CN115438393A - 一种混合域红外辐射特性的仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合域红外辐射特性的仿真方法，包括：基于时频域混合红外辐射特性计算的自适应网格剖分方式，建立适用于温度场计算的三角形面片四面体剖分模型；进行大尺寸目标热现象时域计算，基于时域有限元算法完成内能传递的计算；采用基于高频近似的红外辐射强度计算方法，基于所述内能传递的计算结果，完成对红外参数的仿真计算。该方法不仅可以实现对大尺寸目标红外特性的高效准确求解，也可以实现对复杂环境及其与目标相互作用的准确分析。该方法可以在能量守恒的前提下，分析大尺寸目标复杂的热现象。不仅提高了仿真的计算精度，而且由于考虑了诸如依托背景、所在环境等多种因素，该方法能够分析更趋近于真实情况的场景。

Description

一种混合域红外辐射特性的仿真方法

技术领域

本发明涉及红外目标特性的技术领域，特别涉及一种混合域红外辐射特性的仿真方法。

背景技术

目前，红外探测系统由于具有较好的实时性、云层透视性等优点，已经在诸多领域得到了广泛的应用。主流的红外探测系统主要分为对陆探测和对海探测，分别对应着陆地背景和海洋背景。特别是在应急救援领域，无论是依托于复杂陆地背景对车辆的探测，还是基于均匀海洋背景对船舶等的探测，亦或是探测器对目标进行探测识别，复杂背景中红外目标特性研究，凭借其强烈的需求和广泛的应用价值，成为各国在科研领域中的热门研究课题。

为了分析目标的红外特性，主要有两种测量方法：第一种是对目标进行实时的测量，使用真实的目标和真实的依托场景得到测量结果。由于这是一种基于真实目标的测量方法，所以需要使用诸多红外传感器对目标及其依托的背景进行具体参数的测量，然后需要对实验数据进行统计分析，实现对具体目标的分析和背景特性的分析，实现对结果的规律性分析。虽然这种方法具有良好的精确性和可信度，但是这种方法需要经过大量的测量实验分析和对环境苛刻的要求才能达到对精确分析目标的目的，但是精确和大量重复的实验要求使得绝大多数场景无法直接测试，即使可以测量往往浪费资源。第二种是利用计算机技术的数值仿真，通过数值算法的手段和计算光学的理论方法对目标进行建模，其次建立依托环境的数学模型，对整体进行分析，通过计算目标的温度和亮度直接获得红外特性的数据。

相关技术中，对于物体尺寸的界定，一般将物体尺寸大于10个波长时称为大尺寸，而1-10个波长范围的称为中尺寸，小于1个波长时称为小尺寸。而大尺寸目标的红外特性研究与依托的背景有密切联系，常见的背景主要包括陆地背景、海洋背景和天空背景等。其中天空背景计算较为简单，可以将整个目标认为是处于自由空间当中，对复杂环境的考虑较少。对于陆地和海洋背景的考虑较为复杂。在陆地背景中，复杂的地形地貌、复杂的地表覆盖对应着不同的参数和辐射强度。因此目标在复杂陆地、海洋环境下的的红外特性相比于自由空间发生了显著的变化。在陆地上，由于外界的空气流动速度和方向是时变的，导致红外特性的计算不能单纯使用定值函数来表示。同样的，相比于陆地和自由空间，海面背景使得红外特性的计算更加复杂化。海面背景的仿真计算当中，虽然海面可以视为一个均匀的模型，但是海面上由于地球的潮汐运动形成了海浪，海浪的存在使得在计算分析的过程当中必须要引入随机函数。其次，海浪的传播会显著影响光路的传播，造成计算过程中，不同的面元和模型出现遮挡。第三，海面的运动需要使用没有定解的偏微分方程进行表达，求解偏微分方程是计算科学当中的难题，需要消耗大量计算资源和计算时间。不同地域、海情、时间等情形下的海面有着不同的红外参数对应着不同的反射率和发射率，所以使用函数关系式来对其完成定量化的表达有着十分重要的意义。

近年来由于数值仿真技术的不断发展，使得利用计算机分析目标红外特性成为了可能。计算机数值仿真技术不仅仅可以完成目标的定量化分析，同时可以有效对复杂的物理过程进行仿真计算，对物理现象进行揭示。现有的技术主要研究了基于高频近似算法的海面红外辐射模型，建立了海面辐射的窄带定量化分析公式。将计算结果结合于目标的表面辐射分布模型，主要实现探测系统中红外辐射强度的估计，完成在不同计算条件下红外成像特性的提取。其次，现有的方法主要集中于对电小尺寸例如芯片、电路等设备的红外特性分析，对大尺寸目标的分析能力仍然亟需改善。

为了获得趋近于真实场景的红外信息，就需要使用基于计算机的数值算法对目标的红外特性进行仿真计算，目前该类算法具有以下瓶颈：

中国专利文献：一种空间微动目标的红外辐射动态特性仿真方法，申请号CN202011290264.7；公开的算例考虑了飞行目标的红外辐射特征，由于飞行目标的尺寸较小，同时目标主要依托于自由空间为主的天空背景，对红外辐射特性的计算较为简单，无法直接完成依托于复杂背景的大尺寸目标计算。

