一种低慢小飞行器红外辐射特性计算方法及存储介质与流程

1.本发明属于目标红外辐射特性测量计算技术领域，具体涉及一种低慢小飞行器红外辐射特性计算方法及存储介质。


背景技术：

2.近年来，随着无人航空飞行器技术的快速发展，各类无人飞行器在世界各地的局部冲突中得到广泛应用，展现出强大的威胁力，特别是当前占市场主流具有飞行高度低、飞行速度慢、体积尺寸小等“低慢小”典型特征的多旋翼飞行器，其机身大多采用塑料材质，雷达反射截面小、低空噪声干扰大、速度慢隐身性能好，雷达探测技术难以发挥作用。相对无线电被动探测技术射频数据库、通讯协议难以及时获取或更新；声学探测技术探测距离近、环境嘈杂时虚警高；可见光探测设备无法夜间工作等问题，红外热像仪具有昼夜工作、被动成像、抗干扰性强等特点，在低慢小飞行器反制系统中占据优势，发挥重要作用。
3.红外热像仪是通过接收目标和背景的红外辐射强度差值产生信号图像，因此对低慢小飞行器的红外辐射特性研究可为红外搜索跟踪系统、红外侦察系统等红外热成像设备进行项目论证、成像仿真、整机设计及试验提供理论依据。
4.目前国内外针对飞行器的红外辐射特性仿真主要集中在高速的战斗机、高空飞行的攻击飞行器或导弹类目标，它们与低慢小飞行器的红外辐射特性不同主要体现在两个方面。一是由于速度快，机身蒙皮辐射强；二是由于采用涡轮发动机、涡扇发动机或火箭发动机，其尾喷口和尾焰的红外辐射强度大，基本可以忽略外界环境辐射对其影响，因此对这些目标的红外特性分析主要在蒙皮、尾喷口、尾焰这三个方面展开。低慢小飞行器速度慢、功率小，其对周围环境辐射的反射因素不可忽略，目前国内尚无对该类目标开展红外辐射特性理论仿真的文献报道。
5.中国专利cn112215957a公开一种空中目标红外特性仿真方法，通过三维模型构建软件对目标表面进行网格优化，并通过底层绘图方式实现形体仿真，采用vegaprime平台对高空高速带尾焰的飞行器开展红外辐射特性模拟。
6.中国专利cn114676379a公开高超声速巡航飞行器整体红外辐射特性计算方法及装置，包括飞行器弹体温度分布计算、弹体红外辐射特性计算、尾焰流场分布计算、尾焰红外辐射特性计算和整体红外辐射计算五部分。
7.中国专利cn114219020a公开一种基于多角度序列图像的空间目标参数反演方法，将空间目标用小平面单元表示，建立节点平衡方程，求解目标表面温度分布，基于普朗克定律，采用逆向射线追踪方法计算空间目标红外辐射强度。
8.上述专利的计算方法，都集中在高速、高空、高功率目标，未考虑低慢小飞行器目标反射环境辐射的影响因素。低慢小飞行器飞行高度低、速度慢、体积小、功率小，其反射周围环境辐射影响红外系统仿真结果或红外探测设备的信噪比。飞行器红外辐射特性数值计算方法一般需运用数量较多的专业软件、建模复杂，运算量大，特别是需要考虑目标对复杂环境的反射辐射时数值仿真困难，因此有必要采用工程计算方法，建立低慢小飞行器红外
辐射特性计算模型。
9.美国中佛罗里达大学光子与光子学学院nicolette fudala、robert short、jennifer hewitt等人在《小型旋翼机无人机红外搜索和跟踪中波与长波强度特征的比较》
1.中，实测了大疆精灵4pro型无人机在3μm-5μm波段红外辐射强度，可以作为本发明的计算方法的比较对象。
10.[1]nicolette fudala，robert short,jennifer hewitt,et al.comparison of midwave versus longwave intensity signatures for infrared search and track of small rotorcraft unmanned aerial vehicles[j].optical engineering，2019，58(4).


