CN104121992A - 空间目标红外辐射全任务空域动态特性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间目标红外辐射全任务空域动态特性分析方法，对空间目标的红外辐射射特性进行全任务空域动态分析技术。包括如下步骤：1、空间目标几何三维建模；2、有限元网格划分；3、空间目标全任务空域动态温度场分析与校正；4、空间目标全任务空域动态红外辐射特性计算；5、建立空间目标红辐射特性数据库。本发明将空间目标红外辐射特性仿真分析与目标在轨试验状态进行了有机结合，解决了传统分析技术难以针对具体试验流程进行匹配性分析的技术瓶颈。

Description

空间目标红外辐射全任务空域动态特性分析方法

技术领域

本发明涉及测试测量技术领域，特别涉及一种空间目标红外辐射全任务空域动态特性分析方法。

背景技术

利用光学探测器实施对空间目标的探测与跟踪是目前国内外研究的热点。其中红外探测器由于其具有隐蔽性好，能昼夜工作的特点，在空间目标探测与跟踪任务方面发挥着不可比拟的作用。而红外辐射强度仿真数据由于在提高红外探测设备可靠性方面发挥举足轻重的作用而倍受重视。

目前国内在进行目标的红外辐射强度分析方面由于工作起步较晚，虽然哈尔滨工业大学、浙江大学、南京理工大学等高校都开展了相关研究，但国内大部分研究还都是基于理论分析计算的方法，尚未开发出一套比较成熟的商业化软件。而国外成熟的红外辐射特性商业化软件也是价格不菲。

为了实现对观测目标的红外辐射动态特性进行分析，需要提供较为详细的输入条件，包括外形尺寸、表面包覆等，或者提供观测目标卫星模型和热分析模型，针对这些问题，国内各大高校无法提供全面准确的输入条件。另外针对仿真技术而言，最重要的就是仿真结果的可靠性，这就需要大量试验数据的支撑，而传统分析技术难以针对具体试验流程进行匹配性分析，这造成这一技术领域的瓶颈，同时也是国内未形成专业商用化分析软件的主要原因。

因此如何结合空间目标在轨试验流程仿真空间目标动态红外辐射特性，使具体试验数据与仿真结果达成数据匹配成为空间目标红外辐射动态特性仿真技术的一项重要的关键技术。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供了一种空间目标红外辐射全任务空域动态特性分析方法，本发明通过以下技术方案实现：

一种空间目标红外辐射全任务空域动态特性分析方法，包括步骤：

S1、对空间目标进行三维几何建模，获得空间目标的三维几何模型；

S2、对所获得的三维几何模型进行有限元网格划分；

S3、空间目标全任务空域动态温度场分析与校正：

完成网格节点热边界载荷加载，设置空间目标在轨试验轨道参数，计算空间目标动态轨道外热流，结合空间目标材料属性，根据集总参量法建立热平衡方程，仿真空间目标在轨试验温度的动态分布；

将仿真得到的温度动态分布的仿真数据与在轨试验测试数据进行比对，若误差大于预定值，则修正材料属性与热载荷设置参数，直至满足误差要求；

S4、空间目标全任务空域红外辐射特性计算：

根据在轨试验测试数据中的实时观测方位信息，进行空间面元的可见性判断，并得到视线方向的空间目标几何投影数据，结合空间目标全任务空域温度动态分布与目标表面材料属性计算得到实时观测方位下接收到的空间目标自发红外辐射强度数据；

通过结合目标实时在轨轨道参数，目标表面材料属性，地球反照、地球辐射、太阳辐射信息，以及目标在轨运行期间与地球、太阳三者间相对位姿关系，得到实时观测方位接收到的空间目标红外辐射强度数据；

S5、建立空间目标红外辐射特性数据库，将仿真结果编入目标红外辐射特性数据库，进行标准化。

较佳的，步骤S3中则修正材料属性与热载荷设置参数包括：

三维几何模型优化，简化三维几何模型；规整并细化网格划分单元；修正表面包覆材料吸收系数、发射系数；内热源功耗修正。

较佳的，步骤S4中通过结合目标实时在轨轨道参数，目标表面材料属性，地球反照、地球辐射、太阳辐射信息，以及目标在轨运行期间与地球、太阳三者间相对位姿关系，得到实时观测方位接收到的空间目标红外辐射强度数据包括：