中国专利文献：一种高超声速飞行器红外辐射特性快速渲染方法，专利号：CN201910128824.X；提出了一种高超声速飞行器红外辐射特性快速渲染方法，通过建立高超声速飞行器三维模型；对温度场进行插值；红外强度的插值计算；飞行器的红外辐射特性渲染来完成对飞行器的红外辐射特性进行快速的渲染。该方法虽然实现了高超声速飞行器红外特性的仿真，实现了红外特性的渲染，但依旧需要将温度进行插值来完成不同目标红外辐射特性的计算。插值法不可避免一些固有的缺点：第一，插值的精度取决于插值的离散密度，虽然高密度的离散插值会取得较好的精度，但是这种精度需要大量的计算资源和计算时间；第二，针对温度发生突然变化的面或棱角处，插值忽略了温度的突变，使得计算的结果变得不可信。其次，该方法是基于自由空间的计算方法，无法完成对复杂背景的计算。第三，该方法虽然对不同的温度进行了渲染，但是依旧无法进行红外参数的提取。

中国专利文献：一种实时天基红外视景仿真方法，专利号：CN201610950831.4；主要发明了一种实时天基红外视景仿真方法，通过使用仿真得到的辐射强度、地球辐射强度和大气辐射强度，使用天基卫星探测器将上述原始的辐射强度数据映射为红外成像数据，可以实时地完成对红外图像的提取。虽然该发明可以完成对天基探测系统的建模并考虑天空背景下的环境，但是该方法无法完成目标本身红外特性的计算，也无法完成复杂随机性依托背景的红外特性计算。

中国专利文献：一种目标与背景红外场景仿真的方法，申请号：CN201811394843.9；公开了一种目标与背景红外场景仿真的方法，该方法包括：获取目标与背景红外场景中的目标红外特征；根据所述目标的红外特征调整所述目标与背景红外场景中目标和背景的红外图像特征。该专利虽然可以从背景和目标的相互作用上分析背景对目标红外辐射的图像，但是无法对干扰和影响进行定量化的分析，同时无法完成对目标和背景辐射强度的计算。虽然可以得到红外的辐射序列，但是依然无法得到红外的辐射参数。

中国专利文献：基于多物理场耦合的红外诱饵弹动态辐射特性计算方法，申请号：CN201711218563.8；该发明提供了一种基于多物理场耦合的红外诱饵弹动态辐射特性计算方法，包括建立几何模型；模型网格划分；温度场分布；辐射亮度分布；完成计算。该发明虽然可以完成红外诱饵弹的红外辐射亮度，但该方法的计算过程仅局限于物体本身，忽略了周围的依托环境，没有考虑空气摩擦引起的热交换等现象。同时由于这是一个高频近似的方法，其计算仅仅对于窄带观测系统有效。第三，上述目标尺寸有限，将该方法直接应用到大尺寸目标的计算当中时，会导致计算时间和计算资源呈指数级增加。综上所述，由于未考虑依托背景和高频近似算法、窄带计算算法和尺寸过小等原因，该算法有明显的应用局限性。

中国专利文献：一种红外目标辐射场计算方法，申请号：CN201610551502.2；提供一种红外目标辐射场计算方法，包括：获取零视距红外辐射分布，获取目标反射的背景红外辐射亮度，获取目标总的红外辐射亮度及亮度分布，将目标总的红外辐射亮度分布进行灰度量化，并通过灰度图的形式呈现。该算法仅可以完成对已知背景和目标红外辐射强度的成像，无法完成红外辐射强度和其背景的量化计算。

综合来说，现有的专利文献有着以下的缺点：

1.只能针对有限尺寸的目标，最大尺寸仅仅为中尺寸目标。相对于大尺寸目标，其计算有效性会由于尺寸变大、网格变多受到显著的影响。

2.现有的方法仅仅考虑了单一的背景影响，无法完成对背景和目标的相互作用、背景对红外辐射的贡献进行定量化的分析，使计算结果出现较大程度的偏差。

3.现有的方法大部分都局限于天空背景，对于复杂陆地背景、海洋背景的研究有限，虽然有一些专利研究了陆地、海洋背景，但是考虑方法相对简单，忽略了背景的随机性从而影响了计算的可信度。

4.现有的专利大多数局限于红外图像序列的生成和红外灰度信息的提取，相对于红外辐射强度、红外辐射出射度等参数研究较少，无法结合复杂背景给出目标和背景各自的红外辐射特性。

因此，如何解决复杂背景的大尺寸目标红外辐射特性的精确仿真计算问题，同行从业人员亟需解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种混合域红外辐射特性的仿真方法，拟解决依托于复杂背景的大尺寸目标红外辐射特性精确仿真计算问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

