一种确定多层隔热材料起伏表面红外辐射的方法技术

本发明专利技术公开了一种确定多层隔热材料起伏表面红外辐射的方法。该方法的步骤如下：模拟生成随机起伏表面；确定起伏表面间的辐射传递系数；建立空间环境下起伏表面的辐射传热模型；根据辐射传热模型，确定起伏表面总辐射热流，根据能量方程求得起伏表面温度分布；根据上述计算得到的起伏表面温度分布和辐射传递模型，计算求得任意波段内的起伏表面红外辐射分布。本发明专利技术通过模拟生成随机起伏表面，并确定起伏表面间的辐射传递系数，建立了适用于空间环境下多层隔热材料起伏表面的传热模型和红外辐射模型，能够真实准确的反映空间目标起伏表面温度场和红外辐射分布。

【技术实现步骤摘要】
一种确定多层隔热材料起伏表面红外辐射的方法
本专利技术属于一种红外辐射模型的建模方法，具体涉及确定空间环境下航天器起伏表面红外辐射的方法。
技术介绍
目前，随着各国航天事业的飞速发展，空间监测与识别技术的研究已经受到越来越多的重视。红外技术是一种常用的空间监测手段，对目标表面红外辐射特性的研究是解决红外探测与识别的前提。作为最重要的空间目标，卫星系统的红外辐射特性分析，已经受到了广泛的重视。国内外许多研究者开展了相关建模、仿真与分析的工作。文献1(韩玉阁,宣益民.卫星的红外辐射特征研究.红外与激光工程,2005,34(1):34-37.)和文献2(张伟清.卫星红外辐射特性研究.南京理工大学,2006)通过建立卫星温度控制方程对温度场进行了求解，并建立了卫星红外辐射通量计算模型。文献3(马伟，宣益民，韩玉阁，李强.长寿命卫星热控涂层性能退化及其对卫星热特征的影响,宇航学报,2010,31(2):568～572.)则进一步给出了卫星表面热控涂层在空间辐照环境下的退化模型，可以预测卫星红外辐射特性在空间环境下的退化结果。然而，航天器通常用柔软轻便的多层隔热材料进行包裹，从而其表面会形成起伏、褶皱。起伏表面由于各个位置的表面朝向不同，其接收的热流也会有差别；同时，在凹面处还会形成表面相互辐射传热；以上过程会影响卫星的温度场，进而影响卫星表面的热红外特性。为了真实的反映卫星的表面红外辐射特性，起伏表面的形貌模拟和红外辐射计算方法的研究则具有十分重要的意义。但是现有技术当中尚无相关描述。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种适用于空间环境下确定航天器起伏表面红外辐射的方法。本专利技术目的的技术解决方案如下：一种确定多层隔热材料起伏表面红外辐射的方法，包括以下步骤：步骤1、建立随机起伏表面形态特征的生成模型；所述随机起伏表面形态特征的生成模型为：步骤1-1、给定表面高度均方根σ，二维随机起伏表面高度均方根定义为：其中，z(x,y)为二维随机起伏表面取样点高度，为二维随机起伏表面取样点高度平均值，N为取样点总数；步骤1-2、根据表面高度均方根σ生成服从高斯分布的随机序列η(x,y)，η(x,y)～N(0,σ)，并计算其傅立叶变换A(wx,wy)；步骤1-3、根据指数型自相关函数，通过傅立叶变换得到滤波器输出信号的功率谱密度，其中指数型自相关函数R(τx,τy)为：R(τx,τy)＝σ2exp(-2.3((τx/βx)2+(τy/βy)-2)1/2)式中，βx、βy分别表示x、y方向上的自相关长度，滤波器输出信号的功率谱密度G(ωx,ωy)为：同时，确定输入序列η(x,y)的功率谱密度S(ωx,ωy)为：由于输入序列服从高斯分布，则其功率谱密度应为常数，即S(ωx,ωy)＝C；步骤1-4、计算滤波器的传递函数H(wx,wy)为：H(wx,wy)＝(G(wx,wy)/C)1/2；步骤1-5、计算输入序列经过二维滤波器后的输出序列的傅立叶变换：Z(wx,wy)＝H(wx,wy)A(wx,wy)；步骤1-6、对Z(wx,wy)进行傅立叶逆变换得到表面的高度分布函数z(x,y)；步骤1-7、再次执行步骤1-1～步骤1-6，生成二级随机起伏表面，第二级表面的高度均方根与第一级的比例为1:50，通过前面所述方法生成不同相关长度和高度均方根的随机表面；步骤1-8、将两个表面叠加合成，从而得到接近真实的多层隔热材料随机起伏表面形貌。