四波段飞机尾焰红外辐射的数值计算与图像仿真

    王昭 王玲芳 孙豹

    

    

    

    DOI：10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2018.06.015

    摘要：通过对喷气式飞机尾焰流场特点的深入分析，绘制了尾焰的等温线图和各组分分压图。在深入对比和分析几种红外辐射计算方法后，确定选择精度较高的模型逐线积分算法。同时对HITRAN数据库提供的光谱谱线参数进行外推，得到在尾焰物理参数下的辐射计算数据，进而得到尾焰气体的吸收参数和辐射参数。综合得到的辐射参数，求解C-G谱带模型所给出辐射传输方程。最终，计算得到某喷气式飞机在非加力状态下，1.8～2.6μm，3.0～4.1μm，4.1～5.0μm，7.7～9.5μm波段内，沿特定视线方向上的尾焰红外辐射。根据计算得到的辐射结果，利用图形引擎OGRE仿真四波段的红外图像及添加大气效应后的变化。

    关键词：红外辐射;尾焰;HITRAN;逐线积分法;粒子系统;大气效应

    中图分类号：TJ765.4+3;V235.11文献标识码：A文章编号：1673-5048（2018）06-0090-05[SQ0]

    0引言

    飞行器发动机喷射的高温气流即尾焰，在近红外到长波红外范围内都可能存在较强的辐射，该红外辐射为预警、监视和跟踪提供了明显的探测特征。开展尾焰红外辐射特性研究的手段主要有数值模拟和实际测量[1]。尾焰辐射特性的计算研究较多的是火箭尾焰的计算，飞机尾焰的计算也采用了类似于计算液体火箭尾焰的方法进行。尾焰辐射数值计算算法目前有热流法[2]、有限体积法（FVM）[3]、离散坐标法[4]、蒙特卡罗法[5]、C-G（CurtisGodson）近似法等。一般来说，尾焰红外特性的计算包括尾焰流场计算、尾焰辐射参数计算、辐射传输方程离散和求解等步骤[6]。

    然而，上述方法中所使用的尾焰气体的红外参数大都来自于NASA提供的手册[7]，该手册覆盖的温度区间、光谱区间不全，光谱分辨率不高（多为25cm-1）。本文利用美国空军地球物理实验室建立的HITRAN数据库采用置信度较高的逐线积分法（LBL）[8]提高了吸收系数和透过率的精度，并以此得到了1.8～2.6μm，3.0～4.1μm，4.1～5.0μm，7.7～9.5μm波段内，不同观测角度下尾焰辐射。

    同时基于OGRE粒子系统完成了对四个波段下尾焰辐射图像仿真，并利用可编程渲染管线仿真了红外尾焰在添加大气效应后的变化。

    1.3辐射传输方程的离散和求解

    由于尾焰内部是非均匀的高温气体，且内部气体在辐射传输时，受到外侧气体吸收的影响。尾焰辐射在计算时需被划分成一个个气体微元，对每个微元辐射求和后得到尾焰整体的辐射。尾焰辐射数值计算算法使用的是逐视线积分法[10]，逐视线积分法是在特定的视线方向上对尾焰气体分层，每一层的气体温度和压强呈均匀分布。在每一层利用辐射传输方程对光谱通过率进行波数上的积分得到视线方向上的辐射亮度，是一种简单、准确的计算方法。

    在飞行马赫速度1的条件下，距尾喷口3m处观察，不同角度尾焰四个波段的辐射亮度计算结果如图7所示。

    2红外尾焰图像仿真

    粒子系统技术在三维渲染中能够模拟物体的随机性和不规则性，是模拟飞行器尾焰的理想选择[17]。使用OGRE引擎，利用其GPU可编程渲染管线，模拟了飞机尾焰在考虑大气效应及成像系统噪声下的效果。图8分别为尾焰在四个波段下添加大气效应和噪声的成像仿真结果。4.1～5.0μm波段飞机处在相同的方位角、观测天顶角时，添加大气效应与否情况下的成像仿真结果如图9所示。

    3结论

    对圆形尾喷管飞机尾焰的红外辐射特征进行了计算，基于半经验模型得到尾焰的流场分布参数，并采用目前较为精确的逐线积分法得到尾焰中主要气体分子的吸收系数。吸收系数的计算结果与NASA所提供手冊上的结果非常接近，并且数据更加丰富。利用得到的大气分子吸收系数结合逐视线积分法获得了1.8～2.6μm，3.0～4.1μm，4.1～5.0μm，7.7～9.5μm波段内的尾焰辐射亮度，并给出了基于粒子系统的红外图像仿真结果。

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