太阳辐射环境下舰船目标的红外仿真与分析*

杨利红，赵晨曦，李鹏飞，李敏敏，张静静

(西安工业大学 光电工程学院,西安 710021)

在当今高度复杂的军事环境中,舰船目标的红外特性仿真研究具有重要的战略意义和广泛的应用前景。在隐身技术开发方面[1],可以帮助设计和优化隐身材料、涂层或结构,从而降低目标在红外波段下的辐射特征,提高目标的隐身性能。目标侦测与识别方面[2-4],有助于红外传感器技术的优化,提高目标侦测和识别的准确性和灵敏度。应用与导引系统设计[5],有助于改进导弹制导系统,提高命中精度。在民用领域,红外辐射仿真应用于红外成像设备[6]、无人机等领域,用于设计更高效的红外传感器、红外相机,以及用于农业、地质勘探等方面。红外技术已成为现代战争中不可或缺的一部分,尤其在海上军事行动中,红外传感器对于探测、追踪和识别舰船目标起着至关重要的作用。面对复杂的环境条件和多样的战场场景,了解舰船目标在红外波段下的特性,对于提高目标隐蔽性、有效规避探测和识别、以及优化战术行动具有关键性意义。

目标红外辐射特性仿真的研究方法主要包括基于物理模型和数值仿真模型的两大类。物理模型方法通过实际建造模型或样本,测量其在不同条件下的红外特性,以获取实验数据。而数值仿真模型则利用计算机模拟舰船目标在红外波段下的物理特性,通过数值模拟来探索目标在不同环境中的红外辐射特性。国内外的研究现状显示,在舰船目标的红外特性仿真方面,学者们已经开展了大量的工作。美国的Jones和Smith探索了基于红外传感器特性的仿真模型[7]。这些研究在分析舰船目标红外特性方面都有其独特的贡献,为深入了解复杂环境下舰船目标的红外特性提供了重要线索。文献[8]研究了海面舰船在天基观测平台下的红外成像特征,分析海面舰船的成像特征,但并没有考虑在不同复杂环境下对舰船成像特征的影响。文献[9]探讨了在考虑太阳辐射的情况下,飞机实时红外探测成像仿真。研究表明,飞机在不同的飞行姿态下会对红外成像的局部特征产生影响。尽管该方法能够计算飞机的表面温度和红外辐射亮度,但其计算方法较为复杂。文献[10]基于红外辐射传输原理,研究舰船表面的温度分布场,并且在简化的舰船几何模型上使用面元拉伸技术,生成具有厚壳结构的舰船模型[11],由此来研究舰船表面温度场的变化情况。文献[12]对于不同探测条件下的隐身舰船进行了建模与仿真研究,探讨了多种红外隐身技术的综合效应对舰船的影响。然而,研究未考虑到舰船在作战状态下甲板表面温度场的变化。这些方法各自聚焦于不同方面,有的考虑了特定影响因素,但也存在着在仿真过程中未充分考虑外部环境等限制。综合利用这些方法或者在现有方法的基础上进行进一步的改进,可能会更全面地模拟海面舰船目标的红外辐射情况。

基于上述分析,考虑到舰船目标所处的复杂环境,需综合考虑各种影响因素。文中聚焦于研究在太阳辐射环境下舰船在不同时间的红外辐射温度。首先进行了舰船目标的三维建模,然后采用理论与仿真相结合的方法建立了目标的红外辐射模型,着重考虑了太阳辐射的影响。最终得到了舰船表面的热分布图,并建立了舰船的红外辐射模型,为后续目标识别及数据库建立提供了大量测试样本。

1 面元热平衡分析及温度场求解

为了充分考虑舰船结构对红外辐射的影响,首先构建了舰船的几何模型。在确保准确性的基础上,将舰船细分为三个部分,包括船身、烟囱和发动机。随后对模型进行了网格划分,通过设定舰船船身、烟囱、发动机的材料属性,并考虑不同时刻的太阳辐射参数,计算出模型表面在不同太阳辐射条件下的温度分布情况。在建立舰船红外辐射模型时,不仅要考虑自身的辐射,还要考虑外部环境辐射(太阳辐射、天空背景辐射)对目标红外辐射的影响[13]。舰船的辐射关系如图1所示。

图1 舰船红外辐射示意图

基于传热与辐射的基础知识,结合目标红外辐射的建模过程,通过建立热平衡方程对目标的温度场进行模型的建立。其数学模型建立如下。

1) 舰船表面与空气对流换热

Qout=-Aihcv(Ti-Ta),

(1)

式中:Ai为面元i的面积(m2);Ti为面元i的温度(K);Ta为外部环境的温度(K);hcv为表面的传热系数(W/m2·K);Qout为与外部对换的热能(W)。

2)相邻微元间的热传导

(2)

