CN114676379B - 高超声速巡航飞行器整体红外辐射特性计算方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高超声速巡航飞行器整体红外辐射特性计算方法及装置，所述方法包括获取所述高超声速巡航飞行器弹体温度分布；获取所述高超声速巡航飞行器弹体红外辐射强度；获取所述高超声速巡航飞行器尾焰流场分布；确定所述高超声速巡航飞行器尾焰计算区域；根据FVM模型原理对尾焰进行空间划分和角度划分并获取所述高超声速巡航飞行器尾焰表面微体外表面红外辐射亮度；获取所述高超声速巡航飞行器在不同探测器像元内的整体红外辐射强度。本发明的方法通过结合探测器分辨率综合计算弹体和尾焰红外辐射强度，得到不同探测像元内目标整体红外辐射特性，可以为开展目标红外遥感探测技术研究提供重要支撑。

Description

高超声速巡航飞行器整体红外辐射特性计算方法及装置
技术领域
本发明涉及红外遥感探测技术领域，尤其涉及一种高超声速巡航飞行器整体红外辐射强度计算方法及装置。
背景技术
高超声速巡航飞行器以超燃冲压发动机提供动力，在约30km左右高度的临近空间以超过5Ma的速度高速巡航，具有速度快、机动性强和突防能力强的特点。在临近空间高速机动时，气动热力学效应会使飞行器蒙皮急剧升温，同时超燃冲压发动机持续喷射高温尾焰，导致高超声速巡航飞行器持续发出剧烈的红外辐射。
准确掌握高超声速巡航飞行器红外辐射特性，对目标特性分析和遥感探测技术研究均具有重要价值。高超声速巡航飞行器红外辐射主要源自高温弹体和尾焰两部分，且由于机动速度快，尾焰比较狭长。从较远距离对高超声速巡航飞行器进行遥感探测时，由于探测距离和分辨率等原因，一般难以区分弹体和尾焰，而是以二者整体红外辐射作为探测对象；同时，由于飞行器尾焰尺寸较为狭长，可能会超过单个像元视场范围。
现有技术1：一种高超声速飞行器红外辐射特性快速渲染方法（CN 109934924A）提出一种高超声速飞行器表面红外辐射特性数值计算和渲染方法。该技术主要完成以下工作，首先建立高超声速飞行器三维几何模型，进行典型工况下的物理场解算，获取飞行器表面的温度场数据；完成温度场数据的异构插值，实现温度场数据的稀疏化；根据插值得到的飞行器表面温度场数据进行红外物理场解算，计算飞行器表面的红外辐射。该技术方案的问题在于，工作主要集中于飞行器弹体表面红外辐射亮度计算，没有计算目标弹体红外辐射强度，此外，该技术没有涉及目标尾焰红外辐射特性的计算。无法为遥感探测提供高超声速巡航飞行器整体红外辐射数据。
现有技术2：一种高超声速目标表面动态温度建模方法（CN108255781A）,提出一种高超声速目标表面温度建模仿真方法，利用数值仿真方法，耦合计算高超声速目标表面动态温度。但是该技术仅计算了弹体表面温度分布，没有涉及目标红外辐射特性的计算，同样也没有涉及尾焰流场和辐射特性的计算。
现有技术3：何苹 等的论文《临近空间高超声速飞行器红外辐射特性分析》， 给出了一种综合考虑弹体和尾焰红外辐射贡献的高超声速目标整体红外辐射特性计算方法。但是相关研究存在以下问题：一是使用弹体驻点区域平衡温度作为飞行器表面温度，而实际上弹体非驻点区域温度较低，特别是远离驻点区域的温度远低于驻点温度，简单使用驻点温度作为飞行器表面温度会带来较大误差；二是，尾焰流场分布计算过于简化，假设尾焰有三段规则立体组成（如图所示），并假设同一段内温度和亮度相同，这与真实尾焰流场分布具有较大差异，因而会引入较大误差，此外该研究假设尾焰红外辐射光谱分布在2.4~3.1μm、4.1~4.2μm和4.3~4.5μm三个主要辐射谱段内为灰体，并认为发射率为0.5，没有考虑尾焰红外辐射具体的光谱分布特性，故而其对高超声速巡航飞行器整体红外辐射特性的计算精度较低，难以满足红外遥感对目标红外辐射特性模拟准确度的要求。图1为现有技术3中涉及的飞行器尾焰三段简化模型示意图。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种高超声速巡航飞行器整体红外辐射强度计算方法及装置，所述方法及装置，用以解决现有技术中无法准确计算红外探测时高超声速巡航飞行器整体红外辐射特性等问题，进而为合理推断最佳探测波段、确定探测技术提供数据支撑。
