海面舰船多波段动态红外图像仿真

陈 翾，刘中华，林春生

（1.中国人民解放军91336部队，河北秦皇岛 066326；2.中国人民解放军91860部队，上海 352103；

3.海军工程大学兵器工程系，湖北武汉 430033）

0 引言

随着红外探测与制导技术的飞速发展，越来越多的反舰导弹都装备了先进的红外成像制导设备，这些对水面舰船的生存能力提出了更高的要求，并且对于目标和背景的红外热像的模拟就显得由为的重要。建立舰船目标的热成像理论模型已经成为国内外有关研究机构的研究热点之一。各种军事目标红外图像的获得为军事领域中红外成像武器装备的研制、仿真和评估隐身设计、寻求反隐身途径提供了经济有效的手段。

在国外，有关这方面的研究开展的较早，并已取得了积极的进展。特别是上世纪九十年代以来，美国的ERIM研究所已将海洋背景与目标融合起来，建立了极为精确的红外模拟方法；1999年，加拿大的DAVIS公司发布了他们与美国NRL实验室联合开发的舰艇红外特征管理软件。但在国内，这方面的研究起步较晚，开展的工作也不是很多。上海交通大学在1992年以来开展舰船红外理论建模，计算模拟出静态时舰船表面温度分布[1-2]。但许多研究机构在进行目标红外热像仿真时，均是将目标表面温度或红外辐射通量的数值与目标热图像的灰度值进行转换，而未考虑探测器与目标的相对位置对图像仿真的影响，在一定程度上也影响了仿真的精度。

本文在建立舰船目标动态传热模型基础之上，模拟出舰船表面瞬时温度分布，并利用3D-MAX软件的强大三维几何构形功能，综合考虑了目标周围环境、天空、太阳、目标与探测器相对位置以及大气传输对目标红外特征的影响，模拟出舰船多波段瞬态的具有较强真实感的红外图像。

1 舰船传热模型

舰船表面温度的模拟计算是一个具有复杂几何形状、对流与辐射耦合换热边界条件的瞬态导热问题。但为了使动态模拟顺利进行，提出以下几条假定[3]：（1）将舰船表面结构化分为许多个具有一定厚度的面元，并对各面元的方向进行定义（面元的方向定义如图1所示），相同方向的面元分为一类，各面元材料相同、各向同性，且仅在厚度方向存在温度变化，同类面元的温度变化情况相同；（2）各舱室室内温度恒定，且内壁面与室内空气对流换热系数一定；（3）忽略面元间的辐射换热。

图1 面元表面与探测方向的角度关系

如果物体的热物性参数不变且其内部不含内热源，则物体导热微分方程为[4]：

其中，T(r,t)为目标上某一点时刻t的热力学温度；a为目标材料的热扩散率。

对于目标与背景的红外特征模型，热边界条件的一般形式可表述为：

其中，αs、αl、ε分别为目标表面材料短波吸收率、长波吸收率与平均发射率；Esuni、Eskyi为目标第i个面元某一时刻接收到的太阳辐照度与天空辐照度；Tfi为目标第i个面元表面的瞬时温度；qc、qec为目标面元与外界的瞬时对流换热量与潜热换热量；qri为边界面与周围物体间瞬时净辐射换热量。

将面元结构沿厚度方向分为N层，每层间隔处为一节点，加上内外表面上各一节点共N+1个节点，（如图2所示），qsun=αsEsuni,qco、qci分别为面元外部与内部和环境的对流换热量，对每个节点列节点方程，并采用有限体法对N+1个节点方程进行离散。离散后的目标结构瞬态热平衡过程可表达为：

其中，[K]为传导矩阵；[C]为比热矩阵；{}T 为节点温度向量为温度对时间导数；{Q}为节点热流率向量。

各舱室壁面由两种材料构成（扁钢与玻璃棉），材料参数如表1所示。

图2 面元传热模型

通过计算可以得出舰船在一定速度和航向上，各个部位的任一面元的瞬时温度变化情况。现取舰船右舷、左舷及甲板上的三类面元，其温度变化情况如图3所示。

表1 面元材料参数

2 舰船红外图象仿真

当红外图像用灰度图来表示时，一般可以认为图像中某点的灰度值与探测器接受到这一点所对应的面元的辐射能量的大小成正比。也就是说图像中某点灰度值与面元自身辐射能量、面元与探测器的相对位置以及面元和探测器间大气传输影响等因素相关。探测器接收到的最大与最小辐射能量分别为Emax与Emin。探测器接收到面元的辐射能量为Ei，则其图像的灰度值为：

图3 舰船面元瞬态温度变化

红外探测器一般都具有一定的工作波段。当计算探测器接收到某个面元某一波段的辐射能量E时，需要考虑面元与探测器的相对位置、面元自身的辐射、面元对环境辐射的反射以及面元与探测器间大气传输的影响。

图4 面元与探测器相对位置

其中，ΔAf为面元面积；θ、θk分别为面元和探测器的法向与探测方向的夹角；li为探测器与面元间的距离；τΔλ为大气透射率；M(Tfi)为Δλ波段内温度为Tfi的黑体辐射出射度；ε为面元表面发射率； ρl,ρs分别为面元表面长波与短波反射率；为面元与探测器间大气辐射亮度。

将式（5）～（10）代入（4）式就可以得出任意面元的灰度值，水平面元的灰度值计算结果如表2。

表2 水平面元灰度值计算结果

图5 舰船多波段瞬态模拟红外热像

舰船多波段瞬态红外热像模拟结果如图5所示。图5中，舰船航向正北，烟囱口温度为500 k，模拟季节为秋季。从图5可以看出，在3～5μm波段，舰船的红外模拟热像的整体轮廓很模糊，但在各个时刻由于太阳时角的变化，舰船某些局部仍能比较清晰的辨别，特别是烟囱出口处在此波段的热像中非常清晰。而在8～14μm波段，舰船的红外模拟热像在各个时刻都比较清晰，9∶00时，舰船甲板的灰度低于船舷，12∶00时，由于甲板温度升高以及对环境辐射的反射增强，甲板的灰度明显高于船舷，15∶00时，由于甲板温度逐渐降低以及对环境辐射的反射减弱，甲板的灰度从新低于船舷。

3 结语

本文以目标表面瞬态温度场模拟为基础，利用3D-MAX软件的强大三维几何构形功能，综合考虑了目标周围环境、天空、太阳以及大气传输对目标红外特征的影响，模拟出舰船多波段真实感教强的瞬态红外热像。其研究成果将会对目标识别、红外隐身与对抗技术研究以及红外制导武器研制等具有一定的应用价值。

［1］高兰香，沈国土，蔡继光，等.红外热像理论建模中的体效应研究［J］.红外与激光工程，2007，36（增刊2）：597-599.

［2］蔡石屏，沈国土，蔡继光，等.有限元模型生成及其在热分析中的应用［J］.红外技术，2009，30（5）：279-282.

［3］杨世名，陶文铨.传热学［M］.北京：高等教育出版社，1998.

［4］张建奇，方小平.红外物理［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2004.