海面目标红外辐射特性.pdf

2023年6 月第8 卷2 期西安交通工程学院学术研究Academic Research of Xian Traffic Engineering Institute海面目标红外辐射特性Jun.2023Vol.8No.2秦娟英（西安交通工程学院陕西西安7 10 30 0)摘要：红外辐射特性是寻找目标的主要依据，目标红外辐射特性的讨论对红外成像的模拟及红外隐身技术等有着重要作用，本文选取海面目标，考虑周围环境辐射对目标辐射影响、目标与环境中空气的对流、目标自身辐射以及目标所划分的面元之间的传导等，利用节点网络法计算了圆柱形目标表面温度分布情况，根据所计算的面元温度场分布对目标表面辐射亮度进行了数值计算，并分析了红外3-5m波段中午12:0 0 目标表面辐射亮度在夏季和冬季的分布情况。结果表明由于夏季太阳辐射强，目标表面辐射亮度值要比冬季大。关键词：海面目标；表面温度；红外辐射中图分类号：TN215文献标识码：AInfrared Radiation Characteristics Of The Ocean TargetQIN Juanying(Xian Traffic Engineering Institute,Xian Shaanxi 710300,China)Abstract:The infrared radiation characteristic is the main basis for finding the target,The discussion of infrared radiationcharacteristics of the target plays an important role in the simulation of infrared imaging and infrared stealth technology,etc.Thisarticle selects the surface of the target,considering the environment radiation impact on target radiation,target and environment airconvection,the targets own radiation and the conduction between the surface elements divided by the target and so on.The surfacetemperature distribution of cylindrical target is calculated using node network method,and the radiation intensity of target surface iscalculated numerically according to the calculated surface element temperature field distribution.Analyzing target surface radiatebrightness with different seasons in the 35 m waves in summer and winter.The results show that the radiance of the target surfaceis larger than that of the winter,because of the strong solar radiation in summer.Keywords:the ocean target;the surface temperature;infrared radiation引言近年来随着红外技术的发展，不同类型目标红外辐射特性引起普遍关注，而目标红外辐射特性的深入研究为目标侦察、识别、追踪的问题奠定了技术依据；为目标的隐身设计提供了评估方法，为目标诱饵设计提供复原信息。红外武器的研究以及目标的隐身特性都需要计算目标的红外辐射特性 1。红外探测器识别目标的理论依据就是通过红外特征对比，把目标从背景辐射中分离出来。但由于其背景的红外特征相似性很强并且对二者红外辐射特性的影响因素很多，因此需要对目标、背景红外辐射特性进行充分了解。海军航空工程学院研究了不同天气状况对于红外辐射传播特性的影响 2 ；浙江大学在红外成像仿真方面进行了研究，并对多种环境条件进行红外成像仿真 3。西安电子科技大学作者简介：秦娟英（198 5-），女，讲师，研究生，光学。33在红外辐射方面进行深入研究与探索，针对飞机尾焰红外辐射特性 4 、不同类型目标红外辐射 5、红外图像库 6 7 等方面进行研究，并且取得了较大进展与成果。文献 8 采用工程化计算方法对飞行目标红外辐射特性进行了计算；文献 9 用节点网络法分析了弹道目标的温度分布和变化规律。