A、建立空间目标本体坐标系与探测器坐标系之间的旋转关系矩阵，将空间目标在本体坐标系中的坐标值转换为探测器坐标系中的坐标值；

B、以探测器坐标系的-X方向为投影方向，在投影方向上进行面元可见性判断，并计算可见面元的投影面积；

C、在波段为7.5μm～9.5μm范围内，对可见面元的辐射特性进行计算。

本发明根据在轨试验流程和数据完成对空间非合作目标的红外辐射射特性进行全任务空域动态分析的技术，由于结合了空间目标在轨试验流程仿真空间目标全任务空域红外辐射特性，并通过实测数据进行了仿真结果修正，使空间目标红外辐射特性仿真技术突破了传统分析技术难以针对具体试验流程进行匹配性分析的技术瓶颈，提高了空间目标红外辐射动态特性仿真数据的可靠性，对空间目标红外辐射特性仿真软件的开发提供了可靠性保障，从而降低从国外引进红外仿真软件的成本，将该套技术标准化、软件化将在提高红外探测设备可靠性方面发挥举足轻重的作用。

附图说明

图1所示的是本发明的流程图；

图2所示的是本发明以实施例的有限元网格划分示意图；

图3所示的是本发明一实施例中卫星在夏至典型日期内动态温度分布结果；

图4所示的是卫星夏至工况下跟踪探测器在实时观测方向接收到的空间目标自发红外辐射强度随时间变化情况示意图。

具体实施方式

以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的解释说明，且各个实施例不构成对本发明实施例的限定。

图1所示的是本发明的流程图，本发明包括以下步骤：

步骤1，空间目标几何三维建模。通过传统三维几何建模工具(包括CAD、Pro/E、SolidWorks等)完成空间目标三维建模。

步骤2，有限元网格划分。利用网格剖分工具(包括patran、ansys、hypemesh等)实现几何模型有限元网格划分，为建立热平衡模型提供基础。

步骤3，空间目标全任务空域动态温度场分析与校正。完成网格节点热边界载荷加载，设置空间目标在轨试验轨道参数，计算空间目标动态全任务空域外热流，结合材料本身的热容、导热系数、密度等属性，根据集总参量法建立热平衡方程，仿真空间目标在轨试验温度的动态分布。

计算比较复杂的目标表面辐射平衡温度场可以由以下流程完成：

a.目标有限元建模；

b.建立热导、热容网格；

c.划分节点，计算温度场。

集总参量法的描述如下：复杂的换热系统被划分为多个节点，在空间环境中，系统内部存在着的两种基本换热过程(导热、辐射)被抽象为节点之间三种不同类型的热阻，通过构建完整的热阻—热容网络，实现对整个目标红外辐射系统的传热学描述。

节点分为：耗散节点、算术节点和边界节点。

耗散节点用来表征热容、或热质量。它们用来表示一个可以存储能量的集总或物理材料块。假设全部的集总质量具有相同的温度，即节点的平均温度。如果需要关心该节点更详细的温度分布，那么该模型需要划分更细的节点。

算术节点没有热容，不存储能量。它们用在表面或界面上。这些节点的温度由拉普拉斯或泊松方程执行静态求解计算得到。可以认为算术节点与连接它的节点保持静态平衡。

边界节点由用户定义为固定温度。这些节点可作为热沉或热源，将释放或吸收足够多的能量以维持其温度。边界节点温度在节点创建时需要给定，但在瞬态计算或用户自定义逻辑的情况下也可以改变。

空间环境中热导分为传导热导和辐射热导。

传导热导：q_cond＝ΔT/(L₀/kA₀)＝ΔT/R_t＝G_condΔT  (1)

辐射热导： $q_{\mathrm{rad}}=\mathrm{\σA\ϵF}(T_w^4-T_{\∞}^4)=G_{\mathrm{rad}}(T_w^4-T_{\∞}^4)---\left(2\right)$

