一种天基探测高速目标的全链路仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种天基探测高速目标的全链路仿真方法，包括：计算目标蒙皮辐射强度和目标激波层辐射强度，以获得目标蒙皮

【技术实现步骤摘要】
一种天基探测高速目标的全链路仿真方法


[0001]本专利技术属于目标探测
，具体涉及一种天基探测高速目标的全链路仿真方法。

技术介绍

[0002]高速飞行目标由于其速度极快难以被有效跟踪，天基红外探测系统因其高视角、探测范围广、预警时间长等优点，是未来实现高速目标探测的有效途径之一，因此建立天基探测高速目标的全链路仿真模型具有重要的意义。
[0003]现有的研究在目标辐射计算、天基探测能力研究上均取得了一定的进展。例如，陈海龙等在《低轨红外卫星对类HTV
‑
2高超声速飞行器探测能力研究》中，以HTV
‑
2类飞行器为研究对象，模拟了典型工况参数下飞行器的表面温度分布，结合红外探测器典型性能参数，给出了不同轨道高度下探测器信噪比与观测视角和工作波段的关系，在天基探测上取得了一定进展，但仍有以下不足：其在对目标辐射建模时，仅考虑飞行器蒙皮的辐射分布，而忽略了激波层的辐射分布，导致其目标辐射建模不够精确；且其在并未将云层背景的辐射考虑在内，针对目标与背景的辐射传输过程中的大气模块也并未进行讨论。又如，董士奎等人在《典型高超声速目标辐射特性研究》中讨论了典型高速目标本体、绕流尾焰、尾迹等红外辐射，分析了0.2～14μm谱段的光谱辐射特性，但其并未对目标与背景的红外辐射传输特性进行研究。
[0004]由此可见，现有天基探测高速目标的仿真方法仍存在以下问题：一是现有天基探测仿真中针对目标与背景辐射建模、与目标背景的辐射传输特性建模的准确度不足，并不能兼顾高精度的高速飞行目标本征辐射与激波层辐射建模，与高精准化的辐射传输建模；二是现有天基探测仿真中没有建立完整的全链路红外辐射传输模型体系，因此无法完整地、高准确度地实现对天基红外探测平台对高速目标的红外预警探测能力、探测波段的分析。

