CN105243289A - 复杂目标红外辐射特性一体化建模方法 - Google Patents

Abstract

一种复杂目标红外辐射特性一体化建模方法，基于辐射度学光谱射线追踪方法，考虑复杂目标表面的自身红外辐射、双向反射分布函数模型，以及非均匀尾焰气体的红外辐射模型；射线追踪的过程采用对探测器焦平面像素进行采样生成射线束，针对每条射线计算其与场景中的复杂目标的相交情况；对每个交点计算辐射反射值，将该像素所有射线获得的辐射亮度进行采样重建，得到探测器该像素处的光谱形式的辐射亮度；最后对所需红外谱段进行积分，获得探测器所接收到的目标红外辐射特性值。本发明以光谱射线追踪方法贯穿整个求解过程，并建立适用射线追踪形式的求解模型，适用于对包含尾焰的复杂目标飞行器在特定飞行状态下的红外辐射特性仿真。

Description

复杂目标红外辐射特性一体化建模方法

技术领域

本发明涉及复杂目标红外辐射特性一体化建模方法，尤其是指非均匀燃烧后气体流场中分子红外辐射的计算技术，属于目标与环境红外辐射散射特性研究领域。

背景技术

复杂目标红外辐射特性在红外隐身装备设计，红外检测算法验证，目标红外辐射半实物仿真系统，红外搜索跟踪系统的设计，包括波段、域值的选取等领域具有重要作用。获取目标红外辐射特性技术是开展红外设备与算法研究的基础。通常获取方法有两种，一种是通过实验测量获取，另一种是通过建模仿真的方式获取。其中第一种实验测量获取方法由于其局限性，开展飞行器地面测试会耗费大量的人力物力，且并不能覆盖不同情况下的飞行器红外目标特性。而第二种通过仿真建模的获取方式则能够对特定条件下的飞行器目标红外辐射特性进行预测，节省了大量成本。

目标红外辐射特性是多元因素决定的，与目标表面热平衡状态下的温度、目标表面发射率分布、目标表面光谱反射特性(用BRDF双向反射分布函数表征)、目标尾焰的流场、尾焰流场中主要辐射源分子(如H₂O，CO₂)的组分分布，流场温度、压强分布，以及探测器观测方向等等因素有关。整个过程是一个复杂的能量辐射传输过程。对于复杂目标红外辐射特性的求解，无法通过解析方式求解，必须采用数值计算方式。

现有技术中，由冯云松、吕相银等发表的《空中目标蒙皮红外辐射特性的理论计算》，刊登在2013年Vol.40，No.2的光电材料期刊上，该论文建立空中目标蒙皮的一维导热微分方程，采用后向差分方法求解方程，计算了蒙皮表面温度分布，根据黑体辐射定律获得了随时间空间的辐射变化，并考虑了环境辐射的影响。该论文中只考虑环境一次反射影响，并未考虑多次反射效应，其目标表面为朗伯面，而且不包含飞行器目标尾焰辐射特性。而由杨玉峰、吴振森等发表的《非朗伯面目标对复杂背景红外辐射的散射特性》，刊登在2011年的Vol.40，No.5的红外与激光工程期刊上，该论文包含非朗表面对复杂背景的红外辐射的散射特性，虽然其采用BRDF表面，但未包含多次反射模型，目标尾焰辐射模型，其计算目标为圆柱体。

因此，目前亟需提出一种复杂目标红外辐射特性一体化建模方法，以光谱射线追踪方法贯穿整个求解过程，并建立适用射线追踪形式的求解模型。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复杂目标红外辐射特性一体化建模方法，以光谱射线追踪方法贯穿整个求解过程，并建立适用射线追踪形式的求解模型，适用于对包含尾焰的复杂目标飞行器在特定飞行状态下的红外辐射特性仿真。

为了达到上述目的，本发明提供一种复杂目标红外辐射特性一体化建模方法，包含以下步骤：

S1、将获取的复杂目标红外辐射特性仿真所需的所有输入参数和条件组织成XML格式，为复杂目标红外辐射特性一体化建模方法提供输入条件；

S2、建立适用于光谱射线追踪方法的目标表面红外辐射求解模型，即计算目标蒙皮自身辐射模型，并基于该目标表面红外辐射求解模型对复杂目标的表面区域进行预处理；

S3、建立适用于光谱射线追踪方法的目标表面红外反射求解模型，即计算目标蒙皮BRDF反射模型，并基于该目标表面红外反射求解模型对复杂目标的表面区域进行预处理；

S4、建立适用于光谱射线追踪方法的非均匀尾焰气体组分红外辐射计算模型，并基于该非均匀尾焰气体组分红外辐射计算模型对复杂目标的尾焰区域进行预处理；

S5：针对探测器及其视线方向，对探测器焦平面阵列像素进行采样，生成亚像素光谱射线束，向场景中目标投射射线束；针对每条亚像素光谱射线追踪射线路径，计算其与场景中的目标三角面元网格的交点；

