太陽輻射環境下艦船目標的紅外仿真與分析*

楊利紅，趙晨曦，李鵬飛，李敏敏，張靜靜

(西安工業大學 光電工程學院,西安 710021)

在當今高度復雜的軍事環境中,艦船目標的紅外特性仿真研究具有重要的戰略意義和廣泛的應用前景。在隱身技術開發方面[1],可以幫助設計和優化隱身材料、涂層或結構,從而降低目標在紅外波段下的輻射特征,提高目標的隱身性能。目標偵測與識別方面[2-4],有助于紅外傳感器技術的優化,提高目標偵測和識別的準確性和靈敏度。應用與導引系統設計[5],有助于改進導彈制導系統,提高命中精度。在民用領域,紅外輻射仿真應用于紅外成像設備[6]、無人機等領域,用于設計更高效的紅外傳感器、紅外相機,以及用于農業、地質勘探等方面。紅外技術已成為現代戰爭中不可或缺的一部分,尤其在海上軍事行動中,紅外傳感器對于探測、追蹤和識別艦船目標起著至關重要的作用。面對復雜的環境條件和多樣的戰場場景,了解艦船目標在紅外波段下的特性,對于提高目標隱蔽性、有效規避探測和識別、以及優化戰術行動具有關鍵性意義。

目標紅外輻射特性仿真的研究方法主要包括基于物理模型和數值仿真模型的兩大類。物理模型方法通過實際建造模型或樣本,測量其在不同條件下的紅外特性,以獲取實驗數據。而數值仿真模型則利用計算機模擬艦船目標在紅外波段下的物理特性,通過數值模擬來探索目標在不同環境中的紅外輻射特性。國內外的研究現狀顯示,在艦船目標的紅外特性仿真方面,學者們已經開展了大量的工作。美國的Jones和Smith探索了基于紅外傳感器特性的仿真模型[7]。這些研究在分析艦船目標紅外特性方面都有其獨特的貢獻,為深入了解復雜環境下艦船目標的紅外特性提供了重要線索。文獻[8]研究了海面艦船在天基觀測平臺下的紅外成像特征,分析海面艦船的成像特征,但并沒有考慮在不同復雜環境下對艦船成像特征的影響。文獻[9]探討了在考慮太陽輻射的情況下,飛機實時紅外探測成像仿真。研究表明,飛機在不同的飛行姿態下會對紅外成像的局部特征產生影響。盡管該方法能夠計算飛機的表面溫度和紅外輻射亮度,但其計算方法較為復雜。文獻[10]基于紅外輻射傳輸原理,研究艦船表面的溫度分布場,并且在簡化的艦船幾何模型上使用面元拉伸技術,生成具有厚殼結構的艦船模型[11],由此來研究艦船表面溫度場的變化情況。文獻[12]對于不同探測條件下的隱身艦船進行了建模與仿真研究,探討了多種紅外隱身技術的綜合效應對艦船的影響。然而,研究未考慮到艦船在作戰狀態下甲板表面溫度場的變化。這些方法各自聚焦于不同方面,有的考慮了特定影響因素,但也存在著在仿真過程中未充分考慮外部環境等限制。綜合利用這些方法或者在現有方法的基礎上進行進一步的改進,可能會更全面地模擬海面艦船目標的紅外輻射情況。

基于上述分析,考慮到艦船目標所處的復雜環境,需綜合考慮各種影響因素。文中聚焦于研究在太陽輻射環境下艦船在不同時間的紅外輻射溫度。首先進行了艦船目標的三維建模,然后采用理論與仿真相結合的方法建立了目標的紅外輻射模型,著重考慮了太陽輻射的影響。最終得到了艦船表面的熱分布圖,并建立了艦船的紅外輻射模型,為后續目標識別及數據庫建立提供了大量測試樣本。

1 面元熱平衡分析及溫度場求解

為了充分考慮艦船結構對紅外輻射的影響,首先構建了艦船的幾何模型。在確保準確性的基礎上,將艦船細分為三個部分,包括船身、煙囪和發動機。隨后對模型進行了網格劃分,通過設定艦船船身、煙囪、發動機的材料屬性,并考慮不同時刻的太陽輻射參數,計算出模型表面在不同太陽輻射條件下的溫度分布情況。在建立艦船紅外輻射模型時,不僅要考慮自身的輻射,還要考慮外部環境輻射(太陽輻射、天空背景輻射)對目標紅外輻射的影響[13]。艦船的輻射關系如圖1所示。

圖1 艦船紅外輻射示意圖

基于傳熱與輻射的基礎知識,結合目標紅外輻射的建模過程,通過建立熱平衡方程對目標的溫度場進行模型的建立。其數學模型建立如下。

1) 艦船表面與空氣對流換熱

Qout=-Aihcv(Ti-Ta),

(1)

式中:Ai為面元i的面積(m2);Ti為面元i的溫度(K);Ta為外部環境的溫度(K);hcv為表面的傳熱系數(W/m2·K);Qout為與外部對換的熱能(W)。

2)相鄰微元間的熱傳導

(2)