技术实现要素：

[0011]
本发明的目的是为了解决现有方法的不足，提出一种低慢小飞行器红外辐射特性计算方法。所述计算方法，用以解决现有技术中无法准确计算低慢小飞行器反射环境辐射强度等问题，进而为红外热成像探测设备的技术指标论证、方案设计及系统试验提供理论依据及数据支撑。
[0012]
为实现上述目的，本发明内含三个计算模型：(1)目标几何模型，(2)目标/环境红外辐射模型，(3)双向反射分布函数模型。
[0013]
所述计算方法的目标几何模型是根据飞行器外形参数对目标采用一组平面近似描述的立体几何结构。
[0014]
所述计算方法的目标/环境红外辐射模型包括目标自身的红外辐射和目标反射环境红外辐射两部分
[0015]
所述计算方法的双向反射分布函数模型是反射方向小立体角内反射的辐射亮度与入射的辐射照度之比，它是波长、入射光的方位角和天顶角、反射光的方位角和天顶角，五个变量的函数。
[0016]
进一步，优选的是，根据目标几何模型，建立基于目标的基本坐标系，基本坐标系是右手笛卡尔直角坐标系，红外热像仪和太阳从原点用球坐标确定。
[0017]
进一步，优选的是，根据目标/环境红外辐射模型，目标自身红外辐射主要是机身蒙皮辐射，反射环境红外辐射包括目标机身对太阳辐射、地表辐射、地表反射太阳辐射、地表反射天空辐射、天空辐射的反射，特殊情况存在云层反射辐射。
[0018]
进一步，优选的是，双向反射分布函数模型常用的是基于微面元的cook-torrance模型，其分为镜面反射部分和漫反射部分，漫反射部分可近似为理想的朗伯漫反射。
[0019]
本发明提出一种低慢小飞行器红外辐射特性计算方法，包括目标几何模型、目标/环境红外辐射模型以及双向反射分布函数模型，其计算流程如图1所示：首先，利用目标原型参数构建目标几何模型及基本坐标系；其次，对目标/环境的辐射特性开展机理分析，分别计算影响目标红外辐射特性的环境辐射因素；最后，根据观察者、太阳、地表、天空相对目标的方位角、天顶角，结合双向反射分布函数模型，综合求解目标/环境红外辐射亮度、投影面积。由计算的目标/环境辐射亮度乘以投影面积得到目标辐射强度。
[0020]
本发明提出一种低慢小飞行器红外辐射特性计算方法包含的目标几何模型采用一组平面近似描述，构建如图2所示的四棱锥简易模型。假定基本坐标系是一个z轴垂直向上的右手笛卡尔直角坐标系，其中心o点位于四棱锥目标abcde顶面bcde的中心，x轴指向目
标前端，y轴指向目标左侧。红外热像仪和太阳从原点用球坐标确定。向量i为平面abc的单位法向量(xi,yi,zi)，其方向向外。红外热像仪在目标坐标系中的天顶角和方位角为太阳在目标坐标系中的天顶角和方位角为根据坐标系转换方法得到红外热像仪、太阳在目标坐标系中的单位向量为(x
t
,y
t
,z
t
)，(xs,ys,zs)。则平面abc的单位法向量i与红外热像仪视线方向的夹角α存在如下关系：
[0021][0022]
目标相对红外热像仪方向的投影面积等于表面面积乘以由面法线和热像仪方向矢量之间的夹角的余弦：
[0023]st
＝s
δabc
·
cosα
ꢀꢀꢀ
(2)
[0024]
当cosα小于零时，则存在遮挡，其投影面积为零。
[0025]
本发明提出一种低慢小飞行器红外辐射特性计算方法包含的目标/环境红外辐射模型如图3所示。无人机在空中飞行时，红外热像仪接收到的目标红外辐射包括目标自身的红外辐射和目标反射辐射两部分。目标自身辐射主要是机身辐射，反射辐射包括目标机身对太阳辐射、地表辐射、地表反射太阳辐射、地表反射天空辐射、天空辐射的反射，特殊情况也存在云层反射辐射。目标辐射亮度是各种分量的总和：
[0026]
l
total
＝l
sel
+l
rs
+l
re
+l
rsky
ꢀꢀꢀ
(3)
[0027]
l
total
为目标总的光谱辐射亮度；l
sel
为目标自身辐射亮度；l
rs
为目标反射太阳辐射亮度；l
re
为目标反射地表辐射亮度，其中包括地表辐射亮度、地表反射太阳辐射亮度、地表反射天空辐射亮度；l