S6、对复杂目标的不同区域，采用S2和S3中建立的模型，计算每一个交点处的辐射反射值；

S7、递归计算亚像素光谱射线与场景相交的过程，把所有计算的辐射亮度加到该亚像素光谱射线接收总辐射亮度中；

S8、对每个探测器焦平面阵列的像素处的亚像素射线获得的光谱辐射值进行采样重建，匹配滤波，获得该像素的光谱总辐射亮度；

S9、利用获得的探测器焦平面阵列的各像素处的光谱辐射值，对谱段进行积分，从而获得复杂目标的红外辐射亮度值。

所述的S1中，具体包含以下步骤：

S11、建立所需仿真的飞行器，以作为复杂目标；该飞行器具有进气口和尾喷口；

S12、获得适用于流体计算的表面三角面元网格与周围自由流体网格模型；

S13、根据复杂目标飞行器的飞行参数，尾焰分子种类及热化学反应方程，大气环境参数，以及利用空气流量、增压比、涡轮前温度的发动机参数而设定的进气口边界仿真条件和尾喷口射流边界仿真条件，获得复杂目标飞行器表面温度场分布，尾焰射流流场温度、压强、主要辐射分子组分分布的输入数据，并将这些输入数据和条件组织成XML格式。

所述的S2中，具体包含以下步骤：

S21、所述的目标蒙皮自身辐射模型是通过黑体辐射定律来计算求解的，该黑体辐射定律公式为：

$M_{\mathrm{\λ}}=\frac{2{\mathrm{\πhc}}^2}{{\mathrm{\λ}}^5}\·\frac{1}{e^{hc/\mathrm{\λ}kT}-1};$

其中，M_λ为黑体的光谱辐出度，h为普朗克常数，c为真空中的光速，k为玻耳兹曼常数，T为热力学温度，λ为辐射波长；

S22、将复杂目标的表面近似为朗伯辐射面，则推导出适用于光谱射线追踪方法的目标表面红外辐射求解模型的公式为：

$L_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}}=\frac{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\π}}\underset{{\mathrm{\λ}}_1}{\overset{{\mathrm{\λ}}_2}{\∫}}{M}_{\mathrm{\λ}}d\mathrm{\λ};$

其中，ε为复杂目标表面的反射率；λ1和λ2分别为所需仿真的波长区间的起始波长与终止波长；

S23、根据S22获得的目标表面红外辐射求解模型，对S13中获得的输入数据进行预处理，加入复杂目标的表面发射率；针对不同的复杂目标，事先根据样片测得其表面发射率情况，并加入到复杂目标的表面三角面元网格模型中。

所述的S3中，具体包含以下步骤：

S31、所述的BRDF定义为：

$f_r({\mathrm{\θ}}_i,{\mathrm{\φ}}_i,{\mathrm{\θ}}_r,{\mathrm{\φ}}_r,\mathrm{\λ})=\frac{{\mathrm{dL}}_r({\mathrm{\θ}}_r,{\mathrm{\φ}}_r)}{{\mathrm{dE}}_i({\mathrm{\θ}}_i,{\mathrm{\φ}}_i)};$

其中，dL_r(θ_r,φ_r)为适用于光谱射线追踪的出射方向的辐射亮度，θ_r为反射天顶角，φ_r为反射方位角；dE_i(θ_i,φ_i)为适用于光谱射线追踪的入射方向的辐射照度，θ_i为入射天顶角，φ_i为入射方位角；

S32、对于红外波段，采用Sandford-Robertson模型对复杂目标的表面样片BRDF测量结果进行参数拟合，并将所得到的参数加入到复杂目标的表面三角面元网格模型中，对于相同BRDF特性的面元赋值一种拟合参数。

所述的S4中，对复杂目标的飞行器非均匀尾焰气体组分的红外辐射特性建模的问题，等同于对非均匀热气体的辐射特性进行建模；具体为：

分析非均匀热气体的特点和均匀热气体的谱带模型，以原子分子辐射理论为基础，结合谱线的碰撞展宽效应和多谱勒展宽效应，利用单谱带模型近似法对非均匀热气体谱带模型所用到的谱带模型参数进行计算，从而获得射线方向所接收到的红外辐射亮度L_p，实现对非均匀尾焰气体组分红外辐射计算模型的建立。