步骤2、建立起伏表面面元间的辐射传递模型，根据模拟的起伏表面形态特征，确定表面间辐射传递系数；所述起伏表面面元间的辐射传递模型为：步骤2-1、对每个面元随机发射M条光束，M>10000，对每一条光束的发射、反射和吸收进行跟踪，同时生成计数器mij，其含义为面元i发射的光束，最终被面元j吸收的数目；步骤2-2、确定光束随机发射点坐标P0(x,y,z)的概率模型为：x＝xmin+Rx(xmax-xmin)y＝ymin+Ry(ymax-ymin)z＝z(x,y)式中，Rx与Ry分别为[0,1]区间均匀分布的随机数；x,y的取值范围分别为[xmin,xmax]，[ymin,ymax]，该计算得到的是面元坐标系下的发射点坐标，并将其转化为系统坐标系下的发射点坐标；步骤2-3、确定光束随机发射方向L(θ,ψ)的概率模型为：ψ＝2πRψ式中，Rθ与Rψ分别是天顶角和圆周角的均匀分布随机数，并将该方向矢量转化为系统坐标系下的方向；步骤2-4、跟踪光束，通过解方程组判断光束是否与其它面元相交：式中，Φ(x,y,z)＝0为表面方程，P为相交点位置坐标，a为系数，如有交点，则解得交点坐标，并确定交点所在的面元，之后执行步骤2-5；否则，则该光束跟踪结束，返回步骤2-2进行下一条光束跟踪；步骤2-5、若表面吸收率是α，生成随机数Rα，判断光束是否被吸收：若Rα≤α，则光束被吸收，计数器mij＝mij+1，结束本条光束跟踪，反之，则光束被反射，继续执行步骤2-6进行跟踪；步骤2-6、确定反射光束的发射点坐标P0和反射方向矢量Lr(θr,ψr)，发射点坐标即交点坐标P0＝P，如果是漫反射表面，反射方向的模拟与发射方向概率模型相同，即：ψr＝2πRψ如果是镜面反射表面，反射方向根据菲涅尔反射定律确定：θr＝π-θiψr＝ψi+π(0＜ψi≤π)ψr＝ψi-π(π＜ψi≤2π)式中，θi,ψi分别是面元坐标系下入射光束的天顶角和圆周角，反射方向也转化为系统坐标系下的方向，同时返回步骤2-4；步骤2-7、完成所有面元所有光束的跟踪，根据最终的光束计数器结果计算面元间的辐射传递因子Fij，Fij定义为面元i的自身辐射能量，最终被面元j吸收的份额。步骤3、基于空间环境下起伏表面的辐射传递过程，建立起伏表面的自身发射辐射模型、吸收太阳直接辐射模型、吸收地球红外辐射模型、吸收地球反射太阳辐射模型以及吸收其它面元的辐射模型；所述模型分别为：(a)自身发射辐射模型：QEmit＝εkBAT4式中参数的含义为：QEmit表示表面面元自身发射的红外辐射热流；kB为斯忒藩·波尔兹曼常数，kB＝5.67×10-8W/(m2·K4)；A为微元表面面积，单位m2；ε为表面的红外发射率；(b)吸收太阳辐射模型：QSun＝αSASμ式中参数的含义为：QSun表示表面面元吸收太阳直接辐射热流；αS为表面的太阳吸收率；μ为太阳辐射在面元表面的入射角余弦；S为空间环境中太阳直接辐照密度，取一年中太阳辐照的平均值，即太阳常数1353W/m2；(c)吸收地球红外辐射模型：式中参数的含义为：QEarth表示表面面元吸收地球红外辐射热流；αIR为表面红外波段的吸收率，αIR＝ε；Eio为地球等效热流密度，取220W/m2；为地球辐射角系数；地球辐射角系数的计算如下：当0≤β≤arccosk时，当arccosk<β<(π-arccosk)时，当(π-arccosk)<β<π时，式中，β为表面微元法线方向与表面微元指向地心方向的夹角；k＝Re/(Re+h)，Re为地球半径，h为目标轨道高度；(d)吸收地球反射太阳辐射模型：式中参数的含义为：QEref表示表面面元吸收地球反射太阳辐射热流；ρE为地球表面对太阳辐射的平均反射率；为地球反照角系数，可用地球辐射本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种确定多层隔热材料起伏表面红外辐射的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、建立随机起伏表面形态特征的生成模型，生成随机起伏表面；步骤2、建立起伏表面间的辐射传递模型，根据模拟的起伏表面形态特征，确定表面间辐射传递因子；步骤3、基于空间环境下起伏表面的辐射传递过程，建立起伏表面的自身发射辐射模型、吸收太阳直接辐射模型、吸收地球红外辐射模型、吸收地球反射太阳辐射模型以及吸收其它面元的辐射模型；步骤4、根据上述空间环境下起伏表面的辐射传递模型，确定起伏表面总辐射热流，进而根据能量方程求得起伏表面温度分布；步骤5、根据上述计算得到的起伏表面温度分布和辐射传递模型，根据普朗克定律积分求得任意波段内的起伏表面红外辐射分布。