根据本发明的第一方面，提供一种高超声速巡航飞行器整体红外辐射强度计算方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S101：获取所述高超声速巡航飞行器弹体温度分布，包括：获取所述高超声速巡航飞行器弹体气动加热效应；计算所述高超声速巡航飞行器弹体温度分布；
步骤S102：获取所述高超声速巡航飞行器弹体红外辐射强度，包括：将所述高超声速巡航飞行器弹体分割为多个弹体表面微元；计算每个所述弹体表面微元的红外辐射强度；计算所述高超声速巡航飞行器弹体的红外辐射强度；
步骤S103：获取所述高超声速巡航飞行器尾焰流场分布，包括：将所述高超声速巡航飞行器的尾焰区域划分为多个计算网格；计算所述高超声速巡航飞行器尾焰流场分布；
步骤S104：获取尾焰红外辐射强度计算区域信息，包括：根据探测器分辨率和高超声速巡航飞行器尾焰流场划分尾焰流场计算区域；
步骤S105：获取所述高超声速巡航飞行器尾焰外表面微面元红外辐射亮度，包括：对尾焰进行空间划分和角度划分，并计算最外层控制体外表面的辐射亮度，即尾焰外表面微面元红外辐射亮度；
步骤S106：获取所述高超声速巡航飞行器在不同探测像元的整体红外辐射强度，包括：基于探测器分辨率确定每个像元对应的尾焰计算区域；根据所述尾焰外表面微面元红外辐射亮度，计算所述高超声速巡航飞行器在不同探测像元的整体红外辐射强度。
根据本发明第二方面，提供一种高超声速巡航飞行器整体红外辐射强度计算装置，所述装置包括：
温度分布获取模块：配置为获取所述高超声速巡航飞行器弹体温度分布，包括：获取所述高超声速巡航飞行器弹体气动加热效应；计算所述高超声速巡航飞行器弹体温度分布；
第一辐射强度获取模块：配置为获取所述高超声速巡航飞行器弹体红外辐射强度，包括：将所述高超声速巡航飞行器弹体分割为多个弹体表面微元；计算每个所述弹体表面微元的红外辐射强度；计算所述高超声速巡航飞行器弹体的红外辐射强度；
流场分布获取模块：配置为获取所述高超声速巡航飞行器尾焰流场分布，包括：将所述高超声速巡航飞行器的尾焰区域划分为多个计算网格；计算所述高超声速巡航飞行器尾焰流场分布；
计算区域确定模块：配置为获取尾焰红外辐射强度计算区域信息，包括：根据探测器分辨率和高超声速巡航飞行器尾焰流场划分尾焰流场计算区域；
红外辐射亮度获取模块：配置为获取所述高超声速巡航飞行器尾焰外表面微面元红外辐射亮度，包括：对尾焰进行空间划分和角度划分，并计算最外层控制体外表面的辐射亮度，即尾焰外表面微面元红外辐射亮度；
第二辐射强度获取模块：配置为获取所述高超声速巡航飞行器在不同探测像元的整体红外辐射强度，包括：基于探测器分辨率确定每个像元对应的尾焰计算区域；根据所述尾焰外表面微面元红外辐射亮度，计算所述高超声速巡航飞行器在不同探测像元的整体红外辐射强度。
根据本发明的上述方案，本发明的方法，提供了一种临近空间高超声速巡航飞行器整体红外辐射特性计算方法，包括飞行器弹体温度分布计算、弹体红外辐射特性计算、尾焰流场分布计算、尾焰红外辐射特性计算和整体红外辐射计算五部分工作。本发明通过综合计算弹体和尾焰红外辐射强度，得到红外探测时不同探测器像元中目标整体红外辐射特性，可以为开展目标红外遥感探测技术研究提供重要支撑。本发明可以应用于高超声速飞行器特性分析、红外物理、遥感探测技术领域。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明提供如下附图进行说明。在附图中：
图1为现有技术的飞行器尾焰三段简体模型示意图；
图2为本发明一个实施方式的高超声速巡航飞行器整体红外辐射强度计算流程示意图；
图3为本发明一个实施方式的计算原理示意图；
