐射面，则推导出适用于光谱射线追踪方法的 目标表面红外辐射求解模型的公式为：
[0027] 其中，ε为复杂目标表面的反射率；λ1和λ2分别为所需仿真的波长区间的起始 波长与终止波长；
[0028]S23、根据S22获得的目标表面红外辐射求解模型，对S13中获得的输入数据进行 预处理，加入复杂目标的表面发射率；针对不同的复杂目标，事先根据样片测得其表面发射 率情况，并加入到复杂目标的表面三角面元网格模型中。
[0029] 所述的S3中，具体包含以下步骤：
[0030]S31、所述的BRDF定义为：
[0032] 其中，dLjθρ(^)为适用于光谱射线追踪的出射方向的辐射亮度，θι^为反射天 顶角，反射方位角；(ΙΕ^Θμ(^)为适用于光谱射线追踪的入射方向的辐射照度， 为入射天顶角，<^为入射方位角；
[0033] S32、对于红外波段，采用Sandford-Robertson模型对复杂目标的表面样片BRDF 测量结果进行参数拟合，并将所得到的参数加入到复杂目标的表面三角面元网格模型中， 对于相同BRDF特性的面元赋值一种拟合参数。
[0034] 所述的S4中，对复杂目标的飞行器非均匀尾焰气体组分的红外辐射特性建模的 问题，等同于对非均匀热气体的辐射特性进行建模；具体为：
[0035] 分析非均匀热气体的特点和均匀热气体的谱带模型，以原子分子辐射理论为基 础，结合谱线的碰撞展宽效应和多谱勒展宽效应，利用单谱带模型近似法对非均匀热气体 谱带模型所用到的谱带模型参数进行计算，从而获得射线方向所接收到的红外辐射亮度 Lp，实现对非均匀尾焰气体组分红外辐射计算模型的建立。
[0036] 所述的S6中，具体为：对于复杂目标的表面区域，交点处的辐射亮度值为：
[0038] 其中，Μ代表交点，E,代表外部辐射源到Μ点处的辐射照度；Le代表目标表面自身 辐射亮度代表入射辐射亮度。
[0039] 所述的S7中，L(i，j，为探测器像素网格中像素（i，j)处的入射辐射亮度，其 波长位于[λι1; 的区间内；亚像素光谱射线从（i，j)像素点投射并与场景中的复杂目 标的多个面元相交，在第η个面元1处被反射，射线在反射后与第n+1个面元相交于Μn+1;则L(i,j,λ;)通过如下算法递归计算：
[0040]S71、初始条件的主射线为：L0(i，j,λJ= 〇 ;k0= 1;
[0041]S72、第n+1阶递归为：
[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] 对于Mn+1处的反射射线为：
[0046] kn+1=kn ·Tatnro([Qn，Mn+1]，入丄）·pg(Mn+1，;
[0047] Qn+1=Mn+1
[0048]
[0049] 其中，η为递归深度；Qn为探测器位置或者上一次反射点；Ln+1(i，j，λ]为探测器 接收到的第η+1阶累计辐射亮度，在波长[λι1; 区间积分；Ln(i，j，λ]为探测器接收 到的第η阶累计辐射亮度，在波长[λiλJ区间积分；kn+1为第η+1阶递归系数；kη为第 11阶递归系数；1^"1。（说，]^+1]，入1)为光程（]^，]^ +1)中大气程辐射，在波长[111，入1]区间 积分；τatnro([Qn，Μη+1],λ;)为光程（Μη,Μη+1)的大气透过率，在波长[λ;λJ区间积分； Li0cai(Mn+1，入）为Mn+1辐射和反射的辐射亮度，在波长[