技术实现思路

[0005]为了解决现有天基探测高速目标的仿真方法中，对高速目标与复杂背景辐射模型精度差、且无法达到全链路仿真体系的问题，本专利技术提供了一种天基探测高速目标的全链路仿真方法。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
[0006]一种天基探测高速目标的全链路仿真方法，包括：
[0007]步骤1：分别计算目标蒙皮辐射强度和目标激波层辐射强度，以获得目标蒙皮
‑
激波层耦合辐射强度；
[0008]步骤2：构建地表背景红外辐射仿真模型和云层背景红外辐射仿真模型，并结合所述目标蒙皮
‑
激波层耦合辐射强度得到天基探测复杂背景下的红外辐射；
[0009]步骤3：基于大气红外辐射传输模型计算视线蒙皮、激波层的耦合上行辐射值，并结合所述天基探测下复杂背景的红外辐射得到光学系统入瞳前的辐射分布；
[0010]步骤4：将所述光学系统入瞳前的辐射分布与探测器效应进行叠加，以获得实际目标和背景的电压分布；
[0011]步骤5：基于所述实际目标和背景的电压分布进行探测性能分析及成像仿真，以实现高速目标
‑
复杂成像背景
‑
大气
‑
光学系统
‑
成像探测器的全链路红外辐射仿真。
[0012]本专利技术的有益效果：
[0013]1、本专利技术提供的天基探测高速目标的全链路仿真方法考虑了高速目标
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复杂成像背景
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大气
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光学系统
‑
成像探测器完整的全链路红外辐射传输模型，建立了完整的全链路红外辐射传输模型体系，实现了体系化的全链路天基探测高速目标的仿真，提升了天基红外探测平台对高速目标的红外预警探测能力、探测波段分析的完整性和准确性；
[0014]2、本专利技术利用计算流体力学软件对目标辐射特性建模，从而计算目标激波层、蒙皮两部分辐射传输结果，且利用全球卫星影像文件对地表背景与云层背景进行复杂背景红外辐射建模，因此能够提高目标与背景辐射建模仿真的准确度。
[0015]以下将结合附图及实施例对本专利技术做进一步详细说明。
附图说明
[0016]图1是本专利技术实施例提供的一种天基探测高速目标的全链路仿真方法的流程示意图；
[0017]图2是本专利技术实施例提供的另一种天基探测高速目标的全链路仿真方法的流程示意图；
[0018]图3是本专利技术实施例提供的飞行器蒙皮红外辐射强度分布图；
[0019]图4是本专利技术实施例提供的基于视在光线法的气体辐射计算模型图；
[0020]图5是本专利技术实施例提供的全球地表的发射率数据处理后的显示图；
[0021]图6是本专利技术实施例提供的全球地表温度数据处理后的显示图；
[0022]图7是本专利技术实施例提供的BRDF描述红外辐射反射传输示意图；
[0023]图8是本专利技术实施例提供的卷云环境仿真物理数据图；
[0024]图9是图8的数据对应的归一化BRDF值曲线图；
[0025]图10和图11分别是本专利技术实施例提供的通过MODTRAN获得大气上/下行辐射能量的示意图；
[0026]图12是本专利技术实施例提供的天基探测模式下点目标成像示意图。
具体实施方式
[0027]下面结合具体实施例对本专利技术做进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。
[0028]实施例一
[0029]请联合参见图1
‑
2，图1是本专利技术实施例提供的一种天基探测高速目标的全链路仿真方法的流程示意图；图2是本专利技术实施例提供的另一种天基探测高速目标的全链路仿真方法的流程示意图。本实施例提供的天基探测高速目标的全链路仿真方法具体包括以下步骤：
[0030]步骤1：分别计算目标蒙皮辐射强度和目标激波层辐射强度，以获得目标蒙皮
‑
激
波层耦合辐射强度。
[0031]可以理解的是，如何准确描述目标光谱辐射特性是研究目标成像特征演变规律的基础。高速目标的红外辐射特性主要分为蒙皮气动加热、激波层气体辐射两个方向。因此，本实施例也从上述两个方面进行目标红外辐射特性的分析。
[0032]具体的，步骤1包括：
[0033]11)利用流体力学软件对目标辐射特性建模，并分别计算目标蒙皮辐射强度和目标激波层辐射强度。
[0034]常规手段计算飞行器目标辐射特性时通常使用驻点温度法去拟合目标温度，为了建立准确的温度场模型，在本实施例中，采用CFD软件建立钝锥体飞行器几何模型，利用Fluent软件包计算流场温度和压强数据。
[0035]首先，计算目标蒙皮辐射强度，具体如下：