图4为本发明一个实施方式的三维流场计算几何模型示意图；
图5为本发明一个实施方式的三维流场网格划分示意图；
图6为本发明一个实施方式的尾焰温度二维分布云图；
图7为本发明一个实施方式的尾焰H2O组分质量分数分布云图；
图8为本发明一个实施方式的尾焰三维温度分布云图；
图9为本发明一个实施方式的空间和角度离散示意图；
图10为本发明一个实施方式计算得到的典型高超声速巡航飞行器整体红外辐射强度计算结果；
图11为本发明一个实施方式的高超声速巡航飞行器整体红外辐射强度计算装置结构框图。
具体实施方式
定义：
临近空间：临近空间(Near Space)是指距地面20～100km的空域，包括大气平流层区域(距地面18～55km的空域)、大气中间层区域(距地面55～85km的空域)和小部分增温层区域(距地面85～800km的空域)，该区域的特点是空气相对稀薄，气象比较稳定。
高超声速：速度超过5倍声速。
高超声速巡航飞行器：高超声速巡航飞行器是一种飞行速度超过5马赫，能够在临近空间持续高速巡航的飞行器，此类飞行器通常以超燃冲压发动机提供动力。
热流密度：热流密度指的是单位时间内通过单位面积传递的热量。热流密度工程计算分为驻点区和非驻点区计算。驻点是指气流处于滞止状态的位置，通常为飞行器最前端处，该位置的热流密度就是驻点热流密度，驻点以外部分的热流密度为非驻点区热流密度。
首先结合图2-图3说明本发明一个实施方式的高超声速巡航飞行器整体红外辐射强度计算方法流程。如图2-图3所示，所述方法包括以下步骤：
步骤S101：获取所述高超声速巡航飞行器弹体温度分布，包括：获取所述高超声速巡航飞行器弹体气动加热效应；计算所述高超声速巡航飞行器弹体温度分布；
步骤S102：获取所述高超声速巡航飞行器弹体红外辐射强度，包括：将所述高超声速巡航飞行器弹体分割为多个弹体表面微元；计算每个所述弹体表面微元的红外辐射强度；计算所述高超声速巡航飞行器弹体的红外辐射强度；
步骤S103：获取所述高超声速巡航飞行器尾焰流场分布，包括：将所述高超声速巡航飞行器的尾焰区域划分为多个计算网格；计算所述高超声速巡航飞行器尾焰流场分布；
步骤S104：获取尾焰红外辐射强度计算区域信息，包括：根据探测器分辨率和高超声速巡航飞行器尾焰流场划分尾焰流场计算区域；
步骤S105：获取所述高超声速巡航飞行器尾焰外表面微面元红外辐射亮度，包括：对尾焰进行空间划分和角度划分，并计算最外层控制体外表面的辐射亮度，即尾焰外表面微面元红外辐射亮度；
步骤S106：获取所述高超声速巡航飞行器在不同探测像元的整体红外辐射强度，包括：基于探测器分辨率确定每个像元对应的尾焰计算区域；根据所述尾焰外表面微面元红外辐射亮度，计算所述高超声速巡航飞行器在不同探测像元的整体红外辐射强度。
所述步骤S101：获取所述高超声速巡航飞行器弹体气动加热效应，包括：
步骤S1011：计算所述高超声速巡航飞行器弹体驻点区热流密度，计算方法为：
(公式1)
其中， q ws 为驻点区热流密度，量纲为kW/m2， w表示壁面数值， s表示驻点数值； R N 为目标弹体头部曲率半径， γ ∞ =1.4， γ为比热， h r 为气流恢复焓， h δ 为壁面焓， h c 为弹体表面300k时的焓， ρ ∞ 为来流密度， V ∞ 为来流速度。
步骤S1012：计算所述高超声速巡航飞行器弹体非驻点区热流密度，计算方法为：
计算半球模型非驻点区域热流密度：
      （公式2）
其中， l表示壁面参数， q wl 为非驻点区热流密度， θ为从体轴侧起的圆心角， Ma ∞ 为来流马赫数， γ ∞ =1.4。
   (公式3)
计算圆锥曲面非驻点区域热流密度：
     （公式4）
其中， θ c 为半锥角，  x’为从虚构的锥顶点量起的沿表面的距离， R N 为弹体头部球面半径，x为由球头驻点量起的沿弹实体的表面距离。
  (公式5)
  (公式6)
所述步骤S101：计算所述高超声速巡航飞行器弹体温度分布，包括：