所述的S6中，具体为：对于复杂目标的表面区域，交点处的辐射亮度值为：

$\begin{array}{c}{L}_r(M,{\mathrm{\θ}}_r,{\mathrm{\φ}}_r,{\mathrm{\λ}}_i)=\\ L_e(M,{\mathrm{\θ}}_r,{\mathrm{\φ}}_r,{\mathrm{\λ}}_i)\\ +\underset{\mathrm{\Ω}}{\∫}{f}_r(M,{\mathrm{\θ}}_r,{\mathrm{\φ}}_r,{\mathrm{\λ}}_i)\·L_i(M,{\mathrm{\θ}}_i,{\mathrm{\φ}}_i,{\mathrm{\λ}}_i)\·{\mathrm{cos\θ}}_i\·{\mathrm{d\ω}}_i\\ +\underset{sourcej}{\underset{external}{\Σ}}f(M,{\mathrm{\θ}}_{j_i},{\mathrm{\φ}}_{j_i},{\mathrm{\θ}}_r,{\mathrm{\φ}}_r,{\mathrm{\λ}}_i)\·E_j(M,{\mathrm{\λ}}_i)\·{\mathrm{cos\θ}}_{j_i}\end{array};$

其中，M代表交点，E_j代表外部辐射源到M点处的辐射照度；L_e代表目标表面自身辐射亮度；L_i代表入射辐射亮度。

所述的S7中，L(i,j,λ_i)为探测器像素网格中像素(i,j)处的入射辐射亮度，其波长位于[λ_i-1,λ_i]的区间内；亚像素光谱射线从(i,j)像素点投射并与场景中的复杂目标的多个面元相交，在第n个面元M_n处被反射，射线在反射后与第n+1个面元相交于M_n+1；则L(i,j,λ_i)通过如下算法递归计算：

S71、初始条件的主射线为：L₀(i,j,λ_i)＝0；k₀＝1；

S72、第n+1阶递归为：

L_n+1(i,j,λ_i)＝L_n(i,j,λ_i)+k_n·[τ_atmo([Q_n,M_n+1],λ_i)·L_local(M_n+1,λ_i)

；

+(1-α(M_n+1,λ_i))·L_atmo([Q_n,M_n+1],λ_i)

对于M_n+1处的反射射线为：

k_n+1＝k_n·τ_atmo([Q_n,M_n+1],λ_i)·ρ_g(M_n+1,λ_i)

；

Q_n+1＝M_n+1

其中，n为递归深度；Q_n为探测器位置或者上一次反射点；L_n+1(i,j,λ_i)为探测器接收到的第n+1阶累计辐射亮度，在波长[λ_i-1,λ_i]区间积分；L_n(i,j,λ_i)为探测器接收到的第n阶累计辐射亮度，在波长[λ_i-1,λ_i]区间积分；k_n+1为第n+1阶递归系数；k_n为第n阶递归系数；L_atmo([Q_n,M_n+1],λ_i)为光程(M_n,M_n+1)中大气程辐射，在波长[λ_i-1,λ_i]区间积分；τ_atmo([Q_n,M_n+1],λ_i)为光程(M_n,M_n+1)的大气透过率，在波长[λ_i-1,λ_i]区间积分；L_local(M_n+1,λ_i)为M_n+1辐射和反射的辐射亮度，在波长[λ_i-1,λ_i]区间积分；α(M_n+1,λ_i)为M_n+1处的透明系数，在波长[λ_i-1,λ_i]区间积分；如果面元为不透明的，则表面透过率的值α(M_n+1,λ_i)为0；

S73、在探测器网格上像素点(i,j)的入射辐射亮度为：

$L(i,j,{\mathrm{\λ}}_i)=\frac{1}{S_{i,j}}\underset{ofthepixel(i,j)}{\underset{sub-pixels(k,j)}{\Σ}}L(k,l,{\mathrm{\λ}}_i)\·S_{k,l};$

其中，L(k,l,λ_i)为在亚像素(k,l)处的入射辐射亮度，在波长[λ_i-1,λ_i]区间积分；S_k,l为亚像素(k,l)的面积；S_i,j为像素(i,j)的面积。

本发明提供的复杂目标红外辐射特性一体化建模方法，包含了对多次反射与阴影的效应，适用于对复杂目标飞行器(包含尾焰)在特定飞行状态下的红外辐射特性仿真。本发明可用于复杂目标红外辐射的机理研究，红外隐身装备设计，红外检测算法验证，目标红外辐射半实物仿真系统输入源，红外搜索跟踪系统的设计，包括波段，域值的选取等。与实验测量飞行器红外辐射亮度相比，能够覆盖飞行器飞行的各种状态，实现了飞行器在不同的飞行高度，不同的飞行背景，不同红外谱段，不同观测等条件下，能够求解复杂目标的红外辐射特性，满足了红外探测系统论证设计，红外探测检测算法评估等对目标红外辐射特性的需求。并且与地面实验测量相比，节省了大量的人力、物力。