[0036]a、获得高速飞行器蒙皮温度数据T1和外部流域的温度数据T2。
[0037]b、根据飞行器蒙皮表面的温度数据T1，将高速飞行器的蒙皮网格作为微分小面源，通过飞行器材质的光谱发射率ε0，计算飞行器蒙皮微分小面源的辐射亮度L1：
[0038][0039]其中，c1＝3.74
×
108W
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种天基探测高速目标的全链路仿真方法，其特征在于，包括：步骤1：分别计算目标蒙皮辐射强度和目标激波层辐射强度，以获得目标蒙皮
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激波层耦合辐射强度；步骤2：构建地表背景红外辐射仿真模型和云层背景红外辐射仿真模型，并结合所述目标蒙皮
‑
激波层耦合辐射强度得到天基探测复杂背景下的红外辐射；步骤3：基于大气红外辐射传输模型计算视线蒙皮、激波层的耦合上行辐射值，并结合所述天基探测下复杂背景的红外辐射得到光学系统入瞳前的辐射分布；步骤4：将所述光学系统入瞳前的辐射分布与探测器效应进行叠加，以获得实际目标和背景的电压分布；步骤5：基于所述实际目标和背景的电压分布进行探测性能分析及成像仿真，以实现高速目标
‑
复杂成像背景
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大气
‑
光学系统
‑
成像探测器的全链路红外辐射仿真。2.根据权利要求1所述的天基探测高速目标的全链路仿真方法，其特征在于，步骤1包括：11)利用流体力学软件对目标辐射特性建模，并分别计算目标蒙皮辐射强度和目标激波层辐射强度，其中，所述目标蒙皮辐射强度的计算公式为：I1＝L1cosθ
tg
ΔA
tg
其中，L1为飞行器蒙皮微分小面源的辐射亮度，I1为小面源产生的辐射强度，θ
tg
为面源与对应法线的夹角，ΔA
tg
为小面源的面积；所述目标激波层辐射强度的计算公式为：其中，I
Δν
表示在波数Λv计算范围内目标激波层的辐射强度，v1表示波段的起始波数，v2表示波段的终止波数，I2表示本征光谱辐射强度；12)将所述目标蒙皮辐射强度I1和所述目标激波层辐射强度I
Δν
进行结合，获得目标蒙皮
‑
激波层的耦合辐射强度I
tg
，并将所述耦合辐射强度I
tg
转换为对应的辐射亮度L
tg
。3.根据权利要求2所述的天基探测高速目标的全链路仿真方法，其特征在于，在步骤2中，构建地表背景红外辐射仿真模型包括：21.1)获取全球地表的发射率数据ε1、地表温度数据T3；21.2)基于所述地表温度数据T3计算地表本征辐射M1，计算公式为：其中，h为普朗克常量，ν为波数，c为光速，k为玻尔兹曼常数；21.3)基于所述地表发出的本征辐射M1和所述地表的发射率数据ε1计算地表对目标的增强辐射E1，计算公式为：
其中，ΔA是地表小面源的面积，τ为云层到目标飞行器的大气透过率，θ
T
和θ
A
为地表小面源和目标之间的矢量与对应法线的夹角，l是高速飞行器与地表微元的距离；21.4)计算地表反射太阳的辐射E2，计算公式为：其中，E
s1
表示某一目标高度、波段、太阳天顶角下对应的太阳辐照度值，θ
s
表示太阳入射方向与地面微面元法线的夹角，θ
T
和θ
A
分别为地表小面源、目标之间的矢量与对应法线的夹角，τ1表示从地面到目标高度的大气透过率。4.根据权利要求3所述的天基探测高速目标的全链路仿真方法，其特征在于，在步骤2中，构建云层背景红外辐射仿真模型包括：22.1)获取云层温度数据T4和云层发射率ε2，其中，所述云层发射率ε2的计算公式为：其中，z1和z2分别为云层的上下界高度，σ(z)为水滴、冰晶的散射系数，k(z)为水滴、冰晶的消光系数；22.2)基于所述云层发射率ε2和所述云层温度数据T4计算云层本征辐射出射度M2，计算公式为：22.3)基于所述云层本征辐射出射度M2计算云层辐射对目标的增强辐射E3，计算公式为：其中，θ
T
为云层微分面源到目标的矢量与云层微分面源的法线之间的夹角，θ
A
为目标到云层微分面源的矢量与目标的法线之间的夹角，l1是高速飞行器与云层表面微元的距离，H
cd
为云层的高度，H1为云层高度的上限，H2为云层高度的下限；22.4)计算云层反射太阳的辐射L3，计算公式为：其中，E
s2
表示某一卷云目标高度、波段、太阳天顶角下对应的太阳辐照度，τ为云层到目标飞行器的大气透过率，表示云层反射到固定方向的辐亮度占照射到目标表面辐照度的比例，i和r分别代表入射方向和反射...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓蕊，刘鑫，李祎，杨宁，袁影，凌进中，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：