一种低慢小飞行器红外辐射特性计算方法及存储介质技术

本发明专利技术公开一种低慢小飞行器红外辐射特性计算方法及存储介质，该计算方法采用模块化设计思路实现低慢小飞行器红外辐射亮度、投影面积及红外辐射强度计算功能。采用简化的目标几何模型实现辐射分量及目标投影面积计算，采用目标环境辐射模型实现目标自身辐射亮度及环境辐射亮度计算，采用双向反射分布函数模型实现目标反射环境辐射分量计算。该低慢小飞行器红外辐射特性计算方法建模合理、计算数据可靠，满足实际工程设计需求，能够为针对低慢小飞行器的红外搜索跟踪系统、红外侦察系统等红外热成像设备开展指标论证、项目方案设计、成像系统仿真等方面提供理论依据及数据支撑。像系统仿真等方面提供理论依据及数据支撑。像系统仿真等方面提供理论依据及数据支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种低慢小飞行器红外辐射特性计算方法及存储介质


[0001]本专利技术属于目标红外辐射特性测量计算
，具体涉及一种低慢小飞行器红外辐射特性计算方法及存储介质。

技术介绍

[0002]近年来，随着无人航空飞行器技术的快速发展，各类无人飞行器在世界各地的局部冲突中得到广泛应用，展现出强大的威胁力，特别是当前占市场主流具有飞行高度低、飞行速度慢、体积尺寸小等“低慢小”典型特征的多旋翼飞行器，其机身大多采用塑料材质，雷达反射截面小、低空噪声干扰大、速度慢隐身性能好，雷达探测技术难以发挥作用。相对无线电被动探测技术射频数据库、通讯协议难以及时获取或更新；声学探测技术探测距离近、环境嘈杂时虚警高；可见光探测设备无法夜间工作等问题，红外热像仪具有昼夜工作、被动成像、抗干扰性强等特点，在低慢小飞行器反制系统中占据优势，发挥重要作用。
[0003]红外热像仪是通过接收目标和背景的红外辐射强度差值产生信号图像，因此对低慢小飞行器的红外辐射特性研究可为红外搜索跟踪系统、红外侦察系统等红外热成像设备进行项目论证、成像仿真、整机设计及试验提供理论依据。
[0004]目前国内外针对飞行器的红外辐射特性仿真主要集中在高速的战斗机、高空飞行的攻击飞行器或导弹类目标，它们与低慢小飞行器的红外辐射特性不同主要体现在两个方面。一是由于速度快，机身蒙皮辐射强；二是由于采用涡轮发动机、涡扇发动机或火箭发动机，其尾喷口和尾焰的红外辐射强度大，基本可以忽略外界环境辐射对其影响，因此对这些目标的红外特性分析主要在蒙皮、尾喷口、尾焰这三个方面展开。低慢小飞行器速度慢、功率小，其对周围环境辐射的反射因素不可忽略，目前国内尚无对该类目标开展红外辐射特性理论仿真的文献报道。
[0005]中国专利CN112215957A公开一种空中目标红外特性仿真方法，通过三维模型构建软件对目标表面进行网格优化，并通过底层绘图方式实现形体仿真，采用VegaPrime平台对高空高速带尾焰的飞行器开展红外辐射特性模拟。
[0006]中国专利CN114676379A公开高超声速巡航飞行器整体红外辐射特性计算方法及装置，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。
[0007]中国专利CN114219020A公开一种基于多角度序列图像的空间目标参数反演方法，将空间目标用小平面单元表示，建立节点平衡方程，求解目标表面温度分布，基于普朗克定律，采用逆向射线追踪方法计算空间目标红外辐射强度。
[0008]上述专利的计算方法，都集中在高速、高空、高功率目标，未考虑低慢小飞行器目标反射环境辐射的影响因素。低慢小飞行器飞行高度低、速度慢、体积小、功率小，其反射周围环境辐射影响红外系统仿真结果或红外探测设备的信噪比。飞行器红外辐射特性数值计算方法一般需运用数量较多的专业软件、建模复杂，运算量大，特别是需要考虑目标对复杂环境的反射辐射时数值仿真困难，因此有必要采用工程计算方法，建立低慢小飞行器红外
辐射特性计算模型。
[0009]美国中佛罗里达大学光子与光子学学院Nicolette Fudala、Robert Short、Jennifer Hewitt等人在《小型旋翼机无人机红外搜索和跟踪中波与长波强度特征的比较》
[1]中，实测了大疆精灵4Pro型无人机在3μm
‑
5μm波段红外辐射强度，可以作为本专利技术的计算方法的比较对象。
[0010][1]Nicolette Fudala，Robert Short,Jennifer Hewitt,et al.Comparison of midwave versus longwave intensity signatures for infrared search and track of small rotorcraft unmanned aerial vehicles[J].Optical Engineering，2019，58(4).