附图说明

图1为本发明中的复杂目标红外辐射特性一体化建模方法的流程图；

图2为本发明中的射线递归过程的流程图。

具体实施方式

以下结合图1～图2，详细说明本发明的一个优选实施例。

如图1所示，为本发明提供的复杂目标红外辐射特性一体化建模方法，包含以下步骤：

S1、将通过各种不同途径获取的复杂目标红外辐射特性仿真所需的所有输入参数和条件组织成XML格式，为复杂目标红外辐射特性一体化建模方法提供输入条件；

S2、建立适用于光谱射线追踪方法的目标表面红外辐射求解模型，即计算目标蒙皮自身辐射模型，并基于该目标表面红外辐射求解模型对复杂目标的表面区域进行预处理；

S3、建立适用于光谱射线追踪方法的目标表面红外反射求解模型，即计算目标蒙皮BRDF(双向反射分布函数)反射模型，并基于该目标表面红外反射求解模型对复杂目标的表面区域进行预处理；

S4、建立适用于光谱射线追踪方法的非均匀尾焰气体组分红外辐射计算模型，并基于该非均匀尾焰气体组分红外辐射计算模型对复杂目标的尾焰区域进行预处理；

S5：针对探测器及其视线方向，对探测器焦平面阵列像素进行采样，生成亚像素光谱射线束，向场景中目标投射射线束；针对每条亚像素光谱射线追踪射线路径，计算其与场景中的目标三角面元网格的交点；

S6、对复杂目标的不同区域，采用S2和S3中建立的模型，计算每一个交点处的辐射反射值；

S7、递归计算亚像素光谱射线与场景相交的过程，把所有计算的辐射亮度加到该亚像素光谱射线接收总辐射亮度中；

S8、对每个探测器焦平面阵列的像素处的亚像素射线获得的光谱辐射值进行采样重建，匹配滤波，获得该像素的光谱总辐射亮度；

S9、利用获得的探测器焦平面阵列的各像素处的光谱辐射值，对谱段进行积分，从而获得复杂目标的红外辐射亮度值。

所述的S1中，由于复杂目标红外辐射特性的仿真需要大量输入条件，而输入条件的获得是一个极其复杂的过程，涉及多学科问题；具体包含以下步骤：

S11、采用Catia、SolidWorks等CAD软件，建立所需仿真的飞行器，以作为复杂目标；该飞行器具有进气口和尾喷口；

S12、采用TGrid、HyperMesh等网格工具软件，获得适用于流体计算的表面三角面元网格与周围自由流体网格模型；

S13、根据复杂目标飞行器的飞行参数，尾焰分子种类及热化学反应方程，大气环境参数，以及利用空气流量、增压比、涡轮前温度等发动机参数而设定的进气口边界仿真条件和尾喷口射流边界仿真条件，采用Fluent、CFD++、CFD-Fastran等成熟商业计算流体软件获得复杂目标飞行器表面温度场分布，尾焰射流流场温度、压强、主要辐射分子(如H₂O，CO₂)组分分布的输入数据，并将这些输入数据和条件组织成XML格式。

所述的S2中，具体包含以下步骤：

S21、所述的目标蒙皮自身辐射模型是通过黑体辐射定律来计算求解的，该黑体辐射定律公式为：

$M_{\mathrm{\λ}}=\frac{2{\mathrm{\πhc}}^2}{{\mathrm{\λ}}^5}\·\frac{1}{e^{hc/\mathrm{\λ}kT}-1};$

其中，M_λ为黑体的光谱辐出度，h为普朗克常数，c为真空中的光速，k为玻耳兹曼常数，T为热力学温度，λ为辐射波长；

S22、将复杂目标的表面近似为朗伯辐射面，则推导出适用于光谱射线追踪方法的目标表面红外辐射求解模型的公式为：

$L_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}}=\frac{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\π}}\underset{{\mathrm{\λ}}_1}{\overset{{\mathrm{\λ}}_2}{\∫}}{M}_{\mathrm{\λ}}d\mathrm{\λ};$

其中，ε为复杂目标表面的反射率；λ1和λ2分别为所需仿真的波长区间的起始波长与终止波长；

S23、根据S22获得的目标表面红外辐射求解模型，对S13中获得的输入数据进行预处理，加入复杂目标的表面发射率；针对不同的复杂目标，事先根据样片测得其表面发射率情况，并加入到复杂目标的表面三角面元网格模型中。