其中，q_cond、q_rad分别为传导热流、辐射热流，G_cond、G_rad分别为传导热导、辐射热导，L₀为热导长度，A₀为热流流经的表面积，F为节点之间几何角系数，T_w为壁面温度，T_∞为环境温度，σ为Stefan-Boltzmann常数，ε为目标表面的辐射率。

将仿真得到的温度动态仿真数据与在轨试验测试数据进行比对，若误差较大，分析影响温度分布的因素，修正材料属性与热载荷设置参数，直至满足误差要求。

步骤4，空间目标全任务空域红外辐射特性计算。根据试验中的实时观测方位信息，进行空间面元的可见性判断，并得到视线方向的空间目标几何投影数据，结合空间目标全任务空域温度动态分布与目标表面材料属性计算得到实时观测方位下接收到的空间目标自发红外辐射强度数据。此外通过结合目标实时在轨轨道参数，目标表面材料属性，地球反照、地球辐射、太阳辐射信息，以及目标在轨运行期间与地球、太阳三者间相对位姿关系，得到实时观测方位接收到的空间目标红外辐射强度数据。另外分析了地影区各观测角所接收到的红外辐射强度值，为试验中选择合适的观测角度做基础。

空间目标红外辐射特性具体计算流程：

a.建立空间目标本体坐标系与探测器坐标系之间的旋转关系矩阵，将空间目标在本体坐标系中的坐标值转换为探测器坐标系中的坐标值；

b.以探测器坐标系的-X方向为投影方向，在投影方向上进行面元可见性判断，并计算可见面元的投影面积；

c.在波段为7.5μm～9.5μm范围内，对可见面元的辐射特性进行计算。

空间目标红外辐射特性主要包括目标自发红外辐射、反射太阳光辐射、反射地球辐射,反射地球反照辐射。

空间目标自发红外辐射：

空间目标的红外辐射遵循普朗克辐射定律，即在波段λ₁～λ₂范围的红外辐射能量为：

$M_{{\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2}=\frac{1}{\mathrm{\π}}\underset{{\mathrm{\λ}}_1}{\overset{{\mathrm{\λ}}_2}{\∫}}\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}{c}_1}{{\mathrm{\λ}}^5(e^x-1)}\mathrm{d\λ}---\left(3\right)$

$x=\frac{c_2}{\mathrm{\λT}}$

其中，第一辐射系数c₁＝2πc²h，第二辐射系数c₁＝hck，ε_λ为目标表面的光谱发射率，λ为波长，T为绝对温度。

空间目标反射太阳辐射：

一般认为太阳是绝对温度为5900K的绝对黑体，则在波段λ₁～λ₂范围内的辐射通量密度为：

$M_{{\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2}=\underset{{\mathrm{\λ}}_1}{\overset{{\mathrm{\λ}}_2}{\∫}}\frac{2\mathrm{\π}{h}_0{c}^2}{{\mathrm{\λ}}^2}\frac{1}{c^{c_2/\mathrm{\λ}{T}_0}-1}\mathrm{d\λ}---\left(4\right)$

式中：h₀为普朗克常数；c为真空中的光速；k为波尔兹曼常数，T₀为太阳黑体温度。

通常对目标进行探测时，还应考虑其发射光的强度，设目标反射太阳光的反射率为ρ₀，有效反射面积为A，太阳在目标上的照度为E，则目标反射太阳光的强度为：

$I=\frac{{\mathrm{\ρ}}_0}{\mathrm{\π}}\mathrm{EA}---\left(5\right)$

空间目标反射地球辐射：

令地球辐射通量密度为E_e，目标接受到的辐射通量密度为E_m，L为目标距离地面微元距离，dS为地面微元面积，S为目标面积，R为地球半径，h为在轨高度，w为地球微元辐射光线与目标法向量夹角，ρ为目标漫反射系数。