rsky
为目标反射天空辐射亮度。
[0028]
本发明提出一种低慢小飞行器红外辐射特性计算方法包含的双向反射分布函数模型如图4所示，其表达式为：
[0029][0030]
式中，是反射的辐射亮度，是入射的辐照度。θi和为入射的天顶角和方位角；θr和是反射的天顶角和方位角；λ为波长。双向反射分布函数常用的是基于微面元的cook-torrance模型，其分为镜面反射部分和漫反射部分，漫反射部分可近似为理想的朗伯漫反射。cook-torrance模型表达式如下：
[0031][0032]
式中，ks为镜面反射系数；kd为漫反射系数；d为法线分布函数；g为遮蔽函数；f为菲涅尔反射比。
[0033]
d函数表达式为：
[0034][0035]
g函数表达式为：
[0036][0037]
式中，σ为目标表面粗糙度；α为目标宏观平面法线与反射微面元法线的夹角，β为
微面元法线与入射光、反射光之间的夹角；为入射方位角和反射方位角的差值。在目标基本坐标系中α与β可表示为：
[0038][0039][0040]
由菲涅尔公式得到自然光入射的菲涅尔反射比为：
[0041][0042]
式中，rs为垂直入射面的辐射分量反射比；r
p
为平行入射面的辐射分量反射比；其表达式如下：
[0043][0044][0045]
ε为目标表面材料复折射率。
[0046]
ε＝n+ik
ꢀꢀꢀ
(13)
[0047]
n为复折射率实部；k为复折射率虚部。
[0048]
目标反射到观测方向的总辐射亮度l
ref
表达式为：
[0049][0050]
本发明提出一种低慢小飞行器红外辐射特性计算方法包含的目标/环境红外辐射模型中飞行器机身蒙皮温度为tr,其计算公式为：
[0051][0052]
式中：t
amb
为环境的空气温度；γ为空气比热率，无大的加热时，其值为1.4；k为恢复系数，层流一般取值0.82；ma为飞行器的马赫数。
[0053]
飞行器蒙皮在任意波长的辐射亮度l
sel
公式为：
[0054][0055]
式中：λ1λ2为红外探测器响应波段范围；ε
λ
为机身表面材料发射率；c
1 c2为第一、第二辐射常数。
[0056]
本发明提出一种低慢小飞行器红外辐射特性计算方法包含的目标/环境红外辐射模型中太阳辐射照度表达式为：
[0057][0058]
式中：a(u
*
,β)为吸收系数，eo为太阳常数，β为太阳高度角，ρg为区域地表反射率；ρo为瑞利大气反射率；
[0059]
本发明提出一种低慢小飞行器红外辐射特性计算方法包含的目标/环境红外辐射模型中天空辐射照度表达式为：
[0060][0061]
式中：c
1 c2为第一、第二辐射常数；θ为太阳天顶角；λ为波长；ta为天空温度；a，bk,ck为经验常数，通常取a＝2.0，bk＝0.61，ck＝0.05；ea为近地面水蒸气压强；car是与云的类型有关的系数；cc为云层覆盖率；
[0062]
本发明提出一种低慢小飞行器红外辐射特性计算方法包含的目标/环境红外辐射模型中地表辐射照度表达式为：
[0063][0064]
式中：λ为波长，ρe为地面反射率；c
1 c2为第一、第二辐射常数；te为地表温度。
[0065]
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行实现本发明所述的一种低慢小飞行器红外辐射特性计算方法的步骤。
[0066]
本发明的有益效果
[0067]
1)本发明提出的计算方法引入了双向反射分布函数，能有效计算飞行器对太阳辐射、地表辐射、天空辐射的漫反射和镜面反射辐射分量情况。
[0068]
2)本发明提出的计算方法包含的目标几何模型采用简化设计，将飞行器外形用一组平面构建，减少计算量。
[0069]
3)本发明提出的计算方法包含的目标环境辐射模型采用简化的数理公式实现红外辐射亮度传输，高效模拟辐射传输现象，降低计算复杂度。
[0070]
4)本发明提出的计算方法采用双坐标系，飞行器目标采用笛卡尔直角坐标系，红外热像仪和环境辐射源采用球坐标系，有效解决目标投影问题及各类辐射源辐射分量计算问题。