所述的S3中，具体包含以下步骤：

S31、所述的BRDF定义为：

$f_r({\mathrm{\θ}}_i,{\mathrm{\φ}}_i,{\mathrm{\θ}}_r,{\mathrm{\φ}}_r,\mathrm{\λ})=\frac{{\mathrm{dL}}_r({\mathrm{\θ}}_r,{\mathrm{\φ}}_r)}{{\mathrm{dE}}_i({\mathrm{\θ}}_i,{\mathrm{\φ}}_i)};$

其中，dL_r(θ_r,φ_r)为适用于光谱射线追踪的出射方向的辐射亮度，θ_r为反射天顶角，φ_r为反射方位角；dE_i(θ_i,φ_i)为适用于光谱射线追踪的入射方向的辐射照度，θ_i为入射天顶角，φ_i为入射方位角；

S32、对于红外波段，采用Sandford-Robertson模型对复杂目标的表面样片BRDF测量结果进行参数拟合，并将所得到的参数加入到复杂目标的表面三角面元网格模型中，对于相同BRDF特性的面元赋值一种拟合参数。

所述的S4中，对复杂目标的飞行器非均匀尾焰气体组分的红外辐射特性建模的问题，等同于对非均匀热气体的辐射特性进行建模；而非均匀热气体由于其内部空间点的温度、组分分布、压强各不相同，因此其红外辐射特性计算十分困难；具体为：

分析非均匀热气体的特点和均匀热气体的谱带模型，以原子分子辐射理论为基础，结合谱线的碰撞展宽效应和多谱勒展宽效应，利用单谱带模型(Curtis-Godson)近似法对非均匀热气体谱带模型所用到的谱带模型参数进行计算，从而获得射线方向所接收到的红外辐射亮度L_p，实现对非均匀尾焰气体组分红外辐射计算模型的建立。

所述的S6中，具体为：对于复杂目标的表面区域，交点处的辐射亮度值为：

$\begin{array}{c}{L}_r(M,{\mathrm{\θ}}_r,{\mathrm{\φ}}_r,{\mathrm{\λ}}_i)=\\ L_e(M,{\mathrm{\θ}}_e,{\mathrm{\φ}}_r,{\mathrm{\λ}}_i)\\ +\underset{\mathrm{\Ω}}{\∫}{f}_r(M,{\mathrm{\θ}}_r,{\mathrm{\φ}}_r,{\mathrm{\λ}}_i)\·L_i(M,{\mathrm{\θ}}_i,{\mathrm{\φ}}_i,{\mathrm{\λ}}_i)\·{\mathrm{cos\θ}}_i\·{\mathrm{d\ω}}_i\\ +\underset{sourcej}{\underset{exernal}{\Σ}}f(M,{\mathrm{\θ}}_{j_i},{\mathrm{\φ}}_{j_i},{\mathrm{\θ}}_r,{\mathrm{\φ}}_r,{\mathrm{\λ}}_i)\·E_j(M,{\mathrm{\λ}}_i)\·{\mathrm{cos\θ}}_{j_i}\end{array};$

其中，M代表交点，E_j代表外部辐射源到M点处的辐射照度；L_e代表目标表面自身辐射亮度(蒙皮辐射)；L_i代表入射辐射亮度。

所述的尾焰流场采用包围盒表示其几何区域，如果亚像素光谱射线与该区域相交，则采用Curtis-Godson近似方法计算气体辐射亮度L_p。

所述的S7中，L(i,j,λ_i)为探测器像素网格中像素(i,j)处的入射辐射亮度，其波长位于[λ_i-1,λ_i]的区间内；如图2所示，亚像素光谱射线从(i,j)像素点投射并与场景中的复杂目标的多个面元相交，在第n个面元M_n处被反射，射线在反射后与第n+1个面元相交于M_n+1；L(i,j,λ_i)通过如下算法递归计算：

S71、初始条件的主射线为：L₀(i,j,λ_i)＝0；k₀＝1；

S72、第n+1阶递归为：

L_n+1(i,j,λ_i)＝L_n(i,j,λ_i)+k_n·[τ_atmo([Q_n,M_n+1],λ_i)·L_local(M_n+1,λ_i)

；

+(1-α(M_n+1,λ_i))·L_atmo([Q_n,M_n+1],λ_i)

对于M_n+1处的反射射线为：

k_n+1＝k_n·τ_atmo([Q_n,M_n+1],λ_i)·ρ_g(M_n+1,λ_i)