      （公式7）
其中，表示时间，为第 i个计算截面处的热流密度，为所述高超声速巡航飞行器时刻后第 i个计算截面处的弹体壁面温度，为时刻前壁面温度，为黑体辐射常数，为发射率，所述高超声速巡航飞行器的弹体材料密度为，比热为，材料厚度为。
本实施例中，通过前后温度的关系递推该点处温度和时间的变化关系，进而计算弹体壁面温度分布规律。
所述步骤S102：获取所述高超声速巡航飞行器弹体红外辐射强度，包括：将所述高超声速巡航飞行器弹体分割为多个弹体表面微元；计算每个所述弹体表面微元的红外辐射强度；计算所述高超声速巡航飞行器弹体的红外辐射强度。
所述步骤S102：计算每个所述弹体表面微元的红外辐射强度，包括：计算各个弹体表面微元在探测方向的红外辐射强度：
       （公式8）
其中，为微元面积，为光谱发射率，是黑体的光谱辐射出射度，为微元法线方向与探测方向夹角；所述表面微元为一平面，该平面上物理性质不变，具有相同温度、红外辐射出射度。
 （公式9）
其中，是黑体的光谱辐射出射度，单位为；是波长，单位为；T是绝对温度，单位为K； h为普朗克常数，
h=6.624×10-34J·s；c是光速，单位为 m/s,取c=3×108 m/s；k是玻尔兹曼常数，单位为； c 1 是第一辐射常数，c1=(3.7415±0.0003)×108，单位为； c 2 是第二辐射常数，c2=(1.43879±0.00019)×104，单位为。
所述步骤S102：计算所述高超声速巡航飞行器弹体的红外辐射强度，其中：
计算整个弹体表面在探测方向的综合红外辐射强度
     （公式10）
其中，为弹体表面在探测方向的综合红外辐射强度，n为弹体表面微元的个数，为第i个弹体表面微元的面积，为光谱发射率，为第i个弹体表面微元法线方向与计算方向的夹角。
所述步骤S103：将所述高超声速巡航飞行器的尾焰计算区域划分为多个计算网格，其中：
本实施例中，划分网格是数值计算的基础操作，数值计算的基本思路是将某一大的区域划分为多个小区域，然后假设每个小区域内所有物理性质相同，然后计算各个小区域的物理量（如温度），进而得到整个大区域的物理量（如温度分布）。网格划分完成后，在后续计算中假设同一个小网格内所有物理量相同。网格划分需要考虑计算精度和效率两个方面，网格越稀疏计算效率越高，但是与实际情况偏差越大，导致精度越低，网格越稠密，精度越高，但是计算量也越大。所以网格划分基本原则是，物理量变化快（梯度大）的区域划分密，网格小，变化慢的区域划分稀疏，网格小。
如图4所示，使用SpaceClaim软件构建尾焰流场计算区域几何模型，根据尾焰流场计算需要，首先绘制计算区域基本轮廓，本实施例的基本轮廓为预估的尾焰喷射到空气中的大致区域。然后完成面填充，最终调整尺寸完成几何模型构建，图4为三维模型。
如图5所示，使用ICEM软件读取SpaceClaim软件构建的几何模型，然后，通过定义Part，创建流场计算区域Block，根据流场梯度变化设置边节点分布，最终生成尾焰流场计算网格。图5分别为喷管出口附近流场二维和三维网格划分结果。
所述步骤S103：计算所述高超声速巡航飞行器尾焰流场分布，包括：
导入所述高超声速巡航飞行器尾焰流场的网格数据，在FLUENT软件选择基于密度的求解器，采用双方程湍流模型，使用时间稳态隐式求解格式；
设置包括喷管入口、大气边界、喷管壁面边界的计算边界条件；设置各边界的类型和仿真参数；
在FLUENT软件中设置残差监视条件，完成所述高超声速巡航飞行器尾焰流场的初始化，通过迭代的方式，仿真计算得到所述高超声速巡航飞行器尾焰流场分布。
如图6-图8所示，分别为所述高超声速巡航飞行器尾焰流场分布结果。
所述步骤S104:根据探测器分辨率和高超声速巡航飞行器尾焰流场划分尾焰流场计算区域，包括：
计算探测器在高超声速巡航飞行器尾焰处的分辨率
其中，dp为探测器在高超声速巡航飞行器尾焰处的分辨率，d为探测器单像元尺寸，f为探测器焦距，L为探测器与高超声速巡航飞行器尾焰之间的距离；