本发明提供一种混合域红外辐射特性的仿真方法，包括以下步骤：

S1、基于时频域混合红外辐射特性计算的自适应网格剖分方式，建立适用于温度场计算的三角形面片四面体剖分模型；

S2、进行大尺寸目标热现象时域计算，基于时域有限元算法完成内能传递的计算；

S3、采用基于高频近似的红外辐射强度计算方法，基于所述内能传递的计算结果，完成对红外参数的仿真计算。

进一步地，所述步骤S1，包括：

S11、建立依托于背景的大尺寸目标的3D模型；

S12、导入所述3D模型后，对大尺寸目标和背景分别进行自适应网格剖分；

S13、利用剖分后的网格进行参数导入，采用独立网格参数设置；并基于加入所述3D模型的热源参数和热力学参数，完成初始计算条件的设置。

进一步地，所述步骤S12，包括：

S121、对含有精细结构的目标使用非均匀的精细网格，计算时将剖分进行并行化处理；

S122、基于依托背景相对于目标尺度较大和背景均匀的特性，使用并行化的均匀网格剖分方式。

进一步地，所述步骤S2中，基于时域有限元算法完成内能传递的计算，包括：目标热效应分析、背景和目标的热力学相互作用分析；

其中，所述目标热效应分析，包括：

通过使用如下第一公式，完成对大尺寸目标的热传递计算：

式中，t＝f(x,y,z)表示(x,y,z)位置处在t时刻的温度，τ表示对时间的积分，ρ为物质密度，a＝ξ/ρc_p为定义热扩散系数，c_p为比热容，热流密度矢量q表述为：q＝-ξgradT，ξ为材料导热系数张量，代表了物体导热能力的强度；

为目标体内内能增量；gradT为等温面产生的温度梯度；

通过使用如下第二公式完成对大尺寸目标的热辐射计算：

式中，各能量份额比数：α＝q_α/q、β＝q_β/q，γ＝q_γ/q分别称为该目标对投入辐射的吸收率，反射率和穿透率；

通过使用如下第三公式完成对大尺寸目标的热交换计算：

其中，定义两个表面，编号为T₁和T₂，cosθ₁为表面T₁对表面T₂的角系数，同样cosθ₂为表面T₂对表面T₁的角系数，X_1,2为表面T₁直接投射到表面T₂上的能量占表面T₁辐射能量的百分比，r为面片中心位置之间的距离；π为圆周率，d为两个平面T₁和T₂中心的距离，A₂为辐射面T₂对应的微元。

进一步地，所述背景和目标的热力学相互作用分析，包括：

目标或背景的红外特征由其内部传热机理和外部热交换决定，其中外部热交换条件的导热、对流和辐射均发生在物体的边界上，边界条件分四种情况：

①给定物体边界上任意时刻的温度分布，边界条件描述为

t_w＝f₁(x,y,z,τ),τ＞0 (8)

②给定物体边界上任何时刻的热流密度分布，边界条件描述为

w为两物体接触面边界处的位置，n为两物体接触面的法向量；

③给定物体边界与周围流体对流换热系数h以及周围流体温度t_f，根据物体壁面导热量与表面对流换热量相等，则

④给定周围环境温度t_f、表面入射辐射热流通量q_r以及边界材料表面辐射系数ε和吸收率α：

其中，t_w为给定物体边界上任意时刻的温度分布；f₁为第一类边界条件函数；f₂为第二类边界条件函数；h为边界与周围流体对流换热系数，t_f为周围流体温度，q_r为表面入射辐射热流通量，ε为边界材料表面辐射系数，α为吸收率；σ表示空间位置为速度边界层的外边缘点到壁面的距离，即：边界层的厚度。

进一步地，所述步骤S3，包括：

通过使用以下公式来完成：

式中，

为频段间辐射强度，通过积分求得；λ₁与λ₂为起始波长和终止波长，M为背景数目，ε(λ,T)为单色红外发射率，ρ(λ,T)为单色红外反射率，H_λj为来自第j个背景的单色有效辐射；于是得目标表面在λ₁-λ₂波段的红外辐射强度：

其中，Φ为红外辐射能量，c₁和c₂为第一与第二辐射常数，L为红外辐射强度；

为在波长λ₁时的辐射强度；

为在波长λ₂时的辐射强度。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明实施例提供的一种混合域红外辐射特性的仿真方法，该方法不仅可以实现对大尺寸目标红外特性的高效准确求解，也可以实现对复杂环境及其与目标相互作用的准确分析。通过使用本发明的仿真方法，可以在能量守恒的前提下，分析大尺寸目标复杂的热现象。该方法不仅提高了仿真的计算精度，而且由于考虑了诸如依托背景、所在环境等多种因素，该方法能够分析更趋近于真实情况的场景。此外，该方法解决了现有所有商业软件均无法直接得到红外参数的瓶颈性问题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的混合域红外辐射特性的仿真方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的混合域红外辐射特性的仿真方法总技术流程图；

图3为网格剖分中的模型、面片、网格、坐标和法矢量映射关系图；

图4为并行加速算法CPU与GPU数据交换映射图；

图5为波音737网格剖分图；

图6a为视角一的波音737飞行温度分布图；

图6b为视角二的波音737飞行温度分布图；

图7为经过GRICO运算后波音737辐射强度云图；

图8为经过GRICO运算后波音737辐射强度输出文件图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图1所示，本发明提供的一种混合域红外辐射特性的仿真方法，包括以下步骤：