[0071]
总之，常用的数值计算法一般是先通过3d软件建立目标的几何模型，再利用icem、gambit或gridpro等软件对模型进行网格划分，基于流体力学相关定律利用fluent等软件进行数值模拟求解得目标的温度场分布，最后采用反向蒙特卡罗法(reverse monte carlo)进行线追迹、跟踪及统计获得目标红外辐射强度数据，上述方法需运用数量较多的专业软件、建模复杂，运算量大，特别是需要考虑目标对复杂环境的反射辐射时数值仿真困难。采用本发明计算方法，几何架构简单、辐射传输过程高效、双向反射分布函数计算简洁，通过该计算方法编制的程序计算快捷，目标相对景物、红外热像仪各种相对方向、相对位置的投影面积、红外辐射亮度均可快速高效计算。
附图说明
[0072]
图1：本发明计算流程图。
[0073]
图2：本发明目标几何模型。
[0074]
图3：本发明目标/环境辐射模型。
[0075]
图4：本发明双向反射分布函数模型。
[0076]
图5：本发明实施例3低慢小飞行器中波红外辐射特性计算结果。
[0077]
图6：本发明实施例4低慢小飞行器长波红外辐射特性计算结果。
[0078]
图7：本发明实施例3低慢小飞行器中波红外试验图片。
[0079]
图8：本发明实施例4低慢小飞行器长波红外试验图片。
具体实施方式
[0080]
下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。
[0081]
本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。
[0082]
本发明的一种低慢小飞行器红外辐射特性计算方法，包括目标几何模型、目标/环境红外辐射模型以及双向反射分布函数模型，其计算流程如图1所示：首先，利用目标原型参数构建目标几何模型及基本坐标系；其次，对目标/环境的辐射特性开展机理分析，分别计算影响目标红外辐射特性的环境辐射因素；最后，根据观察者、太阳、地表、天空相对目标的方位角、天顶角，结合双向反射分布函数模型，综合求解目标/环境红外辐射亮度、投影面积。由计算的目标/环境辐射亮度乘以投影面积得到目标辐射强度。
[0083]
实施例1
[0084]
如图1所示，一种低慢小飞行器红外辐射特性计算方法，包括以下三个计算模型：(1)目标几何模型，(2)目标/环境红外辐射模型，(3)双向反射分布函数模型。
[0085]
所述计算方法的目标几何模型是根据飞行器外形参数对目标采用一组平面近似描述的立体几何结构。
[0086]
所述计算方法的目标/环境红外辐射模型包括目标自身的红外辐射和目标反射环境红外辐射两部分。
[0087]
所述计算方法的双向反射分布函数模型是反射方向小立体角内反射的辐射亮度与入射的辐射照度之比，它是波长、入射光的方位角和天顶角、反射光的方位角和天顶角，五个变量的函数。
[0088]
实施例2
[0089]
在实施例1的基础上，还包括：
[0090]
根据目标几何模型，建立基于目标的基本坐标系，基本坐标系是右手笛卡尔直角坐标系，红外热像仪和太阳从原点用球坐标确定。
[0091]
根据目标/环境红外辐射模型，目标自身红外辐射主要是机身蒙皮辐射，反射环境红外辐射包括目标机身对太阳辐射、地表辐射、地表反射太阳辐射、地表反射天空辐射、天空辐射的反射，特殊情况存在云层反射辐射。
[0092]
双向反射分布函数模型常用的是基于微面元的cook-torrance模型，其分为镜面反射部分和漫反射部分，漫反射部分可近似为理想的朗伯漫反射。
[0093]
实施例3
[0094]
如图1所示，一种低慢小飞行器红外辐射特性计算方法，包括目标几何模型、目标/环境红外辐射模型以及双向反射分布函数模型，其计算流程如图1所示：首先，利用目标原型参数构建目标几何模型及基本坐标系；其次，对目标/环境的辐射特性开展机理分析，分别计算影响目标红外辐射特性的环境辐射因素；最后，根据观察者、太阳、地表、天空相对目标的方位角、天顶角，结合双向反射分布函数模型，综合求解目标/环境红外辐射亮度、投影面积。由计算的目标/环境辐射亮度乘以投影面积得到目标辐射强度。