【技术特征摘要】
1.一种确定多层隔热材料起伏表面红外辐射的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、建立随机起伏表面形态特征的生成模型，生成随机起伏表面，所述建立随机起伏表面形态特征的生成模型具体为：步骤1-1、给定表面高度均方根σ，二维随机起伏表面高度均方根定义为：其中，z(x,y)为二维随机起伏表面取样点高度，为二维随机起伏表面取样点高度平均值，N为取样点总数；步骤1-2、根据表面高度均方根σ生成服从高斯分布的随机序列η(x,y)，η(x,y)～N(0,σ)，并计算其傅立叶变换A(wx,wy)；步骤1-3、根据指数型自相关函数，通过傅立叶变换得到滤波器输出信号的功率谱密度，其中指数型自相关函数R(τx,τy)为：R(τx,τy)＝σ2exp(-2.3((τx/βx)2+(τy/βy)-2)1/2)式中，βx、βy分别表示x、y方向上的自相关长度，滤波器输出信号的功率谱密度G(ωx,ωy)为：同时，确定输入序列η(x,y)的功率谱密度S(ωx,ωy)为：由于输入序列服从高斯分布，则其功率谱密度应为常数，即S(ωx,ωy)＝C；步骤1-4、计算滤波器的传递函数H(wx,wy)为：H(wx,wy)＝(G(wx,wy)/C)1/2；步骤1-5、计算输入序列经过二维滤波器后的输出序列的傅立叶变换：Z(wx,wy)＝H(wx,wy)A(wx,wy)；步骤1-6、对Z(wx,wy)进行傅立叶逆变换得到表面的高度分布函数z(x,y)；步骤1-7、再次执行步骤1-1～步骤1-6，生成二级随机起伏表面，第二级表面的高度均方根与第一级的比例为1:50，通过前面所述方法生成不同相关长度和高度均方根的随机表面；步骤1-8、将两个表面叠加合成，从而得到接近真实的多层隔热材料随机起伏表面形貌；步骤2、建立起伏表面间的辐射传递模型，根据模拟的起伏表面形态特征，确定表面间辐射传递因子；步骤3、基于空间环境下起伏表面的辐射传递过程，建立起伏表面的自身发射辐射模型、吸收太阳直接辐射模型、吸收地球红外辐射模型、吸收地球反射太阳辐射模型以及吸收其它面元的辐射模型；步骤4、根据上述空间环境下起伏表面间的辐射传递模型，确定起伏表面总辐射热流，进而根据能量方程求得起伏表面温度分布；步骤5、根据上述计算得到的起伏表面温度分布和辐射传递模型，根据普朗克定律积分求得任意波段内的起伏表面红外辐射分布。2.根据权利要求1所述的确定多层隔热材料起伏表面红外辐射的方法，其特征在于，步骤2中所述起伏表面间的辐射传递模型具体为：步骤2-1、对每个面元随机发射M条光束，M>10000，对每一条光束的发射、反射和吸收进行跟踪，同时生成计数器mij，其含义为面元i发射的光束，最终被面元j吸收的数目；步骤2-2、确定光束随机发射点坐标P0(x,y,z)的概率模型为：x＝xmin+Rx(xmax-xmin)y＝ymin+Ry(ymax-ymin)z＝z(x,y)式中，Rx与Ry分别为[0,1]区间均匀分布的随机数；x,y的取值范围分别为[xmin,xmax]，[ymin,ymax]，该计算得到的是面元坐标系下的发射点坐标，并将其转化为系统坐标系下的发射点坐标；步骤2-3、确定光束随机发射方向L(θ,ψ)的概率模型为：ψ＝2πRψ式中，Rθ与Rψ分别是天顶角和圆周角的均匀分布随机数，并将该方向矢量转化为系统坐标系下的方向；步骤2-4、跟踪光束，通过解方程组判断光束是否与其它面元相交：式中，Φ(x,y,z)＝0为表面方程，P为相交点位置坐标，a为系数，如有交点，则解得交点坐标，并确定交点所在的面元，之后执行步骤2-5；否则，则该光束跟踪结束，返回步骤2-2进行下一条光束跟踪；步骤2-5、若表面吸收率是α，生成随机数Rα，判断光束是否被吸收：若Rα≤α，则光束被吸收，计数器mij＝mij+1，结束本条光束跟踪，反之，则光束被反射，继续执行步骤2-6进行跟踪；步骤2-6...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩玉阁，宣益民，杨帆，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32