根据尾焰尺寸Lp与分辨率dp之间关系划分尾焰流场计算区域：
，Np为尾焰尺寸与分辨率的比值向上取整所得的整数；
将尾焰划分为Np个计算区域，前Np-1个计算区域尺寸均为dp，第Np个计算区域尺寸为。
所述步骤S105：利用FVM模型计算所述高超声速巡航飞行器尾焰流场外表面微面元红外辐射亮度，包括：
对整个尾焰区域和4π空间分别进行空间离散和角度离散，所述空间离散是指将整个尾焰区域离散为互不重叠的控制体积VP；所述角度离散是指将4π空间离散为互不重叠的控制立体角Ωm，所述空间离散是指把整个尾焰区域划分为多个子部分，每个子部分为一个控制体；所述角度离散是指对于每个控制体，再考虑方向离散，即将连续的4π空间，划分为多个立体角，每个立体角为一个控制角，如图9所示。
在控制体积VP和控制立体角Ωm内对辐射传递方程式积分，并运用高斯公式，可得辐射能量守恒方程的有限体积表达式为：
（公式11）
其中，λ为波长，单位μm， 为控制体环表面c上第m个控制角波长λ处的光谱辐射亮度，sm为方向矢量，表示第m个控制角的中心，nj为控制体外表面单位法矢量，Ac为环表面c的面积微元，为第m个控制角方向的立体角微元， 指第p个微控制体；是介质在位置s处波长λ处的光谱吸收系数，是空间位置s传输方向波长λ处的光谱辐射亮度， 为黑体在空间位置s波长λ处的光谱辐射强度， 为介质在位置s处波长λ处的光谱散射系数； 是光谱散射相函数， 为第m个控制角方向的立体角微元；所述立体角微元是指在立体角的角度内，物理量不变。本实施例中，将所述计算区域划分，得到若干控制体。参见图9，有限体积法的基本思路是将计算区域划分为若干个小的控制体，每个控制体是立方体，然后分别针对每个控制体，并依据该控制体能量守恒建立方程，控制体环表面可以理解为立方体的外表面，公式11是对这个控制体的表达。
迭代求解有限体积模型方程组，就可以得到每个控制体在每个控制角的光谱辐射亮度。所述有限体积模型方程组采用本领域的常规模型。
获取的最外层控制体的外表面红外辐射亮度即为尾焰外表面微面元红外辐射亮度。
所述步骤S106：获取所述高超声速巡航飞行器在不同探测像元的整体红外辐射强度，包括：基于探测器分辨率确定计算区域；计算所述高超声速巡航飞行器整体红外辐射强度，其中：
将所述高超声速巡航飞行器作为探测目标，根据尾焰尺寸和探测器分辨率关系确定目标红外辐射计算区域，如果探测器分辨率大于尾焰尺寸，则整个尾焰都作为计算区域；如果分辨率小于尾焰尺寸，则分区域计算尾焰辐射，每次的计算区域，为每个像素的分辨率范围。
本实施例中，一般情况下，对高超声速巡航飞行器进行红外遥感时，探测器分辨率一般在100m~1000m之间（如位于地球同步轨道的美国SBIRS红外预警卫星分辨率约为1000m，近距离轨道探测器分辨率相对较高），高超声速飞行器弹体尺寸一般为米级，尾焰尺寸受飞行条件影响，典型条件下可达百米甚至千米级。因此，在计算尾焰整体红外辐射强度时，需要根据探测器分辨率和尾焰尺寸确定尾焰计算区域，如果尾焰尺寸小于探测器分辨率，则弹体和全部尾焰区域的红外辐射作为目标整体红外辐射；如果尾焰尺寸大于分辨率，则取分辨率尺寸的尾焰和弹体作为整体红外辐射的第一区域，即主像元探测区域，并依次确定尾焰第二、第三像元探测区域。
所述步骤S106，包括：
计算探测目标在探测方向主像元探测范围内的整体红外辐射强度，所述主像元即为第一像元：
      （公式12）
其中，λ为波长，单位为μm， I λt1 为所述探测目标在探测方向的主像元整体红外辐射强度， 为所述探测目标弹体在该方向的红外辐射强度， 为目标主像元内尾焰部分在该方向的红外辐射强度；
其中，n11表示尾焰第一个计算区域外表面微面元起始序号，n1N表示尾焰第一个计算区域外表面面源结束序号，Lk,λ为获取的尾焰第k个外表面微面元在探测方向在波长为λ处的光谱辐射亮度，θk为尾焰第k个外表面微面元法线方向与探测方向的夹角，ΔAk为第k个外表面微面元的面积；