S1、基于时频域混合红外辐射特性计算的自适应网格剖分方式，建立适用于温度场计算的三角形面片四面体剖分模型；

S2、进行大尺寸目标热现象时域计算，基于时域有限元算法完成内能传递的计算；

S3、采用基于高频近似的红外辐射强度计算方法，基于所述内能传递的计算结果，完成对红外参数的仿真计算。

为了更清楚的说明本发明的技术方案，对本发明技术方案中涉及到的技术步骤进行说明：

自适应网格剖分：针对目标和背景使用不同的网格进行计算前的剖分，由于目标和背景的红外特性存在明显区别，所以要在剖分前准确识别目标和背景，使得剖分的过程中背景和目标可以进行自适应剖分。为了精确完成对目标和背景的仿真计算，就需要在剖分的过程当中引入独立网格参数设置技术，在保证精度的前提下减少计算资源；

独立网格参数设置：由于目标当中含有精细结构，所以对目标使用非均匀的精细网格。同时由于目标尺寸非常大，计算时要使用基于显示卡的进程加速技术，将剖分进行并行化处理以提高算法的计算效率。由于依托背景相对于目标尺度较大，考虑到背景均匀的特性，所以使用了并行化的均匀网格剖分技术。要完成上述过程就需要对网格的参数分别进行设置，在不同的状态下使用不同尺度的网格进行剖分，这就需要引入独立网格参数设置技术；

热源与红外参数设置：虽然在上述过程中已经对目标和背景进行精确识别，并产生了相对应的计算网格，但是网格文件仅仅作为算法的输入文件，使用网格文件无法完成红外特性的计算。由于目标和背景是由不同材料构成的，这就导致了不同材料的热效应发生显著变化。为了解决上述问题就需要发展独立网格参数设置技术，将红外的网格参数赋值于不同的材料当中。同时，由于算法的基础原理是求解偏微分方程，所以需要设定初始值和边界条件；

时域有限元算法计算：热效应的求解需要使用偏微分方程来完成计算，得到的结果是不同网格处的温度分布。通过迭代使得算法收敛，完成最后的求解；

复杂背景时域计算：背景的随机性可以使用随机函数和偏微分方程来表示，所以求解定量背景和目标的相互作用和背景对红外辐射的影响同样需要使用基于时域有限元算法的偏微分方程进行求解；

温度文件生成与显示：将复杂背景方程和目标热效应求解方程进行联立求解，在满足稳定性条件算法有效的前提下，可以得到温度场的分布，输入到显示卡引擎当中就可以完成对温度的显示；

高频红外特性计算：将计算好的温度分布导入到基于显示卡的OpenGL当中，就可以得到渲染后的红外图像。使用高频近似算法进行计算，就可以得到红外参数从而进一步表现目标的红外辐射特性；

复杂背景高频近似频域计算：不同于目标的红外特性计算，对背景的计算需要再次考虑随机性的干扰，将干扰进行量化，定量分析背景对目标的影响。

红外参数计算：

通过上述方案，具体的实现步骤包含以下三点：

(1)：提出适用于时频域混合红外辐射特性计算方法的自适应网格剖分方法，有效建立适用于温度场计算的三角形面片四面体剖分模型。

将模型和背景的整体机械制图文件进行导入，输入粗细网格的参数对网格进行确认后，使用自适应剖分算法将目标和背景进行剖分，生成自适应网格剖分文件，文件中含有顶点坐标和单位朝向法矢量。将目标的红外参数对应到网格文件当中，包括了：材料热传导率、反射率、比热容、材料密度等等。其次，输入环境的相关变量风速、相对运动速度等。第三，设置合适的边界条件和热源参数。

(2)：进行大尺寸目标热现象时域计算，基于时域有限元算法的热现象计算方法，完成内能传递的计算；

使用时域有限元算法，从两个部分完成对问题的计算，包括：目标热效应分析、背景和目标的热力学相互作用。对于目标的热力学分析主要分析了三种现象：热交换、热传递和热辐射。在背景和目标相互作用分析当中引入随机函数，针对背景的随机性进行研究，可以提高求解例如海浪、风的变化等因素的可信性。使用时域有限元算法进行迭代求解，在保证稳定性条件限制下可以得到偏微分方程的稳态解，进一步得到温度分布。

(3)：提出基于高频近似的基于显示卡的计算红外学(Graphical InfraredComputing，GRICO)辐射强度计算方法，基于内能传递后的能量分布完成对红外参数的计算。

求解温度分布后，将温度和网格一一对应，输入到基于显示卡的OpenGL当中进行计算。使用基于GRICO的高频近似算法，考虑目标本身的红外辐射特性和背景红外辐射特性首先进行渲染，其次将数值提取进行自然光的照射，可以得到对应的红外参数。

总的技术流程如图2所示。

总的技术流程框图可以描述为三大部分，分别为建立基于三角形面片四面体剖分的温度场计算模型、使用时域有限元算法实现热现象计算和使用基于GRICO的高频近似算法计算红外参数。

第一步为建立基于三角形面皮四面体剖分的温度场计算模型，由于本发明实施例采用的是基于时域的有限元算法，依靠由三角形组成的四面体网格，所以就需要对网格进行剖分。当剖分大尺寸目标时，由于多尺度问题的存在，若采用统一网格进行剖分会显著增加运行的时间和计算的资源，所以提出一种适用于大尺寸目标计算的自适应网格剖分算法就显得尤为重要，根据不同的尺度从而选择对应的网格参数对非均匀大尺寸目标进行精确剖分。最后，需要对初始的计算条件进行设置，设置计算的起始参数包括了热源参数、红外参数和边界条件。