式中:λcd为所选材料的导热率(W/(m·K));Bi,i+1为面元i和其相邻面元i+1的传导截面积(m2);Li,i+1为面元i和其相邻面元i+1的导热距离(m);Ti+1为相邻面元i+1表面的温度值(K);Qi,i+1为相邻面元间的热传导能(W)。面元i的热交换分析如图2所示。

图2 舰船表面相邻面元热交换图

3) 微元自身辐射

(3)

式中:εi为面元i表面辐射系数,其值在0和1之间,由物体表面性质决定;Ei为面元i的自身辐射能量(W);σ为斯忒藩-玻耳兹曼常量,其值为5.67×10-8W/(m2·K4)。

4) 微元间的相互辐射

通常采用辐射传递系数法对微面元之间的相互辐射进行计算。

(4)

式中:fij为面元j对面元i所处环境的常温下的热辐射传递系数,是从1到v进行取值;v为面元i所有可见表面的总个数;Tj为面元j的表面温度(K);Eij为面元i接收到并被吸收的所有辐射能流(W)。

5) 外界辐射[14]

Ereceive=εi(Esun+Esky+Esea),

(5)

式中:Esun为接收到面元i太阳辐射(W);Esky为接收到面元i天空辐射(W);Esea为面元i接收到的海面辐射(W);Ereceive为面元i接收到的外界总辐射(W)。

(6)

太阳照射到任意表面上的直射能量为

(7)

式中:r为太阳和地球之间的间距引起的校正值。

r的经验公式为[16]

S为太阳常数,S=1 353 W·m-2;

Pt为是大气透明度,反映了太阳光穿过大气层的程度;

m为大气质量,其计算公式为

(8)

式中∂为太阳高度角。

图3为太阳照射到表面的入射角示意图。i是指在任意倾斜面太阳光的入射角[17],计算公式为

图3 太阳入射角示意图

cosi=cosβsin∂+sinβcos∂cos(φ-θ)。

(9)

(10)

式中:C1、C2[19]的值取决于大气透明度;∂是太阳高度角;β为斜面倾角。

6) 热平衡方程

(Eij-Ei)+Ereceive+Qout+Qi,i+1=0。

(11)

通过上述对舰船表面与空气的对流换热、舰船相邻微元间的热传导、不同微元的自身辐射、微元间的相互辐射以及舰船所处环境的太阳辐射的分析[20],最终建立了热平衡稳态方程。通过求解热平衡方程,可计算出目标表面的温度,如图4所示。

图4 舰船面元温度场分布的求解

2 舰船目标红外辐射特性建模

2.1 舰船的结构分析

为了使模型结构简单,计算方便,将舰船分为船体、发动机和烟囱三个区域。其中发动机区域和烟囱区域被设置为舰船热辐射过程中的发热源。舰船仿真模型如图5所示。

图5 舰船仿真模型

为了建立舰船目标的红外辐射模型,需要首先建立目标的几何模型。文中利用Ansys建模工具和建模单元完成舰船目标的几何建模,并进行网格划分、材质赋予等预处理。

2.2 网格划分

红外辐射计算是基于表面温度和表面辐射特性的计算,表面温度的变化会影响表面的辐射特性,因此需要细致的表面温度和辐射特性分布[21]。在进行辐射传热分析时,需要将模型体积分割成小的单元体在每个单元体内进行能量平衡计算。在选择网格大小时,需要考虑物体内部结构的复杂性,尽可能减小单元体的数量,提高计算效率。总共考虑以上因素后,对模型进行网格划分,该舰船模型的网格数量为435 025个,面元数量为897 262个。该舰船模型网格划分后的三维几何模型如图6所示。

图6 网格划分后的舰船模型

2.3 模型的材质赋予和参数设置

在舰船的结构中,动力和推进系统是最主要的热源,船体是整个舰船面积最大的部分,其中发动机和烟囱是红外成像模拟的主要对象,其红外辐射受到太阳和天空辐射的双重影响。舰船表面材料由钢板覆盖,考虑到发动机的热传导主要包括:船壁、大气和发动机三层,舰船的外部结构采用耐腐蚀、强度高的不锈钢316。根据采集到的数据,结合材料的性质与结构,设置面元的材料属性参数见表1。

表1 舰船表面材质属性表

由于太阳辐射在不同时间节点的变化,根据一年中的任意日期,模型对舰船热分析结果的影响也会有所不同。表2展示了太阳辐射的参数设置,其中太阳方向矢量指示了太阳在天空中的位置和方向,而太阳因子1表示晴朗的天气情况。直接辐射能量和漫反射能量则通过式(7)至式(10)进行计算。设定地理位置参数为经度121度、纬度31度,时区为东8区,时间设定为2023年5月18日,环境温度为26 ℃。利用这些参数进行设置和仿真。