；

Q_n+1＝M_n+1

其中，n为递归深度；Q_n为探测器位置或者上一次反射点；L_n+1(i,j,λ_i)为探测器接收到的第n+1阶累计辐射亮度，在波长[λ_i-1,λ_i]区间积分；L_n(i,j,λ_i)为探测器接收到的第n阶累计辐射亮度，在波长[λ_i-1,λ_i]区间积分；k_n+1为第n+1阶递归系数；k_n为第n阶递归系数；L_atmo([Q_n,M_n+1],λ_i)为光程(M_n,M_n+1)中大气程辐射，在波长[λ_i-1,λ_i]区间积分；τ_atmo([Q_n,M_n+1],λ_i)为光程(M_n,M_n+1)的大气透过率，在波长[λ_i-1,λ_i]区间积分；L_local(M_n+1,λ_i)为M_n+1辐射和反射的辐射亮度，在波长[λ_i-1,λ_i]区间积分；α(M_n+1,λ_i)为M_n+1处的透明系数，在波长[λ_i-1,λ_i]区间积分；如果面元为不透明的，则表面透过率的值α(M_n+1,λ_i)为0；

S73、考虑采用亚像素的射线追踪方法，在探测器网格上像素点(i,j)的入射辐射亮度为：

$L(i,j,{\mathrm{\λ}}_i)=\frac{1}{S_{i,j}}\underset{ofthepixel(i,j)}{\underset{sub-pixels(k,j)}{\Σ}}L(k,l,{\mathrm{\λ}}_i)\·S_{k,l};$

其中，L(k,l,λ_i)为在亚像素(k,l)处的入射辐射亮度，在波长[λ_i-1,λ_i]区间积分；S_k,l为亚像素(k,l)的面积；S_i,j为像素(i,j)的面积。

本发明所提供的复杂目标红外辐射特性一体化建模方法，基于辐射度学光谱射线追踪方法，对于复杂目标表面的自身红外辐射采用黑体辐射定律与发射率来表征，对于复杂目标表面的反射特性采用双向反射分布函数来表征，对于复杂目标的尾焰流场的红外辐射采用单谱带模型近似法对非均匀热气体谱带模型所用到的谱带模型参数进行计算；整个射线追踪的过程采用对探测器焦平面像素进行采样生成射线束，针对每一条射线计算其与场景中的复杂目标的相交情况；对每个交点处计算辐射反射值，将该像素所有射线所获得的辐射亮度进行采样重建，得到探测器该像素处的光谱形式的辐射亮度；最后对所需红外谱段进行积分，获得探测器所接收到的目标红外辐射特性值。因此，本发明以光谱射线追踪方法贯穿整个求解过程，并建立适用射线追踪形式的求解模型。

与现有技术相比，本发明提供的复杂目标红外辐射特性一体化建模方法，包含了对多次反射与阴影的效应，适用于对复杂目标飞行器(包含尾焰)在特定飞行状态下的红外辐射特性仿真。本发明可用于复杂目标红外辐射的机理研究，红外隐身装备设计，红外检测算法验证，目标红外辐射半实物仿真系统输入源，红外搜索跟踪系统的设计，包括波段，域值的选取等。与实验测量飞行器红外辐射亮度相比，能够覆盖飞行器飞行的各种状态，实现了飞行器在不同的飞行高度，不同的飞行背景，不同红外谱段，不同观测等条件下，能够求解复杂目标的红外辐射特性，满足了红外探测系统论证设计，红外探测检测算法评估等对目标红外辐射特性的需求。并且与地面实验测量相比，节省了大量的人力、物力。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种复杂目标红外辐射特性一体化建模方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1、将获取的复杂目标红外辐射特性仿真所需的所有输入参数和条件组织成XML格式，为复杂目标红外辐射特性一体化建模方法提供输入条件；

S2、建立适用于光谱射线追踪方法的目标表面红外辐射求解模型，即计算目标蒙皮自身辐射模型，并基于该目标表面红外辐射求解模型对复杂目标的表面区域进行预处理；

S3、建立适用于光谱射线追踪方法的目标表面红外反射求解模型，即计算目标蒙皮BRDF反射模型，并基于该目标表面红外反射求解模型对复杂目标的表面区域进行预处理；

S4、建立适用于光谱射线追踪方法的非均匀尾焰气体组分红外辐射计算模型，并基于该非均匀尾焰气体组分红外辐射计算模型对复杂目标的尾焰区域进行预处理；

S5：针对探测器及其视线方向，对探测器焦平面阵列像素进行采样，生成亚像素光谱射线束，向场景中目标投射射线束；针对每条亚像素光谱射线追踪射线路径，计算其与场景中的目标三角面元网格的交点；