基于所述尾焰流场计算区域，计算非主像元的第i像元探测范围内高超声速巡航飞行器红外辐射强度：
（公式13）
其中， I λti 为非主像元的第i像元探测范围内高超声速巡航飞行器红外辐射强度，ni1表示尾焰第i个计算区域外表面微面源起始序号，niN表示尾焰第i个计算区域外表面微面源结束序号，Lk,λ为获取的尾焰第k个外表面微面元在探测方向在波长为λ处的光谱辐射亮度，θk为尾焰第k个外表面微面元法线方向与探测方向的夹角，ΔAk为第k个外表面微面元的面积。
本发明典型条件下目标弹体、尾焰和整体红外辐射计算结果如图10所示。
本发明实施例进一步给出一种高超声速巡航飞行器整体红外辐射强度计算装置，如图11所示，所述装置包括：
温度分布获取模块：配置为获取所述高超声速巡航飞行器弹体温度分布，包括：获取所述高超声速巡航飞行器弹体气动加热效应；计算所述高超声速巡航飞行器弹体温度分布；
第一辐射强度获取模块：配置为获取所述高超声速巡航飞行器弹体红外辐射强度，包括：将所述高超声速巡航飞行器弹体分割为多个弹体表面微元；计算每个所述弹体表面微元的红外辐射强度；计算所述高超声速巡航飞行器弹体的红外辐射强度；
流场分布获取模块：配置为获取所述高超声速巡航飞行器尾焰流场分布，包括：将所述高超声速巡航飞行器的尾焰区域划分为多个计算网格；计算所述高超声速巡航飞行器尾焰流场分布；
计算区域确定模块：配置为获取尾焰红外辐射强度计算区域信息，包括：根据探测器分辨率和高超声速巡航飞行器尾焰流场划分尾焰流场计算区域；
红外辐射亮度获取模块：配置为获取所述高超声速巡航飞行器尾焰外表面微面元红外辐射亮度，包括：对尾焰进行空间划分和角度划分，并计算最外层控制体外表面的辐射亮度，即尾焰外表面微面元红外辐射亮度；
第二辐射强度获取模块：配置为获取所述高超声速巡航飞行器在不同探测像元的整体红外辐射强度，包括：基于探测器分辨率确定每个像元对应的尾焰计算区域；根据所述尾焰外表面微面元红外辐射亮度，计算所述高超声速巡航飞行器在不同探测像元的整体红外辐射强度。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机装置(可以是个人计算机，实体机服务器，或者网络云服务器等，需安装Ubuntu操作系统)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种高超声速巡航飞行器整体红外辐射强度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S101：获取所述高超声速巡航飞行器弹体温度分布，包括：获取所述高超声速巡航飞行器弹体气动加热效应；计算所述高超声速巡航飞行器弹体温度分布；
步骤S102：获取所述高超声速巡航飞行器弹体红外辐射强度，包括：将所述高超声速巡航飞行器弹体分割为多个弹体表面微元；计算每个所述弹体表面微元的红外辐射强度；计算所述高超声速巡航飞行器弹体的红外辐射强度；
步骤S103：获取所述高超声速巡航飞行器尾焰流场分布，包括：将所述高超声速巡航飞行器的尾焰区域划分为多个计算网格；计算所述高超声速巡航飞行器尾焰流场分布；
步骤S104：获取尾焰红外辐射强度计算区域信息，包括：根据探测器分辨率和高超声速巡航飞行器尾焰流场划分尾焰流场计算区域；
步骤S105：获取所述高超声速巡航飞行器尾焰外表面微面元红外辐射亮度，包括：对尾焰进行空间划分和角度划分，并计算最外层控制体外表面的辐射亮度，即尾焰外表面微面元红外辐射亮度；
步骤S106：获取所述高超声速巡航飞行器在不同探测像元的整体红外辐射强度，包括：基于探测器分辨率确定每个像元对应的尾焰计算区域；根据所述尾焰外表面微面元红外辐射亮度，计算所述高超声速巡航飞行器在不同探测像元的整体红外辐射强度，其中：