表2 太阳辐射参数设置

3 仿真结果

采用有限元分析方法对目标进行稳态热分析,通过迭代法对舰船从非稳态到稳态的过程进行计算,得到舰船目标表面的温度场分布,舰船辐射随迭代次数的仿真对比如图7所示。

图7 舰船辐射随迭代次数仿真对比图

图7对比了文中方法、有限元分析法、隐式格式法的舰船仿真在随着迭代次数的增加,从非稳态到稳态的辐射能量变化过程。从图中我们可以观察到,在文中的模拟中,前120次迭代过程中,不同辐射源的辐射强度各自不同,辐射能量快速增加。大约在迭代次数达到130次左右时,辐射热传递逐渐减缓,最终在迭代次数达到200次时,辐射热传递达到了动态热平衡。初期,辐射能量较高,总体上呈增加趋势,但当辐射能量超过被吸收的辐射能量时,舰船对外部环境的辐射能量开始减小,辐射强度逐渐减弱。与有限元分析法中的150次迭代,以及隐式格式法中300次迭代比较,可以明显看出,文中所采用的方法在前120次内达到了更快的收敛速度,更早实现了动态热平衡。这表明文中所采用的理论分析与仿真相结合的方法具有更高的计算效率。

对2023年5月18日的三个不同时段进行了温度场分布的仿真,分别为早上8:00、中午12:00和下午18:00。在迭代约250次后,系统基本达到了辐射热平衡状态。最终得到了不同时刻舰船的温度分布,如图8所示。这些仿真考虑了舰船周围环境的温度为26 ℃,而温度场分布图则使用了bgr颜色图表示,色条展示了温度值,单位为K。

图8 不同时刻舰船温度分布图

分析图8可得出以下观察:(a)图是未添加太阳辐射情况下的舰船温度分布,整体温度较低,呈冷色调,相比于(b)(c)(d)图。船体的辐射换热主要聚焦在发动机部位,换热区域相对较小,而舰船上层建筑的烟囱区域则呈现较高温度。舰船表面温度随时间变化,如(b)图显示的早上8:00的温度分布,舰船尾部因太阳高度角较低而温度较高,颜色明亮。在(c)图中午12:00的温度分布中,由于太阳高度角垂直,舰船甲板温度最高,颜色最亮。至于(d)图下午18:00,太阳辐射能量最弱,整体颜色最暗。船内主体热量集中在发动机和烟囱上,越接近发动机传热越强,而距离较远的区域温度变化较小。烟囱周围的辐射相对较小,原因有两点:一是烟囱位于舰船上层结构,与大气接触面积较大,导热速度快,与舰船下部热量传导较难;二是烟囱接触周围物体的面积较小,导热量也相应减小。

为了客观的展示舰船三个模块的温度变化情况,绘制舰船三个部分在中午12:00时刻温度变化的曲线,如图9所示。

图9 舰船各模块温度变化示意图

图9(a)(b)(c)分别表示在中午12:00时刻舰船三个不同部位的温度变化,可以看出每个模块的温度随着迭代次数的增加而增加。当舰船由于的迭代次数的增加达到热平衡时,温度也达到平衡值。由于辐射换热主要集中在发动机部位,其换热部位占比较小,所以热平衡温度在30 ℃左右。上层建筑的烟囱部分是舰船的高热区,热平衡温度稳定在56 ℃,而作为热源的发动机部分的温度与其他区域相比最高,稳定热平衡温度为71 ℃。为了验证温度数据的正确性,将文中仿真出舰船三个部位的温度数据与有限元分析法和隐式格式法所仿真的温度数据进行对比,如图10所示。

图10 舰船不同部位温度对比示意图

通过对图10的数据进行比较,可以计算出文中所得温度数据与有限元分析法和隐式格式法的温度数据之间的差异率。结果显示,船身温度数据的差异率分别为0.7%和0.3%,烟囱温度数据的差异率分别为0%和0.3%,而发动机温度数据的差异率分别为3.2%和3%。这表明船身和烟囱的温度数据差异率都非常小,维持在1%以内,而发动机的温度差异率较大。这种差异的分析源于文中所仿真的舰船辐射能量在迭代约达到120次时已经实现了热平衡。在最初的120次迭代中,发动机的能量迅速增加,导致了发动机温度的较大变化。

4 结 论

针对红外舰船目标识别数据库稀缺且难以获取的问题,文中采用复合建模的方法,对舰船的结构进行了详细建模,结合理论与仿真,创建了目标的红外辐射模型。并在模型构建过程中特别关注了太阳辐射环境的影响。最终,得到了舰船表面的热分布图,确立了舰船红外辐射模型。当模型达到动态热平衡时,船体温度为30 ℃,烟囱温度为56 ℃,发动机温度为71 ℃。通过对温度数据进行对比分析,验证了数据的准确性,为后续红外成像制导仿真提供了有力的数据支持,也为建立可用于红外目标识别的图像数据库奠定了坚实的数据基础。