海面大型舰船目标红外成像研究

作     者：李振环 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：贺志宏

授予年度：2014年

学科分类：08[工学] 0824[工学-船舶与海洋工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 

主      题：舰船目标 实时性 温度场 辐射场 红外成像 

摘      要：航空母舰作为现代化海上战争的重要工具，其红外辐射特性的研究已成为国内外相关军事领域的重要课题。近年来，已有一些国内学者针对海面舰船目标的红外辐射特性进行了研究，但大部分仿真结果都局限于稳态，并不能适应现代化战争的实时性要求;再者，海洋环境下的气象条件是复杂多变的，这一点对于舰船温度场的影响是很大的。如果所建立的模型并没有充分考虑这些气象参数（风速、环境温度、洋面温度）的实时性变化，那么仿真得到的结果与实际情况难免会有所差别。 本文针对海面舰船进行建模，考虑外界气象参数的实时性变化，求取了舰船目标的非稳态温度场及红外辐射场。主要工作分为以下三个部分： (1)舰船目标的几何建模及相关数据文件的导出 使用Auto-CAD软件建立了舰船目标的三维几何模型，并将其导入到ANSYS有限元软件中完成对模型的修正及表面网格的划分。进一步，将网格数据文件导出，并运用蒙特卡罗法完成对面元与面元间、面元与海面间、面元与天空间的角系数或辐射传递因子的计算。 (2)求解舰船目标的非稳态及稳态温度场 分别模拟了太阳、天空及海面等背景对于舰船目标的辐射换热，把这些外部热源项叠加为整体的热源项，并考虑了内热源的作用、外部对流换热的作用、面元间横向导热的作用、面元与面元间多重反射的作用、面元与面元间辐射换热的作用等，建立了面元的能量守恒方程。利用隐式迭代格式，求解出舰船目标的瞬时非稳态温度场，并进一步求出某时某刻的稳态温度场。在此基础上，提出了两种反演舰船目标温度场的方法。 (3)舰船目标的红外热成像 利用OpenGL图形库的遮挡函数来确定舰船目标的有效辐射面元，从而对舰船目标进行不同方位的点源辐射亮度计算。此外，采用网格裁剪法改进了传统的蒙特卡罗法成像的斑驳性，获得了能反映出舰船表面温度分布的清晰热像图。最后，考虑海面背景的重要性，运用简化的经验模型来模拟海面的红外辐射特性，对加入海面视场的舰船目标成像进行了初步探索。