式中:λcd為所選材料的導熱率(W/(m·K));Bi,i+1為面元i和其相鄰面元i+1的傳導截面積(m2);Li,i+1為面元i和其相鄰面元i+1的導熱距離(m);Ti+1為相鄰面元i+1表面的溫度值(K);Qi,i+1為相鄰面元間的熱傳導能(W)。面元i的熱交換分析如圖2所示。

圖2 艦船表面相鄰面元熱交換圖

3) 微元自身輻射

(3)

式中:εi為面元i表面輻射系數,其值在0和1之間,由物體表面性質決定;Ei為面元i的自身輻射能量(W);σ為斯忒藩-玻耳茲曼常量,其值為5.67×10-8W/(m2·K4)。

4) 微元間的相互輻射

通常采用輻射傳遞系數法對微面元之間的相互輻射進行計算。

(4)

式中:fij為面元j對面元i所處環境的常溫下的熱輻射傳遞系數,是從1到v進行取值;v為面元i所有可見表面的總個數;Tj為面元j的表面溫度(K);Eij為面元i接收到并被吸收的所有輻射能流(W)。

5) 外界輻射[14]

Ereceive=εi(Esun+Esky+Esea),

(5)

式中:Esun為接收到面元i太陽輻射(W);Esky為接收到面元i天空輻射(W);Esea為面元i接收到的海面輻射(W);Ereceive為面元i接收到的外界總輻射(W)。

(6)

太陽照射到任意表面上的直射能量為

(7)

式中:r為太陽和地球之間的間距引起的校正值。

r的經驗公式為[16]

S為太陽常數,S=1 353 W·m-2;

Pt為是大氣透明度,反映了太陽光穿過大氣層的程度;

m為大氣質量,其計算公式為

(8)

式中?為太陽高度角。

圖3為太陽照射到表面的入射角示意圖。i是指在任意傾斜面太陽光的入射角[17],計算公式為

圖3 太陽入射角示意圖

cosi=cosβsin?+sinβcos?cos(φ-θ)。

(9)

(10)

式中:C1、C2[19]的值取決于大氣透明度;?是太陽高度角;β為斜面傾角。

6) 熱平衡方程

(Eij-Ei)+Ereceive+Qout+Qi,i+1=0。

(11)

通過上述對艦船表面與空氣的對流換熱、艦船相鄰微元間的熱傳導、不同微元的自身輻射、微元間的相互輻射以及艦船所處環境的太陽輻射的分析[20],最終建立了熱平衡穩態方程。通過求解熱平衡方程,可計算出目標表面的溫度,如圖4所示。

圖4 艦船面元溫度場分布的求解

2 艦船目標紅外輻射特性建模

2.1 艦船的結構分析

為了使模型結構簡單,計算方便,將艦船分為船體、發動機和煙囪三個區域。其中發動機區域和煙囪區域被設置為艦船熱輻射過程中的發熱源。艦船仿真模型如圖5所示。

圖5 艦船仿真模型

為了建立艦船目標的紅外輻射模型,需要首先建立目標的幾何模型。文中利用Ansys建模工具和建模單元完成艦船目標的幾何建模,并進行網格劃分、材質賦予等預處理。

2.2 網格劃分

紅外輻射計算是基于表面溫度和表面輻射特性的計算,表面溫度的變化會影響表面的輻射特性,因此需要細致的表面溫度和輻射特性分布[21]。在進行輻射傳熱分析時,需要將模型體積分割成小的單元體在每個單元體內進行能量平衡計算。在選擇網格大小時,需要考慮物體內部結構的復雜性,盡可能減小單元體的數量,提高計算效率?？偣部紤]以上因素后,對模型進行網格劃分,該艦船模型的網格數量為435 025個,面元數量為897 262個。該艦船模型網格劃分后的三維幾何模型如圖6所示。

圖6 網格劃分后的艦船模型

2.3 模型的材質賦予和參數設置

在艦船的結構中,動力和推進系統是最主要的熱源,船體是整個艦船面積最大的部分,其中發動機和煙囪是紅外成像模擬的主要對象,其紅外輻射受到太陽和天空輻射的雙重影響。艦船表面材料由鋼板覆蓋,考慮到發動機的熱傳導主要包括:船壁、大氣和發動機三層,艦船的外部結構采用耐腐蝕、強度高的不銹鋼316。根據采集到的數據,結合材料的性質與結構,設置面元的材料屬性參數見表1。

表1 艦船表面材質屬性表

由于太陽輻射在不同時間節點的變化,根據一年中的任意日期,模型對艦船熱分析結果的影響也會有所不同。表2展示了太陽輻射的參數設置,其中太陽方向矢量指示了太陽在天空中的位置和方向,而太陽因子1表示晴朗的天氣情況。直接輻射能量和漫反射能量則通過式(7)至式(10)進行計算。設定地理位置參數為經度121度、緯度31度,時區為東8區,時間設定為2023年5月18日,環境溫度為26 ℃。利用這些參數進行設置和仿真。