将所述高超声速巡航飞行器作为探测目标，根据尾焰尺寸和探测器分辨率关系确定目标红外辐射计算区域，如果探测器分辨率大于尾焰尺寸，则整个尾焰都作为计算区域；如果分辨率小于尾焰尺寸，则分区域计算尾焰辐射，每次的计算区域，为每个像素的分辨率范围；如果尾焰尺寸小于探测器分辨率，则弹体和全部尾焰区域的红外辐射作为目标整体红外辐射；如果尾焰尺寸大于分辨率，则取分辨率尺寸的尾焰和弹体作为整体红外辐射的第一区域，即主像元探测区域，并依次确定尾焰第二、第三像元探测区域。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S101中的获取所述高超声速巡航飞行器弹体气动加热效应，包括：
步骤S1011：计算所述高超声速巡航飞行器弹体驻点区热流密度，计算方法为：
其中，qws为驻点区热流密度，量纲为kW/m2，w表示壁面数值，s表示驻点数值；RN为目标弹体头部曲率半径，γ∞＝1.4，γ为比热，hr为气流恢复焓，hδ为壁面焓，hc为弹体表面300k时的焓，ρ∞为来流密度，V∞为来流速度；
步骤S1012：计算所述高超声速巡航飞行器弹体非驻点区热流密度。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S101中的计算所述高超声速巡航飞行器弹体温度分布，包括：
其中，τ表示时间，qi为第i个计算截面处的热流密度，为所述高超声速巡航飞行器τ时刻后第i个计算截面处的弹体壁面温度，为τ时刻前壁面温度，σ为黑体辐射常数，ε为发射率，所述高超声速巡航飞行器的弹体材料密度为ρm，比热为cpm，材料厚度为dm。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S102中的计算每个所述弹体表面微元的红外辐射强度，包括：计算各个弹体表面微元在探测方向的红外辐射强度：
其中，A为微元面积，ελ为光谱发射率，是黑体的光谱辐射出射度，θ为微元法线方向与探测方向夹角；所述表面微元为一平面，该平面上物理性质不变，具有相同温度、红外辐射出射度。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S102中的计算所述高超声速巡航飞行器弹体的红外辐射强度，其中：
计算整个弹体表面在探测方向的综合红外辐射强度
其中，Iλ为弹体表面在探测方向的综合红外辐射强度，n为弹体表面微元的个数，Ai为第i个弹体表面微元的面积，ελ为光谱发射率，θi为第i个弹体表面微元法线方向与计算方向的夹角。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S103中的计算所述高超声速巡航飞行器尾焰流场分布，包括：
导入所述高超声速巡航飞行器尾焰流场的网格数据，选择基于密度的求解器，采用k-ε双方程湍流模型，使用时间稳态隐式求解格式；
设置包括喷管入口、大气边界、喷管壁面边界的计算边界条件；设置各边界的类型和仿真参数；
设置残差监视条件，完成所述高超声速巡航飞行器尾焰流场的初始化，通过迭代的方式，仿真计算得到所述高超声速巡航飞行器尾焰流场分布；
所述步骤S104中的根据探测器分辨率和高超声速巡航飞行器尾焰流场划分尾焰流场计算区域，包括：
计算探测器在高超声速巡航飞行器尾焰处的分辨率
其中，dp为探测器在高超声速巡航飞行器尾焰处的分辨率，d为探测器单像元尺寸，f为探测器焦距，L为探测器与高超声速巡航飞行器尾焰之间的距离；
根据尾焰尺寸Lp与分辨率dp之间关系划分尾焰流场计算区域：
Np为尾焰尺寸与分辨率的比值向上取整所得的整数；
将尾焰划分为Np个计算区域，前Np-1个计算区域尺寸均为dp，第Np个计算区域尺寸为LP-(Np-1)dp。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S105中的对尾焰进行空间划分和角度划分，并计算最外层控制体外表面的辐射亮度，即尾焰外表面微面元红外辐射亮度，包括：
