[发明专利]红外成像制导中梯度温度气体介质的热辐射噪声获取方法

摘要

本发明公开了一种红外成像制导中梯度温度气体介质的热辐射噪声获取方法，包括以下几个步骤：步骤一：离散介质建立有限元分析环境；步骤二：光线追迹，寻找LOS路径；步骤三：采用离散传递法迭代获取谱带热辐射强度；步骤四：获取热辐射噪声。本发明克服辐射能量对空间方向的依赖性，使对于特定研究目的高温气体辐射问题可数值求解；引入LOS路径为计算梯度温度介质对红外成像形成扰动的热辐射效应的有效积分路径；发展温度梯度场中基于CFD网格的精确光线追迹模型，实现了包含温度函数的光线轨迹方程和辐射轨迹方程；利用辐射离散传递法，得到高温气体热辐射效应获取方法。

主权项

1.红外成像制导中梯度温度气体介质的热辐射噪声获取方法，其特征在于：选定LOS路径为沿CFD网格计算时的辐射积分路径，根据特定研究目标，寻找到热辐射能量传递所依赖的空间方向；把高温气体介质划分为若干等温、等物性的体元，建立离散温度场并计算转化为离散折射率场，利用几何光学光线追迹的方法，寻找光线传播路径，运用动态规划理论证明其为LOS路径；运用离散传递法计算进入和离开每个单元格网控制体的谱带辐射强度，直至迭代得到光线穿过整体非均匀高温气体介质的总谱带辐射强度；具体包括以下步骤：步骤一：离散介质建立有限元分析环境；选取尺寸为a×b×c的长方体气体介质，单位为毫米，内温度、折射率分布分别为T(x，y，z)，n(x，y，z)，气体介质与环境的界面是镜反射半透明界面，对于在三维空间任意连续分布的温度T(x，y，z)，把三维气体介质离散为a×b×c个网格，每个网格的尺寸为1mm×1mm×1mm；将每个网格的内温度设定为一阶函数，密度和组分各向均匀；当辐射能在网格之间的界面传递时，只考虑折射或全反射；沿展向方向，即平行于Z轴，垂直于X轴的方向，对每个网格取界面，得到a个二维平面，通过介质离散，所瞄准目标辐射的红外光线穿过三维介质的热辐射噪声获取过程被分解为a个光线穿过二维平面介质的热辐射噪声获取过程；步骤二：光线追迹，寻找LOS路径；设网格单元大小为d，即1mm×1mm；1-1表示第一行第一列处的节点，1-2表示第一行第二列处的节点，以此类推；S_i表示网格名称，θ_i表示光线在第S_i个网格中的偏移角；X_i表示光线在第S_i个网格中的偏移量；节点1-1处对应的温度为T₁₁，节点i-j处温度为T_ij；1-1节点与2-1节点间的界面以上网格温度由网格上、下左节点的温度值确定T₁₁(z)＝(T₂₁-T₁₁)z+T₁₁，界面下网格内的温度取T₂₁(z)＝(T₃₁-T₂₁)z+T₂₁，z为导弹行进反方向；设携能光线初始入射角为θ₀，通过节点1-1后辐射传递轨迹切线方向与传递方向间的夹角为θ₁，第k次传递时对应切向角为θ_k，第k个拐变点处对应的坐标为(x，x(z))；其中，k为光传递轨迹z方向改变次数；令Δx_k表示光线平移量，Δx₁＝线段X₁O，Δx₂＝线段X₂X₁，……Δx_k＝线段X_kX_k-1，用表示光线的总的实际偏移量；其中x_i(z)为每个网格单元中的光线方程，是z的函数；对于三维(x，y，z)网格中的光线方程，变成沿z方向的一维方程；T(z)表示网格内温度，n(z)表示网格内折射率，θ₀表示进入这个网格的光线初始偏折角，θ表示在这个网格中发生的角度偏折，也是辐射轨迹上点(z_i，x(z_i))处的切向极角，s(z)表示辐射轨迹路径；一维梯度温度介质，得到光线方程x＝x(z)为：x(z)=]]>∫0zT(0)T(z)sinθ0+δ0T(z)sinθ0(T2(0)+T2(z))(1-sin2θ0)+2δ0T(0)T(z)(T(0)-T(z)sin2θ0)+δ02(T2(0)-T2(z)sin2θ0)dz]]>其边界条件为x(0)＝0，x′(0)＝tanθ₀；式中δ₀＝T₀(n₀-1)，T₀和n₀为参考状态空气温度和折射率；T(0)为界面z＝0处介质的温度；时，方程x(z)恒有解，若以点(0，x(0))处为原点，光线在x方向移动|x(z)|距离，通过判断|x(z)|是否大于1mm，确定下一个格网单元；时，方程x(z)无解，光线在到达点(z，x(z))之前被全反射，光线不能到达下一网格的界面处；时，从光线所在网格的初始界面出发的光线到达点(z，x(z))被全反射回此网格初始界面；当规定网格内温度函数T_i(z)＝(T_i+1-T_i)z+T_i时，得到了光线偏移量x_i+1(z)的解析表达式；xi+1(z)=1Ti+1-Ti(11-mif(z)-m0(1-mi)3ln|2(1-mi)(Ti+1-Ti)z+2(Ti+m0-Timi)+21-mif(z)|-ζi)]]>sinθi+1=xi+1(z)1+x2i+1(z)]]>式中：m₀＝T₀(n₀-1)，T₀和n₀分别为所研究激波外大气的平均温度和折射率，mi=(m0Ti+1)2sinθi2;]]>f(z)＝(1-m_i)(T_i+1-T_i)²z²+2(T_i+1-T_i)(T_i+m₀)z+(T_i+m₀)²ζi=1Ti+1-Ti(11-mif(Ti)-m0(1-mi)3ln|2(1-mi)(Ti+1-Ti)Ti+2(Ti+m0-Timi)+21-mif(Ti)|);]]>如果∑Δx_k＞l×d，l∈N为计数值，用于标定所追击光线是否超出给定的CFD数据网格范围，超出即表示计算无效；步骤三：采用离散传递法迭代获取谱带热辐射强度；(1)确定辐射传递轨迹；以点(0，x(0))处为原点，则由光线方程式得出点(z，x(z))在辐射轨迹上的坐标为：s(z)=∫0z(T(0)T(z)+δ0T(0))dz(T2(0)+T2(z))(1-sin2θ0)+2δ0T(0)T(z)(T(0)-T(z)sin2θ0)+δ02(T2(0)-T2(z)sin2θ0)]]>由点(z，x(z))在辐射轨迹上的坐标可得，从辐射轨迹上点(z_i，x(z_i))到达另一点(z_i+1，x(z_i+1))的光线行程长度为：δs(i+1)(z)=1Ti+1-Ti(11-mif(z)-mim0(1-mi)3ln|2(1-mi)(Ti+1-Ti)z+2(Ti+m0-Timi)+21-mif(z)|-ζi)]]>式中ζi=1Ti+1-Ti(11-mif(Ti)-mim0(1-mi)3ln|2(1-mi)(Ti+1-Ti)Ti+2(Ti+m0-Timi)+21-mif(Ti)|),]]>θ_i为辐射轨迹上点(z_i，x(z_i))处的切向极角；因此确定得到了辐射特征射线在控制体单元网格中的行程δ_s(i+1)(z)的解析表达式；(2)运用离散传递法设特征射线s(z)进入某单元格网(i，j)时的谱带辐射强度为I_i，j，离开该网格的谱带辐射强度为I_i，j+1；沿射线在控制体(i，j)上积分辐射传递方程直至最终离开此网格，忽略散射，射线穿过控制体时谱带辐射强度的变化为：Ii,j+1=Ii,jexp(-κkδs(j))+Bk.Ti,jσ(Ti,j+δ0)Ti,j4π[1-exp(-κδs(j))]]]>其中δ_s(j)：特征射线在控制体(i，j)中的行程，T_i，j：控制体(i，j)的温度；温度下Δλ_k谱带内黑体辐射能占总辐射能的份额；Bk,Ti,j=∫ΔλkEbλ(Ti,j)dλ/∫0∞Ebλ(Ti,j)dλ=∫Δλkc1λ-5exp[c2/(λTi,j)]-1dλ/∫0∞c1λ-5exp[c2/(λTi,j)]-1dλ]]>其中Δλ_k为高速导弹制导红外成像涉及的3～8μm中远红外波段；步骤四：获取热辐射噪声；联立方程ΣΔxk=Σi=1kxi(z)x(z)=∫0zT(0)T(z)sinθ0+δ0T(z)sinθ0(T2(0)+T2(z))(1-sin2θ0)+2δ0T(0)T(z)(T(0)-T(z)sin2θ0)+δ02(T2(0)-T2(z)sin2θ0)dzxi+1(z)=1Ti+1-Ti(11-mif(z)-m0(1-mi)3ln|2(1-mi)(Ti+1-Ti)z+2(Ti+m0-Timi)+21-mif(z)|-ζi)sinθi+1=xi+1(z)1+x2i+1(z)]]>通过X_(i+1)(z)得到光线穿过介质后因热辐射造成的光线所经历的实际几何路程，据此得到成像畸变分析需要的光程差；联立方程s(z)=∫0z(T(0)T(z)+δ0T(0))dz(T2(0)+T2(z))(1-sin2θ0)+2δ0T(0)T(z)(T(0)-T(z)sin2θ0)+δ02(T2(0)-T2(z)sin2θ0)δs(i+1)(z)=1Ti+1-Ti(11-mif(z)-mim0(1-mi)3ln|2(1-mi)(Ti+1-Ti)z+2(Ti+m0-Timi)+21-mif(z)|-ζi)Ii,j+1=Ii,jexp(-κkδs(j))+Bk.Ti,jσ(Ti,j+δ0)Ti,j4π[1-exp(-κδs(j))]Bk,Ti,j=∫ΔλkEbλ(Ti,j)dλ/∫0∞Ebλ(Ti,j)dλ=∫Δλkc1λ-5exp[c2/(λTi,j)]-1dλ/∫0∞c1λ-5exp[c2/(λTi,j)]-1dλ]]>通过I_i，j+1得到光线穿过所分析的介质后因热辐射造成的辐射强度，可据此得到光电探测仪成像时的能量畸变；光线穿过介质后热辐射造成光程差和能量改变组成热辐射噪声，最后获取基于红外成像制导时高速导弹光学窗口外的梯度温度气体介质造成的热辐射噪声。