本文以海面上的目标为例，对目标表面进行面元划分，然后对每一面元建立方程，考虑周围环境辐射一太阳辐射、大气辐射、海面辐射等，面元之间的相互传导以及目标与周围环境的对流换热。实际生活中目标的形状较为复杂，本文将目标简化为圆柱形，对所建立的方程进行求解得出目标表面各面元的温度值，根据各面元温度值进一步对目标的光谱辐射亮度进行了数值计算，并且分析了位于东南沿海地区，夏季和冬季中午12：0 0 目标表面辐射亮度的变化规律。海面目标红外辐射特性相邻边所在的截面称为传导的边界面，面元中点到1目标表面温度其相邻边的垂直距离之和为传导的距离 11。由此可通常情况下，目标与周围环境之间的能量传递得热传导的公式为：以辐射、对流和传导三种形式进行，对于本文所讨元Bk,near(k)论的海面上的目标，其与周围环境的能量交换主要near(k)通过前两种方式进行，传导交换方式主要发生在目标相邻面元之间。海面目标所接受的环境辐射有太阳辐射、天空大气辐射、海面辐射，同时目标与周围空气存在对流换热。下面计算背景辐射热量和目标与周围空气交换的热量。1.1 背景辐射1.1.1太阳辐射目标表面任一面元接收到的太阳直接辐射热量为：Qksu式中，为目标表面太阳辐射吸收率；Esun为太阳辐照度；Fit为太阳直接辐射角系数；A.为面元面积。1.1.2大气辐射大气向外放射能量的形式，称为大气辐射。海面目标相对天空距离较远，可近似认为天空相对于目标的张角接近18 0 度，所以大气辐射可看成一个位于上空的无限大的水平平面。目标表面任一面元接收到的天空大气辐射热量为：(2)式中，F2k为天空大气辐射角系数；Esk,为天空大气辐照度（由MODTRAN计算）。1.1.3海面辐射海面作为海面目标的主要环境因素，其辐射特性在目标的红外辐射特性研究中具有重要的作用，海面上的目标接收到的海面辐射由海面自身辐射和海面反射太阳辐射两部分构成。目标表面任一面元接收到的海面辐射热量为 10 ：easec式中，为目标表面对海面辐射的吸收率；&sea为海面发射率;F3k为海面辐射角系数；Esea、E s u m分别为海面辐照度、太阳辐照度sea这些量可通过MODTRAN计算得出；A,面元面积。1.1.4面元之间的传导面元与面元之间通过热传导来传递热量，面元34-Tknear(k)式中，几为材料的导热率(w/(mK)；T，T r a r(k）分别为面元k与相邻面元near(k)的绝对温度；Brmer(h)为面元k与相邻面元 near(k)的传导截面积；Lk.near(k)为面元k与相邻面元near(k)的导热距离；1.1.5对流(1)放置在空气中的目标与周围空气存在着对流换热，通过对流换热进入目标内部的能量为：Q=Axh(T。-T,)式中：h为对流换热系数（w/(m.)）；T。为外界环境温度；T,为面元温度；当目标的运动速度超过声音在空气中的传播速度时，蒙皮表面温度会越来越高，蒙皮就会向外放出能量，该能量在目标辐射中的影响不可忽略，因此需要考虑气动加热对目标表面温度分布的影响。由气动加热引起的蒙皮温度的变化可根据下式进行计算 12 ;T,=To1+式中：T,为绝热壁温（k）；T。为周围环境温度（k）；为恢复系数，层流取0.8 2，紊流取0.8 7;U为空气的定压热容量和定容热容量之比，取1.4;Ma为马赫数。k(3)1.2热网络方程实际的目标其表面不同部分的温度是不同的，即温度分布不均匀，在求解目标表面温度分布情况需要将目标划分为多个面元，本文近似认为每个面元具有相同的热物性参数（热传导率，发射率，温度等），由能量守恒定律可得目标表面任一面元的热网络方程 13-15;(4)(5)(6)海面目标红外辐射特性EsuFikAk+EskyF2kAk+辐射出射度M,(w/mm)，即：aseaEsea+(1-Ssea)Esum FskAkM元=8%1元5ec2/aT-1ABk.near(k-Znear(k)Lk.near(k)+Ah(T-T,(0)-AecT:()=mc-dT(k=1,2,3.,N)(7)式中：N为划分的总的面元数。（7）式是一个关于温度的非线性方程，对于所划分的N个面元，每个面元都可以列出一个方程，而面元之间又是相互影响的，联立方程求解即可得目标表面的温度场分布。利用有限差分法 16 对上式的时间进行离散化处理，得：dT,()_ T,(t+N)-T,()dtqk(t)=EsunFiuAk+Esl,F2kAk+aesea Esea+(1-Esea)EsumF3kAkM(t)=qk(t)-Z,Akh(To-T,(t)-Ak coTA(t)Lk=mCk则（7）可写成下列形式：Tk(t+t)-T:(t)Mk(t)=LktM.C).tT,(t+t)=T;(t)+LK式中T(t)为进行迭代计算时每次输入的初始温度，T.(t+t)为每次迭代计算后得到的温度，也是进行下次计算时的输入温度，t为迭代计算中的时间步长，编写程序就可求得各节点的温度。