根据能量守衡原理：

E_edS＝E_mπL²

在不同于法线方向的θ₂的光强为：

$I=\frac{1}{\mathrm{\π}}\mathrm{\ρ}{E}_{m}S\cos w\cos {\mathrm{\θ}}_2$

$\cos w=\frac{R\sin \mathrm{\θ}}{L}$

空间目标反射地球反照辐射：

地球对太阳辐射的反射可认为是地表均匀的漫反射，由此在计算地球反射的太阳辐射时可将地球当作二次光源来处理，则目标表面单元所反射的地球反照辐射为：

q＝ρ_seρ_eEAX  (7)

式中，ρ_se为目标表面对地球反射的太阳辐射的反射率，ρ_e为地球反射率，E为太阳常数，X为该单元表面对太阳间接辐射的角系数。

步骤5，建立空间目标红辐射特性数据库。综合分析误差影响因素，将仿真结果编入数据库，进行标准化。

下面结合实施例,以某卫星为例，介绍本发明的应用过程。

根据本发明的步骤1，首先完成卫星三维几何建模与优化：

a.将星内所有单机视为一个整体，不考虑其温度不均匀性的影响，不考虑热管等温化对星内温度分布的作用；

b.不考虑卫星支架结构件的传热影响；

c.不考虑电缆对星内辐射传热的影响；

d.不考虑星内星外局部开孔的影响；

e.不考虑星体边缘漏热问题；

f.对一些部件的外形进行了适当的简化；

g.各部件内外表面均视为热辐射的漫射表面；

h.忽略星体外表面上天线、有效载荷、辐射器等。

根据本发明的步骤2，完成卫星网格划分，如图2所示。

根据本发明的步骤3，完成目标全任务空域温度动态值计算。

a.设置空间目标在轨试验轨道参数；

轨道高度：643km；

偏心率：0；

轨道倾角：98.07°；

降交点地方时：6:30AM；

在轨姿态为三轴对地定向飞行，+X轴为飞行方向，+Z轴为对地方向。

b.完成热边界载荷加载，计算空间目标动态轨道外热流。

c.结合材料本身的热容、导热系数、密度等属性，根据集总参量法建立热平衡方程，仿真空间目标在轨试验温度的动态分布。图3给出了卫星在夏至典型日期内动态温度分布结果。

d.完成温度分析结果比对与误差分析

在轨实测数据提供春分、夏至、秋分和冬至等典型日期一个轨道周期内，卫星外表面(含星外载荷)温度变化数据。提供典型工况下的外表面温度数据。

对地板，温度，-30～-5℃(入轨初期)

对地板，温度，-40～-15℃(当前)

卫星I象限，多层，-60～-17℃(入轨初期)

卫星I象限，多层，-70～-27℃(当前)

卫星II象限，多层，-30～O℃(入轨初期)

卫星II象限，多层，-40～-10℃(当前)

卫星III象限，多层，-47～-25℃(入轨初期)

卫星III象限，多层，-57～-35℃(当前)

卫星IV象限，SRl07白漆，-41～-35℃(入轨初期)

卫星IV象限，SRl07白漆，-36～-30℃(当前)

将试验温度结果与仿真温度结果进行比较，其主结构本体上各测温点平均温度情况见表1。

测温点位置	在轨实测(℃)	仿真(℃)	差值(℃)
				对地板	-25	-20	-5
卫星I象限	-50	-50	0
				卫星II象限	-25	-20	-5
卫星III象限	-45	-35	-10
				卫星IV象限	-34	-25	-9

表1

由表1可知，在本体象限测点处，仿真温度值与试验值基本吻合得较好。

根据本发明的步骤4，完成目标全任务空域红外辐射特性计算。

图4给出了卫星夏至工况下跟踪探测器在实时观测方向接收到的空间目标自发红外辐射强度随时间变化情况。

根据夏至地影区各观测角所接收到的红外辐射强度值，卫星自发红外辐射强度最小值为4.05W/Sr，发生在俯仰角为0°，方位角为0°。

当卫星处于地球阴影中时，卫星外部的红外辐射源主要为地球红外辐射，此时红外探测器接收到的目标红外辐射能量最小。为了便于计算，对卫星表面材料光学反射特性的假设是所有材料为漫反射体。计算条件为：观测面的漫反射系数为0.05，地球为250K的绝对黑体，7.5μm-9.5μm波段内，即红外探测器的响应波段内，卫星反射地球红外辐射强度最小值为0.80W/Sr，因此红外探测器接收的总红外辐射强度最小值为4.85W/Sr。