第二步是使用时域有限元算法进行热现象的计算，根据计算的网格和初始的参数进行温度热现象的计算，同时在计算的过程中需要考虑复杂背景对温度分布带来的影响，同时需要考虑复杂背景与计算目标之间的相互作用，得到最后的温度分布。

第三步，最后，需要对红外特性进行计算，使用到的是基于GRICO学的高频近似算法，通过高频近似算法对温度场进行积分和计算，得到目标的红外辐射特性。同时，根据背景的特性由高频近似算法得出背景的辐射强度，最后进行标量求解。

下面通过更为详细的实施例对上述各个步骤进行详细的说明：

在上述步骤S1中：提出适用于时频域混合红外辐射特性计算方法的自适应网格剖分方法，有效建立适用于温度场计算的三角形面片四面体剖分模型；

第一步的主要目的是将模型和背景的整体机械制图文件进行导入，输入粗细网格的参数对网格进行确认后，使用自适应剖分算法将目标和背景进行剖分，生成自适应网格剖分文件，文件中含有顶点坐标和单位朝向法矢量。将目标的红外参数对应到网格文件当中，包括了：材料热传导率、反射率、比热容、材料密度等等。第二，输入环境的相关变量风速、相对运动速度等。第三，设置合适的边界条件和热源参数。

在红外特性的计算过程中，网格剖分起到了极其重要的作用，无论是时域有限元法还是高频近似算法中，需要网格的剖分对目标特性进行计算。这两种是基于三角形面片的四面体剖分，将剖分生成的剖分文件导入到算法中进行计算，剖分文件当中包含面元的坐标和单位法矢量，可以确定目标面片的位置和朝向。目标中大多会含有凹腔等复杂结构，若使用均匀网格剖分，进行物理光学算法计算的过程中会产生一定的误差导致计算结果的精度损失。过大的尺寸会导致在剖分的过程中形成庞大的剖分文件，在读取的过程中对计算效率和计算资源产生较大的影响，甚至有的场景下由于网格过于巨大无法进行计算。所以为了解决上述问题，提出了自适应网格剖分算法，在保证对复杂结构计算精度的前提下，减少网格数目，提高运算精度。

自适应网格剖分算法是在网格建模的过程中使用独立的每一个顶点进行计数，每一个对应的三角形均来自于原始的模型。为了更加高效地实现对模型的处理，在剖分过程中将模型严格地限制为四面体，所以其对应的网格是由相连接的坐标(x,y,z)来表示多边形组成的结构，与之对应的相连接的坐标是四面体的顶点。所以物体的信息可以使用列表来表示，经过排列可以组成完整的集合信息。一般是多边形的法向和顶点法向，将其放在模型的数据结构中，可以很方便地应用于物体的线性变换过程。

如图3所示，由于剖分过程是对不同的面进行剖分，首先需要针对不同的面进行识别，根据多尺度问题中几何结构识别出网格的尺寸后进行剖分，所以在剖分的第一步会形成一定数量的面片。第二步将面片进行网格划分，结果为基于三角形面片的四面体网格，剖分的结果为网格的空间坐标和法矢量。所以，需要对平面的空间坐标和法矢量进行对应参数的赋值后参与运算，完成整个剖分流程。

目前现有的主流剖分工具都是基于中央处理器的过程，但是由于中央处理器CPU数据处理能力有限，所以合理分配CPU当中的任务与引入并行化的GPU进行加速成为了两种提高效率的重要方式。如图4所示，合理分配GPU当中的并行任务，根据GPU和CPU不同的特性来选择与之相对应的数据处理方式用于对不同波长、不同参数进行存储以提高并行化代码的存储效率。

由于常量存储只会消耗较少的计算内存，所以常用的参数都存放于常量存储器当中。由于大尺寸模型会产生大量的计算网格，与之对应地会产生大量的几何信息和节点信息，这使得读取网格的过程当中会消耗大量的内存，造成消耗计算资源的上升，为了解决上述问题，本发明实施例的仿真方法使用了全局存储器来存储从CPU段传输的数据。将每一个单独的面元在CPU当中与每一个节点一一对应。将全部的节点和面元在CPU内核当中进行对应后将所有的信息以并行的方式传入全局内存当中。通过使用并行化处理多频率、多角度计算进行任务分配，使仿真中可以进行多线程运算。利用共享存储器和常数存储器，减少并行程序中所有线程对全局存储器的访问次数。将全局内存的节点使用不同的线程进行并行求解，其求解的条件为入射的波长，相比于使用CPU的求解会显著提升计算效率。通过异步传输隐藏设备与主机之间的数据传输，从而进一步提升计算效率。

在上述步骤S2中：进行大尺寸目标热现象时域计算，基于时域有限元算法的热现象计算方法，完成内能传递的计算；

使用时域有限元算法，从两个部分完成对问题的计算，包括：目标热效应分析、背景和目标的热力学相互作用。对于目标的热力学分析主要分析了三种现象：热交换、热传递和热辐射。在背景和目标相互作用分析当中引入随机函数，针对背景的随机性进行研究，可以提高求解例如海浪、风的变化等因素的可信性。使用时域有限元算法进行迭代求解，在保证稳定性条件限制下可以得到偏微分方程的稳态解，进一步得到温度分布。在温度分布的计算当中主要考虑以下几个现象：