S6、对复杂目标的不同区域，采用S2和S3中建立的模型，计算每一个交点处的辐射反射值；

S7、递归计算亚像素光谱射线与场景相交的过程，把所有计算的辐射亮度加到该亚像素光谱射线接收总辐射亮度中；

S8、对每个探测器焦平面阵列的像素处的亚像素射线获得的光谱辐射值进行采样重建，匹配滤波，获得该像素的光谱总辐射亮度；

S9、利用获得的探测器焦平面阵列的各像素处的光谱辐射值，对谱段进行积分，从而获得复杂目标的红外辐射亮度值。

2.如权利要求1所述的复杂目标红外辐射特性一体化建模方法，其特征在于，所述的S1中，具体包含以下步骤：

S11、建立所需仿真的飞行器，以作为复杂目标；该飞行器具有进气口和尾喷口；

S12、获得适用于流体计算的表面三角面元网格与周围自由流体网格模型；

S13、根据复杂目标飞行器的飞行参数，尾焰分子种类及热化学反应方程，大气环境参数，以及利用空气流量、增压比、涡轮前温度的发动机参数而设定的进气口边界仿真条件和尾喷口射流边界仿真条件，获得复杂目标飞行器表面温度场分布，尾焰射流流场温度、压强、主要辐射分子组分分布的输入数据，并将这些输入数据和条件组织成XML格式。

3.如权利要求2所述的复杂目标红外辐射特性一体化建模方法，其特征在于，所述的S2中，具体包含以下步骤：

S21、所述的目标蒙皮自身辐射模型是通过黑体辐射定律来计算求解的，该黑体辐射定律公式为：

$M_{\mathrm{\λ}}=\frac{2{\mathrm{\πhc}}^2}{{\mathrm{\λ}}^5}\·\frac{1}{e^{hc/\mathrm{\λ}kT}-1};$

其中，M_λ为黑体的光谱辐出度，h为普朗克常数，c为真空中的光速，k为玻耳兹曼常数，T为热力学温度，λ为辐射波长；

S22、将复杂目标的表面近似为朗伯辐射面，则推导出适用于光谱射线追踪方法的目标表面红外辐射求解模型的公式为：

$L_{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}}=\frac{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\π}}\underset{{\mathrm{\λ}}_1}{\overset{{\mathrm{\λ}}_2}{\∫}}{M}_{\mathrm{\λ}}d\mathrm{\λ};$

其中，ε为复杂目标表面的反射率；λ1和λ2分别为所需仿真的波长区间的起始波长与终止波长；

S23、根据S22获得的目标表面红外辐射求解模型，对S13中获得的输入数据进行预处理，加入复杂目标的表面发射率；针对不同的复杂目标，事先根据样片测得其表面发射率情况，并加入到复杂目标的表面三角面元网格模型中。

4.如权利要求3所述的复杂目标红外辐射特性一体化建模方法，其特征在于，所述的S3中，具体包含以下步骤：

S31、所述的BRDF定义为：

$f_r({\mathrm{\θ}}_i,{\mathrm{\φ}}_i,{\mathrm{\θ}}_r,{\mathrm{\φ}}_r,\mathrm{\λ})=\frac{{\mathrm{dL}}_r\left({\mathrm{\θ}}_r,{\mathrm{\φ}}_r\right)}{{\mathrm{dE}}_i({\mathrm{\θ}}_i,{\mathrm{\φ}}_i)};$

其中，dL_r(θ_r,φ_r)为适用于光谱射线追踪的出射方向的辐射亮度，θ_r为反射天顶角，φ_r为反射方位角；dE_i(θ_i,φ_i)为适用于光谱射线追踪的入射方向的辐射照度，θ_i为入射天顶角，φ_i为入射方位角；

S32、对于红外波段，采用Sandford-Robertson模型对复杂目标的表面样片BRDF测量结果进行参数拟合，并将所得到的参数加入到复杂目标的表面三角面元网格模型中，对于相同BRDF特性的面元赋值一种拟合参数。

5.如权利要求4所述的复杂目标红外辐射特性一体化建模方法，其特征在于，所述的S4中，对复杂目标的飞行器非均匀尾焰气体组分的红外辐射特性建模的问题，等同于对非均匀热气体的辐射特性进行建模；具体为：

分析非均匀热气体的特点和均匀热气体的谱带模型，以原子分子辐射理论为基础，结合谱线的碰撞展宽效应和多谱勒展宽效应，利用单谱带模型近似法对非均匀热气体谱带模型所用到的谱带模型参数进行计算，从而获得射线方向所接收到的红外辐射亮度L_p，实现对非均匀尾焰气体组分红外辐射计算模型的建立。