[0095]
按照本发明的计算方法研的制低慢小飞行器红外辐射特性计算程序，程序界面如图5所示，由模型参数设置区和计算结果显示区组成。模型参数设置主要由目标形状参数及目标与太阳、目标与热像仪相对位置参数、气候条件、热像仪响应波段等数据作为输入条件。计算结果为目标五个端面的机身辐射亮度；目标漫反射及镜面反射太阳、地表、天空的辐射亮度；视线方向的投影面积及总的目标辐射强度等数据。
[0096]
输入典型的低慢小飞行器-大疆精灵4pro无人机的相关外形参数：长度247mm，宽度247mm，高度135mm；位置参数设置为：热像仪观测天顶角90
°
、热像仪方位角0
°
、太阳天顶角50
°
、太阳方位角0
°
；飞行器状态设置为：飞行高度2m、飞行速度为0、表面发射率为0.9；气候条件设置为：大气透过率0.98(近距离状态)、地面温度303.5k；热像仪响应波段设置为：起始波段3μm、终止波段5μm。程序计算结果如图5所示，热像仪观测到飞行器总的辐射亮度为2.476w/sr/m2,总的投影面积为0.017m2,总的辐射强度为0.041w/sr。
[0097]
美国中佛罗里达大学光子与光子学学院在上述参数条件下，实测大疆精灵4pro型无人机在3μm-5μm波段红外辐射强度为0.0415w/sr(背景技术中的[1])。与本发明提出的计算方法得出的计算结果差值0.0005，差值百分比为1.2％。无人机中波红外试验图片如图7所示。
[0098]
实施例4
[0099]
一种低慢小飞行器红外辐射特性计算方法，包括目标几何模型、目标/环境红外辐射模型以及双向反射分布函数模型，其计算流程如图1所示：首先，利用目标原型参数构建目标几何模型及基本坐标系；其次，对目标/环境的辐射特性开展机理分析，分别计算影响目标红外辐射特性的环境辐射因素；最后，根据观察者、太阳、地表、天空相对目标的方位角、天顶角，结合双向反射分布函数模型，综合求解目标/环境红外辐射亮度、投影面积。由计算的目标/环境辐射亮度乘以投影面积得到目标辐射强度。
[0100]
按照本发明的计算方法研制低慢小飞行器红外辐射特性计算程序，程序界面如图6所示，由模型参数设置区和计算结果显示区组成。模型参数设置主要由目标形状参数及目标与太阳、目标与热像仪相对位置参数、气候条件、热像仪响应波段等数据作为输入条件。计算结果为目标五个端面的机身辐射亮度；目标漫反射及镜面反射太阳、地表、天空的辐射亮度；视线方向的投影面积及总的目标辐射强度等数据。
[0101]
输入典型的低慢小飞行器-大疆精灵4pro无人机的相关外形参数：长度247mm，宽度247mm，高度135mm；位置参数设置为：热像仪观测天顶角96.5
°
、热像仪方位角0
°
、太阳天顶角50
°
、太阳方位角0
°
；飞行器状态设置为：飞行高度2m、飞行速度为0、表面发射率为0.9；气候条件设置为：大气透过率0.995(近距离状态)、地面温度303.5k；热像仪响应波段设置为：起始波段8μm、终止波段14μm。程序计算结果如图6所示，热像仪观测到飞行器总的辐射亮度为64.449w/sr/m2,总的投影面积为0.022m2,总的辐射强度为1.401w/sr。
[0102]
美国中佛罗里达大学光子与光子学学院在上述参数条件下，实测大疆精灵4pro型无人机在8μm-14μm波段红外辐射强度为1.4194w/sr(背景技术中的
1.)。与本发明提出的计算方法得出的计算结果差值0.0184，差值百分比为1.3％。无人机长波红外试验图片如图8所示。
[0103]
最后所要说明的是：以上实施例仅用以说明而非限定本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本
发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。