热传导：本发明实施例的热传导指的是当目标的不同面发生接触的过程当中，各个部分之间由粒子运动产生的温度变化。假设面元上位置的温度时刻t在(x,y,z)位置处满足如下的函数关系式：

T_S＝f(x,y,z) (1)

其中，T_S表示面元上位置的温度，(x,y,z)表示直角坐标系下的位置。式(1)表达的是一个三维温度场的变化。由于基于偏微分方程求解温度，所以温度实时也会发生变化。在某一个时刻，目标上温度相等的面片就会构成等温面产生温度梯度，记为

上式中，ΔT表示t+ΔT与t之差，Δm为垂直距离。温度梯度为矢量，方向沿着温度增加的方向。与之对应的能量存储项可以表达为如下所示的形式

式中，ρ为物质密度，c_p为比热容，τ为时间，E_st为能量存储项。在不同的面片当中，根据能量守恒定律，可以得到微元体的能量方程

其中，E_st表示微元体能量存储项，微元体的能量为Q，△Q表示微元体内部增加的总能量；

表示微元体内部能量的增量；△Q_x表示微元体沿x方向能量的增量；△Q_y表示微元体沿y方向能量的增量；△Q_z表示微元体沿z方向能量的增量。由此，可以使用时域有限元算法求解导热微分方程为

式中，式中，t＝f(x,y,z)表示(x,y,z)位置处在t时刻的温度，τ表示对时间的积分，ρ为物质密度，a＝ξ/ρc_p为定义热扩散系数，c_p为比热容，热流密度矢量q表述为：q＝-ξgradT，ξ为材料导热系数张量，代表了物体导热能力的强度；

为目标体内内能增量；gradT为等温面产生的温度梯度；

总能量为q，被吸收、反射和穿透部分分别表示为q_α,q_β,q_γ。对式(5)积分便可解出物体随时间变化的温度场，但式(5))只是一个求解热传导问题的普适性方程，对热辐射和边界条件的求解也显得尤为重要。热辐射指的是目标向外界散发的内能，同时目标和背景之间由于距离的作用也会产生辐射。物体的辐射换热能力与物体表面辐射特征及其表面温度有关。当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，即吸收、反射和穿透。假设外界投射到物体表面上的总能量为q，被吸收、反射和穿透部分分布表示为q_α,q_ρ,qτ，则由能量守恒有关系

式中，各能量份额比数α＝q_α/q、β＝q_β/q，γ＝q_γ/q分别称为该物体对投入辐射的吸收率，反射率和穿透率。辐射换热主要是指两个或两个以上表面之间的换热过程。辐射角系数定义如式(7)所示

其中，定义两个表面，编号为T₁和T₂，cosθ₁为表面T₁对表面T₂的角系数，同样cosθ₂为表面T₂对表面T₁的角系数，X_1,2为表面T₁直接投射到表面T₂上的能量占表面T₁辐射能量的百分比，r为面片中心位置之间的距离。π为圆周率，d为两个平面T₁和T₂中心的距离，A₂为辐射面T₂对应的微元。目标或背景的红外特征由其内部传热机理和外部热交换决定。而外部热交换条件的准确描述对其红外热像模型精度的影响至关重要。导热、对流和辐射等一系列传热方式都可能发生在物体的边界上，影响所研究目标的温度分布和热响应。

边界条件通常分四种情况：

①给定物体边界上任意时刻的温度分布。边界条件可描述为

t_w＝f₁(x,y,z,τ),τ＞0 (8)

②给定物体边界上任何时刻的热流密度分布。边界条件可描述为

w为两物体接触面边界处的位置，n为两物体接触面的法向量；

③给定物体边界与周围流体对流换热系数h以及周围流体温度t_f，根据物体壁面导热量与表面对流换热量相等，则

④给定周围环境温度t_f、表面入射辐射热流通量q_r以及边界材料表面辐射系数ε和吸收率α，

其中，t_w给定物体边界上任意时刻的温度分布，f₁第一类边界条件函数，f₂第二类边界条件函数，h为边界与周围流体对流换热系数，t_f为周围流体温度，q_r为表面入射辐射热流通量，ε为边界材料表面辐射系数，α为吸收率；σ表示空间位置为速度边界层的外边缘点到壁面的距离，即：边界层的厚度。

对于陆地与海面背景红外特性的定量分析，由于陆地没有固定的几何尺寸和状态，所以不能使用相对应的固定方程来进行分析。根据陆地背景红外分析的特性，沿壁面法向的温度梯度大于平行于壁面方向的温度梯度，这就使得热量交换的过程当中热流主要集中于垂直于壁面方向。热平衡方程可以写为

其中，C代表热交换物体比热容。k为导热系数，Q_s(t,z)为沿着垂直方向面元交换的能量。根据背景的随机性，边界条件可以写为

T(t,z)＝T₀(t,z),z＝z₀ (13b)

T表示温度，z表示纵向坐标，z₀表示沿着初始的纵轴位置；T(t,z)表示温度沿纵轴随时间的变化，Q₀表示在纵轴坐标为0的时刻的能量；T₀(t,z)，z表示在0时刻温度沿纵轴随时间的变化；