表2 太陽輻射參數設置

3 仿真結果

采用有限元分析方法對目標進行穩態熱分析,通過迭代法對艦船從非穩態到穩態的過程進行計算,得到艦船目標表面的溫度場分布,艦船輻射隨迭代次數的仿真對比如圖7所示。

圖7 艦船輻射隨迭代次數仿真對比圖

圖7對比了文中方法、有限元分析法、隱式格式法的艦船仿真在隨著迭代次數的增加,從非穩態到穩態的輻射能量變化過程。從圖中我們可以觀察到,在文中的模擬中,前120次迭代過程中,不同輻射源的輻射強度各自不同,輻射能量快速增加。大約在迭代次數達到130次左右時,輻射熱傳遞逐漸減緩,最終在迭代次數達到200次時,輻射熱傳遞達到了動態熱平衡。初期,輻射能量較高,總體上呈增加趨勢,但當輻射能量超過被吸收的輻射能量時,艦船對外部環境的輻射能量開始減小,輻射強度逐漸減弱。與有限元分析法中的150次迭代,以及隱式格式法中300次迭代比較,可以明顯看出,文中所采用的方法在前120次內達到了更快的收斂速度,更早實現了動態熱平衡。這表明文中所采用的理論分析與仿真相結合的方法具有更高的計算效率。

對2023年5月18日的三個不同時段進行了溫度場分布的仿真,分別為早上8:00、中午12:00和下午18:00。在迭代約250次后,系統基本達到了輻射熱平衡狀態。最終得到了不同時刻艦船的溫度分布,如圖8所示。這些仿真考慮了艦船周圍環境的溫度為26 ℃,而溫度場分布圖則使用了bgr顏色圖表示,色條展示了溫度值,單位為K。

圖8 不同時刻艦船溫度分布圖

分析圖8可得出以下觀察:(a)圖是未添加太陽輻射情況下的艦船溫度分布,整體溫度較低,呈冷色調,相比于(b)(c)(d)圖。船體的輻射換熱主要聚焦在發動機部位,換熱區域相對較小,而艦船上層建筑的煙囪區域則呈現較高溫度。艦船表面溫度隨時間變化,如(b)圖顯示的早上8:00的溫度分布,艦船尾部因太陽高度角較低而溫度較高,顏色明亮。在(c)圖中午12:00的溫度分布中,由于太陽高度角垂直,艦船甲板溫度最高,顏色最亮。至于(d)圖下午18:00,太陽輻射能量最弱,整體顏色最暗。船內主體熱量集中在發動機和煙囪上,越接近發動機傳熱越強,而距離較遠的區域溫度變化較小。煙囪周圍的輻射相對較小,原因有兩點:一是煙囪位于艦船上層結構,與大氣接觸面積較大,導熱速度快,與艦船下部熱量傳導較難;二是煙囪接觸周圍物體的面積較小,導熱量也相應減小。

為了客觀的展示艦船三個模塊的溫度變化情況,繪制艦船三個部分在中午12:00時刻溫度變化的曲線,如圖9所示。

圖9 艦船各模塊溫度變化示意圖

圖9(a)(b)(c)分別表示在中午12:00時刻艦船三個不同部位的溫度變化,可以看出每個模塊的溫度隨著迭代次數的增加而增加。當艦船由于的迭代次數的增加達到熱平衡時,溫度也達到平衡值。由于輻射換熱主要集中在發動機部位,其換熱部位占比較小,所以熱平衡溫度在30 ℃左右。上層建筑的煙囪部分是艦船的高熱區,熱平衡溫度穩定在56 ℃,而作為熱源的發動機部分的溫度與其他區域相比最高,穩定熱平衡溫度為71 ℃。為了驗證溫度數據的正確性,將文中仿真出艦船三個部位的溫度數據與有限元分析法和隱式格式法所仿真的溫度數據進行對比,如圖10所示。

圖10 艦船不同部位溫度對比示意圖

通過對圖10的數據進行比較,可以計算出文中所得溫度數據與有限元分析法和隱式格式法的溫度數據之間的差異率。結果顯示,船身溫度數據的差異率分別為0.7%和0.3%,煙囪溫度數據的差異率分別為0%和0.3%,而發動機溫度數據的差異率分別為3.2%和3%。這表明船身和煙囪的溫度數據差異率都非常小,維持在1%以內,而發動機的溫度差異率較大。這種差異的分析源于文中所仿真的艦船輻射能量在迭代約達到120次時已經實現了熱平衡。在最初的120次迭代中,發動機的能量迅速增加,導致了發動機溫度的較大變化。

4 結 論

針對紅外艦船目標識別數據庫稀缺且難以獲取的問題,文中采用復合建模的方法,對艦船的結構進行了詳細建模,結合理論與仿真,創建了目標的紅外輻射模型。并在模型構建過程中特別關注了太陽輻射環境的影響。最終,得到了艦船表面的熱分布圖,確立了艦船紅外輻射模型。當模型達到動態熱平衡時,船體溫度為30 ℃,煙囪溫度為56 ℃,發動機溫度為71 ℃。通過對溫度數據進行對比分析,驗證了數據的準確性,為后續紅外成像制導仿真提供了有力的數據支持,也為建立可用于紅外目標識別的圖像數據庫奠定了堅實的數據基礎。