对整个尾焰区域和4π空间分别进行空间离散和角度离散，所述空间离散是指将整个尾焰区域离散为互不重叠的控制体积VP；所述角度离散是指将4π空间离散为互不重叠的控制立体角Ωm，所述空间离散是指把整个尾焰区域划分为多个子部分，每个子部分为一个控制体；所述角度离散是指对于每个控制体，再考虑方向离散，即将连续的4π空间，划分为多个立体角，每个立体角为一个控制角；
针对每个控制体的各个立体角建立能量守恒方程组；
迭代求解方程组，得到整个尾焰所有最外层控制体外表面在每个控制角的光谱辐射亮度，即获取了尾焰外表面微面元的光谱辐射亮度。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S106中的计算所述高超声速巡航飞行器在不同探测像元的整体红外辐射强度，包括：
计算探测目标在探测方向主像元探测范围内的整体红外辐射强度，所述主像元即为第一像元：
Iλt1＝Iλb+Iλp1         (公式12)
其中，λ为波长，单位为μm，Iλt1为所述探测目标在探测方向的主像元整体红外辐射强度，Iλb为所述探测目标弹体在该方向的红外辐射强度，Iλp1为目标主像元内尾焰部分在该方向的红外辐射强度；
其中，n11表示尾焰第一个计算区域外表面微面元起始序号，n1N表示尾焰第一个计算区域外表面面源结束序号，Lk,λ为获取的尾焰第k个外表面微面元在探测方向在波长为λ处的光谱辐射亮度，θk为尾焰第k个外表面微面元法线方向与探测方向的夹角，ΔAk为第k个外表面微面元的面积；
基于所述尾焰流场计算区域，计算非主像元的第i像元探测范围内高超声速巡航飞行器红外辐射强度：
其中，Iλti为非主像元的第i像元探测范围内高超声速巡航飞行器红外辐射强度，ni1表示尾焰第i个计算区域外表面微面源起始序号，niN表示尾焰第i个计算区域外表面微面源结束序号，Lk,λ为获取的尾焰第k个外表面微面元在探测方向在波长为λ处的光谱辐射亮度，θk为尾焰第k个外表面微面元法线方向与探测方向的夹角，ΔAk为第k个外表面微面元的面积。
9.一种高超声速巡航飞行器整体红外辐射强度计算装置，其特征在于，所述装置包括：
温度分布获取模块：配置为获取所述高超声速巡航飞行器弹体温度分布，包括：获取所述高超声速巡航飞行器弹体气动加热效应；计算所述高超声速巡航飞行器弹体温度分布；
第一辐射强度获取模块：配置为获取所述高超声速巡航飞行器弹体红外辐射强度，包括：将所述高超声速巡航飞行器弹体分割为多个弹体表面微元；计算每个所述弹体表面微元的红外辐射强度；计算所述高超声速巡航飞行器弹体的红外辐射强度；
流场分布获取模块：配置为获取所述高超声速巡航飞行器尾焰流场分布，包括：将所述高超声速巡航飞行器的尾焰区域划分为多个计算网格；计算所述高超声速巡航飞行器尾焰流场分布；
计算区域确定模块：配置为获取尾焰红外辐射强度计算区域信息，包括：根据探测器分辨率和高超声速巡航飞行器尾焰流场划分尾焰流场计算区域；
红外辐射亮度获取模块：配置为获取所述高超声速巡航飞行器尾焰外表面微面元红外辐射亮度，包括：对尾焰进行空间划分和角度划分，并计算最外层控制体外表面的辐射亮度，即尾焰外表面微面元红外辐射亮度；
第二辐射强度获取模块：配置为获取所述高超声速巡航飞行器在不同探测像元的整体红外辐射强度，包括：基于探测器分辨率确定每个像元对应的尾焰计算区域；根据所述尾焰外表面微面元红外辐射亮度，计算所述高超声速巡航飞行器在不同探测像元的整体红外辐射强度，其中：
将所述高超声速巡航飞行器作为探测目标，根据尾焰尺寸和探测器分辨率关系确定目标红外辐射计算区域，如果探测器分辨率大于尾焰尺寸，则整个尾焰都作为计算区域；如果分辨率小于尾焰尺寸，则分区域计算尾焰辐射，每次的计算区域，为每个像素的分辨率范围；如果尾焰尺寸小于探测器分辨率，则弹体和全部尾焰区域的红外辐射作为目标整体红外辐射；如果尾焰尺寸大于分辨率，则取分辨率尺寸的尾焰和弹体作为整体红外辐射的第一区域，即主像元探测区域，并依次确定尾焰第二、第三像元探测区域。
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