技术实现思路

[0011]本专利技术的目的是为了解决现有方法的不足，提出一种低慢小飞行器红外辐射特性计算方法。所述计算方法，用以解决现有技术中无法准确计算低慢小飞行器反射环境辐射强度等问题，进而为红外热成像探测设备的技术指标论证、方案设计及系统试验提供理论依据及数据支撑。
[0012]为实现上述目的，本专利技术内含三个计算模型：(1)目标几何模型，(2)目标/环境红外辐射模型，(3)双向反射分布函数模型。
[0013]所述计算方法的目标几何模型是根据飞行器外形参数对目标采用一组平面近似描述的立体几何结构。
[0014]所述计算方法的目标/环境红外辐射模型包括目标自身的红外辐射和目标反射环境红外辐射两部分
[0015]所述计算方法的双向反射分布函数模型是反射方向小立体角内反射的辐射亮度与入射的辐射照度之比，它是波长、入射光的方位角和天顶角、反射光的方位角和天顶角，五个变量的函数。
[0016]进一步，优选的是，根据目标几何模型，建立基于目标的基本坐标系，基本坐标系是右手笛卡尔直角坐标系，红外热像仪和太阳从原点用球坐标确定。
[0017]进一步，优选的是，根据目标/环境红外辐射模型，目标自身红外辐射主要是机身蒙皮辐射，反射环境红外辐射包括目标机身对太阳辐射、地表辐射、地表反射太阳辐射、地表反射天空辐射、天空辐射的反射，特殊情况存在云层反射辐射。
[0018]进一步，优选的是，双向反射分布函数模型常用的是基于微面元的CooK
‑
Torrance模型，其分为镜面反射部分和漫反射部分，漫反射部分可近似为理想的朗伯漫反射。
[0019]本专利技术提出一种低慢小飞行器红外辐射特性计算方法，包括目标几何模型、目标/环境红外辐射模型以及双向反射分布函数模型，其计算流程如图1所示：首先，利用目标原型参数构建目标几何模型及基本坐标系；其次，对目标/环境的辐射特性开展机理分析，分别计算影响目标红外辐射特性的环境辐射因素；最后，根据观察者、太阳、地表、天空相对目标的方位角、天顶角，结合双向反射分布函数模型，综合求解目标/环境红外辐射亮度、投影面积。由计算的目标/环境辐射亮度乘以投影面积得到目标辐射强度。
[0020]本专利技术提出一种低慢小飞行器红外辐射特性计算方法包含的目标几何模型采用一组平面近似描述，构建如图2所示的四棱锥简易模型。假定基本坐标系是一个Z轴垂直向上的右手笛卡尔直角坐标系，其中心O点位于四棱锥目标ABCDE顶面BCDE的中心，X轴指向目
标前端，Y轴指向目标左侧。红外热像仪和太阳从原点用球坐标确定。向量i为平面ABC的单位法向量(x
i
,y
i
,z
i
)，其方向向外。红外热像仪在目标坐标系中的天顶角和方位角为太阳在目标坐标系中的天顶角和方位角为根据坐标系转换方法得到红外热像仪、太阳在目标坐标系中的单位向量为(x
t
,y
t
,z本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低慢小飞行器红外辐射特性计算方法，其特征在于，该方法包括目标几何模型、目标/环境红外辐射模型以及双向反射分布函数模型三个模型；所述目标几何模型是根据飞行器外形参数对目标采用一组平面近似描述的立体几何结构；所述目标/环境红外辐射模型包括目标自身的红外辐射和目标反射环境红外辐射两部分；所述双向反射分布函数模型是反射方向小立体角内反射的辐射亮度与入射的辐射照度之比；该方法包括以下步骤：步骤1，利用目标原型参数构建目标几何模型及基本坐标系；步骤2，对目标/环境的辐射特性开展机理分析，分别计算影响目标红外辐射特性的环境辐射因素；步骤3，根据观察者、太阳、地表、天空相对目标的方位角、天顶角，结合双向反射分布函数模型，综合求解目标/环境红外辐射亮度、投影面积；步骤4，由计算的目标/环境辐射亮度乘以投影面积得到目标辐射强度。2.根据权利要求1所述的低慢小飞行器红外辐射特性计算方法，其特征在于：所述基本坐标系是右手笛卡尔直角坐标系，红外热像仪和太阳从原点用球坐标确定。3.根据权利要求1所述的低慢小飞行器红外辐射特性计算方法，其特征在于：所述目标自身红外辐射是机身蒙皮辐射，所述目标反射环境红外辐射包括目标机身对太阳辐射、地表辐射、地表反射太阳辐射、地表反射天空辐射、天空辐射的反射，特殊情况存在云层反射辐射。4.根据权利要求1所述的低慢小飞行器红外辐射特性计算方法，其特征在于，在步骤1中：所述基本坐标系是一个Z轴垂直向上的右手笛卡尔直角坐标系，其中心O点位于四棱锥目标ABCDE顶面BCDE的中心，X轴指向目标前端，Y轴指向目标左侧；红外热像仪和太阳从原点用球坐标确定；向量i为平面ABC的单位法向量(x
i
,y
i
,z
i
)，其方向向外；红外热像仪在目标坐标系中的天顶角和方位角为太阳在目标坐标系中的天顶角和方位角为根据坐标系转换方法得到红外热像仪、太阳在目标坐标系中的单位向量为(x
t
,y
t
,z
t
)，(x
s
,y
s
,z
s
)；则平面ABC的单位法向量i与红外热像仪视线方向的夹角α存在如下关系：目标相对红外热像仪方向的投影面积等于表面面积乘以由面法线和热像仪方向矢量之间的夹角的余弦：S
t
＝S
ΔABC
·
cosα
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)当cosα小于零时，则存在遮挡，其投影面积为零。5.根据权利要求1所述的低慢小飞行器红外辐射特性计算方法，其特征在于，在步骤2中：所述目标辐射亮度是各种分量的总和：L
total
＝L
sel
+L
rs
+L
re
+L
rsky
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)式中：L
total
为目标总的光谱辐射亮度，L
sel
为目标自身辐射亮度，L
rs
为目标反射太阳辐射亮度，L
re
为目标反射地表辐射亮度，其中包括地表辐射亮度、地表反射太阳辐射亮度、...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐晗，何兵，郭哲明，杨帆，王正强，李虹明，王娅楠，张成，高维峰，山玉科，彭代东，曾兴容，
申请(专利权)人：昆明物理研究所，
类型：发明
国别省市：