2 目标辐射特性放置在海面上空的红外探测器接收到的辐射包含目标自身辐射、太阳辐射、天空大气辐射、海面辐射以及海面对太阳辐射的反射。因此在分析目标辐射特性时应该包括目标自身辐射的辐射亮度和目标反射、散射环境辐射形成的辐射亮度。2.1目标辐射亮度计算前面通过理论分析已经计算出温度，将计算出来的数值代入普朗克定律可以求出各面元的光谱35(11)T,;(t)-Tnear(k)()式中，Ci为第一辐射常数，C2为第二辐射常数，儿为辐射常数，T为面元温度。对（11）式两边进行积分运算，即可得出面元在任意波段的辐射出射度，面元在-波段的辐射亮度可由下式求得，即：L=M,da元式中,M,da=M,是目标在某一波段内的辐射-2(8)出射度，M，是绝对黑体的光谱辐射出射度，可利用普朗克公式求得。2.2数值分析实际目标往往形状比较复杂，可将其分解成立ABk,near(k)方体、球体和圆柱体等简单形状。本文以海面上圆T;(t)-Tnear(k)(),，柱体目标为例。计算条件：东南沿海（E120，N2 5），2 0 0 8 年6月1日中午12：0 0，太阳照射的天顶角为3，方位角为190.57 0 和2 0 0 8 年12 月1日中午12：0 0，太阳照射天顶角为4 6.8 8，方位角为18 3.34，目标水平放置在海面上并且距海面的高度为10 m，目标(9)表面温度分布均匀，并令其初始温度为30 0 K，周围环境温度为30 0 K，目标运动速度为4 0 0 m/s，转(10)速是15rad/s，下面计算经过9 0 S,红外波段位于3-5um之间夏季和冬季目标表面辐射亮度的分布。1033001.551.54952001.5491501.54851001.548501.547550100圆周方向节点数序号图1夏季目标表面辐射亮度分布（w/cm.sr）(12)150200250海面目标红外辐射特性-tran Cloud And Multiple Scattering Upgrades With ApplicX103300.820015010050图2 冬季目标表面辐射亮度分布（w/cm.Sr）通过比较图1和图2 可得知，海面目标在红外3-5m波段时，夏季目标表面辐射亮度比冬季强。这是由于在一年中同一时刻夏季和冬季太阳位置不同，使得太阳的入射方向不同，目标表面所接收到的太阳辐射不同，夏季太阳辐射强，而在冬季太阳辐射较弱。3结论本文探讨了放置在海面上的目标的红外辐射特性，分析过程中考虑了周围环境辐射的影响，相邻面元之间的相互传导，目标自身辐射等。首先根据节点网络法对目标表面进行面元划分，然后利用传热学理论建立目标的热网络方程，最后进一步求解目标表面温度场分布及辐射亮度，对于辐射亮度的计算数值分析了在红外3-5um波段一年中夏季和冬季目标表面辐射亮度的变化，结果表明由于夏天太阳天顶角小，太阳辐射强，其表面的辐射强度大。参考文献1JA,Berk,L.S.Bernstein,D.C,Robertson,and P.K.Acharya,Modation To Aviris.1.54752王威,李进杰,顾德均,高伟.红外辐射的气候环境传输特性分析 .激光与红外,2 0 0 0(0 5):2 90-2 92.1.5473石川凌.海陆场景的红外实时仿真研究 D.浙江大学,2016.1.54654高卉.中断诱饵群目标红外辐射特性 D.西安电子科技大学,2 0 2 2.1.5465史丽芳.基于图像处理的飞机尾焰检测与识别技术的研究50100150200圆周方向节点数序号250D.西安电子科技大学,2 0 15.6邰曦.红外诱饵弹多波段图像生成和真实感增强方法研究D.西安电子科技大学,2 0 2 0.7毛佳晨.海洋背景下舰船目标的红外成像特征研究 D.西安电子科技大学,2 0 19.8禄晓飞.飞行目标红外辐射特性工程化算法 .红外技术,2 0 19,4 1(11):10 12-10 16.9廖祥红,杨德贵,胡亮.中段目标平动及微动的红外辐射特性分析 .激光与红外,2 0 2 2,52(10):150 6-1515.10娄树理,董言治,周晓东.基于 Open GL的舰船目标红外图像生成 .弹箭与制导学报,2 0 0 7,2 7(0 5):7 1-7 4.11赵明，海天背景与舰船的红外热像研究 上海交通大学硕士论文,2 0 0 0.12徐根兴,目标和环境的光学特性 M.北京：宇航出版社,1995.109-250.13jO.A.K,Radiation analysis by network method,TransASME,1956.14潘增富,整星瞬态温度的热网络分析方法 .中国空间科学技术,198 7,(6),37-4 4.15车念曾,闫达远编,辐射度学和光度学 M.北京:北京理工大学出版社,19 9 0.10 2-2 6 0.16高本庆,时域有限差分法FDTDM.北京:国防工业出版社,1995.92-130.36