对于海面来说，其总的辐射能量可以由海面的发射率、反射率、本征红外辐射构成。这里海面的发射率可以表达为

其中θ，

分别代表天顶角和反射角，ρ_λ(χ)代表平静海面的反射率，χ为发射方向与海面小面元法线，σ为海面的坡度概率分布标准差。

海面的反射率可以写为：

其中θ_i代表入射方向的天顶角，θ_i代表出射方向的天顶角；

代表入射方向的反射角，

代表出射方向的反射角。P代表海面坡度概率分布函数，ω是平静海面反射率模型中的入射角。s^*是遮挡因子，β是计算面元与海平面的夹角。

根据普朗克定律得到的海面辐射强度可以写为：

其中，L_sea代表海面辐射强度，λ₁和λ₂为探测器的上下限波长，M_λbb是黑体辐射出射度，c₁和c₂是第一与第二辐射常数。

在上述步骤S3中：提出基于高频近似的GRICO红外辐射强度计算方法，基于内能传递后的能量分布完成对红外参数的计算。

求解温度分布后，将温度和网格一一对应，输入到基于显示卡的OpenGL当中进行计算。使用基于GRICO的高频近似算法，考虑目标本身的红外辐射特性和背景红外辐射特性首先进行渲染，其次将数值提取进行自然光的照射，可以得到对应的红外参数。

经过时域有限元算法的计算，得到了温度的分布。由于温度场属于标量场，常采用云图对其进行显示，从云图的映射方式上可分为灰度图映射和伪彩色图映射。使“顶点、场值、颜色值”一一对应，通过RGB三原色进行组合形成彩色的云图。当每一个标量值取定之后，即可得与RGB三个颜色相对应的深度值，再由这三原色混合成彩色，最终形成标量与彩色一一映射的关系。在计算过程中，需要对输入数据归一化，也即将标量场值与横坐标产生完整的对应关系。对于纵坐标，Cmin等于0，Cmax等于255。空间中，物体表面辐射场的显示属于三维数据重构的范畴，本发明实施例采用OpenGL API函数实现导弹表面三维辐射场数据的重构与显示。用OpenGL实现物体表面辐射场的显示需要分两步完成。

1)绘制网格

辐射场的数值计算需要将物体表面划分为大量互不重合的小网格，网格上每一个节点在空间中的坐标都是可求得的，利用这些节点三维坐标值便可实现物体网格的绘制。在OpenGL中，所有几何体最终都被描述成一个有序的顶点集合，通过调用如下函数便可指定空间中任何一个顶点。

void glVertex{2,3,4}{sifd}{v}(TYPE coords)；

网格的绘制便是将物体所有节点按一定的方式有序相连的过程。

2)云图映射

OpenGL中提供glColor*()函数用于指定节点的颜色，通过将每个节点经过量化了的标量场值作为glColor*()的参数，便可绘制出不同灰度或不同彩色的云图，即实现云图映射功能。通过将温度场进行渲染，就可以通过使用如下的公式进行计算。

物体的红外辐射由自身辐射和对来自周围物体投入辐射的反射两部分组成。为：

式中，

为频段间辐射强度，通过积分求得；λ₁与λ₂表示起始波长和终止波长，M表示背景数目，ε(λ,T)为单色红外发射率，ρ(λ,T)为单色红外反射率，H_λj为来自第j个背景(如太阳、地球等)的单色有效辐射。于是可得目标表面在λ₁-λ₂波段的红外辐射强度：

其中，Φ红外辐射能量，c₁和c₂是第一与第二辐射常数，L为红外辐射强度；

为在波长λ₁时的辐射强度；

为在波长λ₂时的辐射强度。

本发明提出了一种混合域红外辐射特性的仿真方法，比如以对空中飞机波音737的红外辐射特性进行仿真，首先基于时频域混合红外辐射特性计算的自适应网格剖分方式，如图5所示，为对目标飞机波音737进行自适应网格剖分，然后建立适用于温度场计算的三角形面片四面体剖分模型；进行波音737的热现象时域计算，基于时域有限元算法完成内能传递的计算，如图6a、6b所示，为波音737飞行温度分布图；再经过高频近似的红外辐射强度计算，如图7所示，为经过GRICO运算后波音737辐射强度云图，并输出文件，如图8所示，最后基于所述内能传递的计算结果，完成对红外参数的仿真计算。

进行大尺寸目标红外特性参数的计算，其中分别包括了：大尺寸目标与复杂背景自适应剖分算法，解决了目标和背景使用传统算法剖分后计算效率显著下降的问题；提出基于时域有限元算法的热效应计算方法，解决了无法定量分析复杂背景和热现象的问题；提出基于高频近似方法的红外辐射特性计算方法，直接得到目标和背景的红外信息特征，同时可以实时地完成红外参数信息的提出。该方法不仅可以实现对大尺寸目标红外特性的高效准确求解，也可以实现对复杂环境及其与目标相互作用的准确分析。该方法可以在能量守恒的前提下，分析大尺寸目标复杂的热现象。不仅提高了仿真的计算精度，而且由于考虑了诸如依托背景、所在环境等多种因素，该方法能够分析更趋近于真实情况的场景。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种混合域红外辐射特性的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、基于时频域混合红外辐射特性计算的自适应网格剖分方式，建立适用于温度场计算的三角形面片四面体剖分模型；