6.如权利要求5所述的复杂目标红外辐射特性一体化建模方法，其特征在于，所述的S6中，具体为：对于复杂目标的表面区域，交点处的辐射亮度值为：

$\begin{array}{c}{L}_r\left(M,{\mathrm{\θ}}_r,{\mathrm{\φ}}_r,{\mathrm{\λ}}_i\right)=\\ L_e\left(M,{\mathrm{\θ}}_r,{\mathrm{\φ}}_r,{\mathrm{\λ}}_i\right)\\ +\underset{\mathrm{\Ω}}{\∫}{f}_r\left(M,{\mathrm{\θ}}_r,{\mathrm{\φ}}_r,{\mathrm{\λ}}_i\right)\·L_i\left(M,{\mathrm{\θ}}_i,{\mathrm{\φ}}_i,{\mathrm{\λ}}_i\right)\·{\mathrm{cos\θ}}_i\·{\mathrm{d\ω}}_i\\ +\underset{sourcej}{\underset{external}{\mathrm{\Σ}}}f\left(M,{\mathrm{\θ}}_{j_i},{\mathrm{\φ}}_{j_i},{\mathrm{\θ}}_r,{\mathrm{\φ}}_r,{\mathrm{\λ}}_i\right)\·E_j\left(M,{\mathrm{\λ}}_i\right)\·{\mathrm{cos\θ}}_{j_i}\end{array};$

其中，M代表交点，E_j代表外部辐射源到M点处的辐射照度；L_e代表目标表面自身辐射亮度；L_i代表入射辐射亮度。

7.如权利要求6所述的复杂目标红外辐射特性一体化建模方法，其特征在于，所述的S7中，L(i,j,λ_i)为探测器像素网格中像素(i,j)处的入射辐射亮度，其波长位于[λ_i-1,λ_i]的区间内；亚像素光谱射线从(i,j)像素点投射并与场景中的复杂目标的多个面元相交，在第n个面元M_n处被反射，射线在反射后与第n+1个面元相交于M_n+1；则L(i,j,λ_i)通过如下算法递归计算：

S71、初始条件的主射线为：L₀(i,j,λ_i)＝0；k₀＝1；

S72、第n+1阶递归为：

L_n+1(i,j,λ_i)＝L_n(i,j,λ_i)+k_n·[τ_atmo([Q_n,M_n+1],λ_i)·L_local(M_n+1,λ_i)

；

+(1-α(M_n+1,λ_i))·L_atmo([Q_n,M_n+1],λ_i)

对于M_n+1处的反射射线为：

k_n+1＝k_n·τ_atmo([Q_n,M_n+1],λ_i)·ρ_g(M_n+1,λ_i)

；

Q_n+1＝M_n+1

其中，n为递归深度；Q_n为探测器位置或者上一次反射点；L_n+1(i,j,λ_i)为探测器接收到的第n+1阶累计辐射亮度，在波长[λ_i-1,λ_i]区间积分；L_n(i,j,λ_i)为探测器接收到的第n阶累计辐射亮度，在波长[λ_i-1,λ_i]区间积分；k_n+1为第n+1阶递归系数；k_n为第n阶递归系数；L_atmo([Q_n,M_n+1],λ_i)为光程(M_n,M_n+1)中大气程辐射，在波长[λ_i-1,λ_i]区间积分；τ_atmo([Q_n,M_n+1],λ_i)为光程(M_n,M_n+1)的大气透过率，在波长[λ_i-1,λ_i]区间积分；L_local(M_n+1,λ_i)为M_n+1辐射和反射的辐射亮度，在波长[λ_i-1,λ_i]区间积分；α(M_n+1,λ_i)为M_n+1处的透明系数，在波长[λ_i-1,λ_i]区间积分；如果面元为不透明的，则表面透过率的值α(M_n+1,λ_i)为0；

S73、在探测器网格上像素点(i,j)的入射辐射亮度为：

$L\left(i,j,{\mathrm{\λ}}_i\right)=\frac{1}{S_{i,j}}\underset{ofthepixel\left(i,j\right)}{\underset{sub-pixels\left(k,j\right)}{\mathrm{\Σ}}}L\left(k,l,{\mathrm{\λ}}_i\right)\·S_{k,l};$

其中，L(k,l,λ_i)为在亚像素(k,l)处的入射辐射亮度，在波长[λ_i-1,λ_i]区间积分；S_k,l为亚像素(k,l)的面积；S_i,j为像素(i,j)的面积。