根据本发明的步骤5，综合误差分析，完成数据库建设。

表2综合了各类误差因素对不同观测方向目标辐射强度的影响。

表2

数据库建立：

结合目标卫星的在轨飞行状态与材料属性，对目标在轨红外辐射强度进行了分析，给出了红外探测器在具体观测角度接收到的目标红外辐射强度，并对其红外辐射强度计算结果进行了误差分析。表1给出了卫星红外辐射强度综合分析结果。

表3

综上所述，在现有技术中，如何将目标红外辐射特性仿真分析与在轨试验状态进行有机结合，是空间目标红外辐射特性仿真的一大技术瓶颈。本发明结合试验流程，仿真了空间目标在轨试验温度的动态分布，通过比较在轨实测温度数据与仿真温度数据，分析影响温度分布的主要因素，修正相关参数设置，包括三维几何结构优化、规整并细化网格划分单元、修正表面包覆材料吸收系数与发射系数以达到满足误差精度要求的目的。另外根据目标飞行器在轨动态轨道、姿态参数、太阳光照参数，分析了目标自发辐射强度、目标反射地球辐射强度、目标反射太阳红外辐射强度、目标反射地球反射太阳红外辐射强度的综合辐射效果，结合试验中的实时观测方位信息，得到实时观测方位接收到的空间目标红外辐射强度数据，以此达到仿真分析结果与试验数据匹配的目的。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种空间目标红外辐射全任务空域动态特性分析方法，其特征在于，包括步骤：

S1、对空间目标进行三维几何建模，获得空间目标的三维几何模型；

S2、对所获得的三维几何模型进行有限元网格划分；

S3、空间目标全任务空域动态温度场分析与校正：

完成网格节点热边界载荷加载，设置空间目标在轨试验轨道参数，计算空间目标动态轨道外热流，结合空间目标材料属性，根据集总参量法建立热平衡方程，仿真空间目标在轨试验温度的动态分布；

将仿真得到的温度动态分布的仿真数据与在轨试验测试数据进行比对，若误差大于预定值，则修正材料属性与热载荷设置参数，直至满足误差要求；

S4、空间目标全任务空域红外辐射特性计算：

根据在轨试验测试数据中的实时观测方位信息，进行空间面元的可见性判断，并得到视线方向的空间目标几何投影数据，结合空间目标全任务空域温度动态分布与目标表面材料属性计算得到实时观测方位下接收到的空间目标自发红外辐射强度数据；

通过结合目标实时在轨轨道参数，目标表面材料属性，地球反照、地球辐射、太阳辐射信息，以及目标在轨运行期间与地球、太阳三者间相对位姿关系，得到实时观测方位接收到的空间目标红外辐射强度数据；

S5、建立空间目标红外辐射特性数据库，将仿真结果编入目标红外辐射特性数据库，进行标准化。

2.根据权利要求1所述的空间目标红外辐射全任务空域动态特性分析方法，其特征在于，步骤S3中所述则修正材料属性与热载荷设置参数包括：

三维几何模型优化，简化三维几何模型；规整并细化网格划分单元；修正表面包覆材料吸收系数、发射系数；内热源功耗修正。

3.根据权利要求1所述的空间目标红外辐射全任务空域动态特性分析方法，其特征在于，步骤S4中所述通过结合目标实时在轨轨道参数，目标表面材料属性，地球反照、地球辐射、太阳辐射信息，以及目标在轨运行期间与地球、太阳三者间相对位姿关系，得到实时观测方位接收到的空间目标红外辐射强度数据包括：

A、建立空间目标本体坐标系与探测器坐标系之间的旋转关系矩阵，将空间目标在本体坐标系中的坐标值转换为探测器坐标系中的坐标值；

B、以探测器坐标系的-X方向为投影方向，在投影方向上进行面元可见性判断，并计算可见面元的投影面积；

C、在波段为7.5μm～9.5μm范围内，对可见面元的辐射特性进行计算。