S2、进行大尺寸目标热现象时域计算，基于时域有限元算法完成内能传递的计算；

S3、采用基于高频近似的红外辐射强度计算方法，基于所述内能传递的计算结果，完成对红外参数的仿真计算。

2.根据权利要求1所述的一种混合域红外辐射特性的仿真方法，其特征在于，所述步骤S1，包括：

S11、建立依托于背景的大尺寸目标的3D模型；

S12、导入所述3D模型后，对大尺寸目标和背景分别进行自适应网格剖分；

S13、利用剖分后的网格进行参数导入，采用独立网格参数设置；并基于加入所述3D模型的热源参数和热力学参数，完成初始计算条件的设置。

3.根据权利要求2所述的一种混合域红外辐射特性的仿真方法，其特征在于，所述步骤S12，包括：

S121、对含有精细结构的目标使用非均匀的精细网格，计算时将剖分进行并行化处理；

S122、基于依托背景相对于目标尺度较大和背景均匀的特性，使用并行化的均匀网格剖分方式。

4.根据权利要求1所述的一种混合域红外辐射特性的仿真方法，其特征在于，所述步骤S2中，基于时域有限元算法完成内能传递的计算，包括：目标热效应分析、背景和目标的热力学相互作用分析；

其中，所述目标热效应分析，包括：

通过使用第一公式，完成对大尺寸目标的热传递计算；第一公式为：

式中，t＝f(x,y,z)表示(x,y,z)位置处在t时刻的温度，τ表示对时间的积分，ρ为物质密度，a＝ξ/ρc_p为定义热扩散系数，c_p为比热容，热流密度矢量q表述为：q＝-ξgradT，ξ为材料导热系数张量，代表了物体导热能力的强度；

为目标体内内能增量；gradT为等温面产生的温度梯度；

通过使用第二公式完成对大尺寸目标的热辐射计算；第二公式为：

式中，各能量份额比数：α＝q_α/q、β＝q_β/q，γ＝q_γ/q分别称为该目标对投入辐射的吸收率，反射率和穿透率；

通过使用第三公式完成对大尺寸目标的热交换计算；第三公式为：

其中，定义两个表面，编号为T₁和T₂，cosθ₁为表面T₁对表面T₂的角系数，同样cosθ₂为表面T₂对表面T₁的角系数，X_1,2为表面T₁直接投射到表面T₂上的能量占表面T₁辐射能量的百分比，r为面片中心位置之间的距离；π为圆周率，d为两个平面T₁和T₂中心的距离，A₂为辐射面T₂对应的微元。

5.根据权利要求4所述的一种混合域红外辐射特性的仿真方法，其特征在于，所述背景和目标的热力学相互作用分析，包括：

目标或背景的红外特征由其内部传热机理和外部热交换决定，其中外部热交换条件的导热、对流和辐射均发生在物体的边界上，边界条件分四种情况：

①给定物体边界上任意时刻的温度分布，边界条件描述为

t_w＝f₁(x,y,z,τ),τ＞0

②给定物体边界上任何时刻的热流密度分布，边界条件描述为

w为两物体接触面边界处的位置，n为两物体接触面的法向量；

③给定物体边界与周围流体对流换热系数h以及周围流体温度t_f，根据物体壁面导热量与表面对流换热量相等，则

④给定周围环境温度t_f、表面入射辐射热流通量q_r以及边界材料表面辐射系数ε和吸收率α：

其中，t_w为给定物体边界上任意时刻的温度分布；f₁为第一类边界条件函数；f₂为第二类边界条件函数；h为边界与周围流体对流换热系数，t_f为周围流体温度，q_r为表面入射辐射热流通量，ε为边界材料表面辐射系数，α为吸收率；σ表示空间位置为速度边界层的外边缘点到壁面的距离，即：边界层的厚度。

6.根据权利要求5所述的一种混合域红外辐射特性的仿真方法，其特征在于，所述步骤S3，包括：

通过使用以下公式来完成：

式中，

为频段间辐射强度，通过积分求得；λ₁与λ₂为起始波长和终止波长，M为背景数目，ε(λ,T)为单色红外发射率，ρ(λ,T)为单色红外反射率，H_λj为来自第j个背景的单色有效辐射；于是得目标表面在λ₁-λ₂波段的红外辐射强度：

其中，Φ为红外辐射能量，c₁和c₂为第一与第二辐射常数，L为红外辐射强度；

为在波长λ₁时的辐射强度；

为在波长λ₂时的辐射强度。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的一种混合域红外辐射特性的仿真方法，其特征在于，采用全局存储器存储从CPU段传输的数据，将每一个剖分的单独面元在CPU当中与每一个节点一一对应，将全部的节点和面元在CPU内核当中进行对应后将所有的信息以并行的方式传入全局内存当中。

8.根据权利要求7所述的一种混合域红外辐射特性的仿真方法，其特征在于，利用共享存储器和常数存储器，减少并行程序中所有线程对全局存储器的访问次数。

9.根据权利要求7所述的一种混合域红外辐射特性的仿真方法，其特征在于，将全局内存的节点使用不同的线程进行并行求解，求解的条件为入射的波长。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的一种混合域红外辐射特性的仿真方法，其特征在于，经过时域有限元算法的计算，得到温度分布，并采用云图显示。

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