Infrared radiation characteristic analysis & temperature field calculation of ship target based on r

Research of Materials Science March 2015, Volume 4, Issue 1, PP.20-27

Infrared Radiation Characteristic Analysis & Temperature Field Calculation of Ship Target Based on Radtherm Shenghui Zhang#, Yan Zhang, Jicheng Li, Dong Chen ATR, National University of Defense Technology, Changsha Hunan 410073, China #

Email: zhangshenghuill@163.com

Abstract Facing the requirement of target detection and recognition of infrared imaging system, on the basis of considering completely of ship material, the model of thermal, boundary condition and environment, the infrared radiation characteristic of ship target is researched on particularly, And the calculation of temperature field model and the modeling of infrared radiance intensity are carried out of certain place, weather condition and different time with the help of Radtherm. The theoretic analysis of emulational image and the contrast of measured long-wave infrared image demonstrate the effectiveness and accuracy of the infrared radiation characteristic analysis of ship target and the calculation of temperature field in this paper.

Keywords: Radtherm; Modeling of Infrared Radiation Characteristic; Distributing of Temperature Field; Infrared Radiance Intensity

基于 Radtherm 软件的舰船目标红外辐射特性分析 及温度场计算方法研究 张胜辉，张焱，李吉成，陈东 国防科学技术大学 自动目标识别重点实验室，长沙 410073 摘 要：面向红外成像系统的目标探测识别需求，依托 Radtherm 红外辐射特性分析软件，在全面考虑舰船材质，传导、 对流和辐射等传热模型以及边界条件和自然环境等基础上，详细研究了舰船目标的红外辐射特性，并实现了特定地点、 特定气象条件、不同时刻下的温度场模型计算及红外辐射亮度仿真，通过对仿真图像的理论分析以及与实测红外长波图 像对比，验证了本文方法对舰船目标红外辐射特性分析及温度场计算的有效性和准确性。 关键词：Radtherm 软件；辐射特性建模；温度场分布；辐射亮度仿真

引言 红外成像探测系统对舰船目标的探测和识别，在很大程度上取决于舰船本体和周围海天背景的红外辐射 特性差异。研究舰船与海天背景红外辐射特性对于反舰制导武器装备的研制、舰船的红外隐身设计、仿真训 练和实战都具有重要的意义。近年来，国内一些研究团体针对舰船的红外辐射特性及影响其辐射强度的因素 等开展了一系列研究。季卫亚，胡江华等人[1]在深入分析影响舰船红外辐射特性的因素基础上，研究了舰船 红外辐射特性的模型构建及数学描述，以及舰船红外辐射的控制技术。袁江涛、杨立等人[2]则分析了舰船红 外辐射的产生的原因及其物理属性，估算了舰船各红外辐射源的相对强度，并深入研究了舰船红外辐射的控 制策略，对舰船隐身技术研究具有重要价值。任海刚、陈汉平[3]等从红外图像仿真的角度研究了海面场景的 发射率模型，分析了灰体模型、经验模型和理论模型等三种海面发射率的计算模型。综上所述，目前围绕舰 - 20 http://www.ivypub.org/rms

船目标及海面背景的红外辐射特性研究工作，集中于辐射特性仿真模型构建及影响因素分析，国内学者对基 于红外辐射特性的温度场计算及不同探测条件下的红外舰船目标图像仿真工作研究甚少。本文面向红外制导 武器的目标探测识别需求，依托 Radtherm 红外辐射特性分析软件，以实测长波红外舰船目标为模型，在全面 考虑舰船材质，传导、对流和辐射等传热模型以及边界条件和自然环境等基础上，定量地研究舰船目标的红 外辐射特性，并实现特定地点、特定气象条件下、不同时间的温度场模型计算以及红外图像仿真，以期为后 续的基于红外辐射特性的目标探测识别提供理论依据。

1

Radtherm 软件基本知识 Radtherm 是美国 Thermo Analytics 公司与福特汽车公司联合开发的新一代高级热管理设计与分析工具。

Radtherm 采用 C++语言编写，是跨平台运行、功能全面的系统级专业热管理设计分析软件。软件配备了所 有与热分析相关的各种材料参数、边界条件和自然环境条件。Radtherm 考虑了热传导、对流换热和热辐射 三种传热方式，能快速准确地计算热辐射的多次反射，可以模拟不同地理位置太阳照射、云层遮挡和散射等 自然环境和天气条件的影响，分析长时间的瞬态热状况，为用户提供完善的热求解方案。软件提供的材料库 涵盖了汽车、飞机、船舶等行业的常用材料，同时软件提供了开放的编译环境，用户可以根据实际需求增加 新的材料到材质数据库里。在运行过程中，用户只需要输入目标及背景的三维模型与纹理特性，指定目标各 部分的材质、边界条件、初始温度、各部分之间及其与周围背景的热交换模型，就可以进行目标红外特性分 析与计算。输入的条件越精确，软件计算分析得出的温度场、辐射强度等也会更接近实际情况。 软件的用户界面如图 1 所示，包括选择窗口、图形窗口、状态窗口三个区域，较为友好，方便用户快速 学会使用该软件进行热分析。

图 1 Radtherm 软件交互界面

1.1 选择窗口 选择窗口有五个选项，分别为：几何、编辑、分析、特征和后置处理。几何选项是大多数热学问题分析 的起点，包含创建和编辑的所有功能，用户可以打开存在的几何图形，可以创建新的几何图形，也可以编辑 打开的几何图形。编辑选项用于设置或修改模型的热性能,以便可以进行热分析，在这个选项下用户可以给 模型中每一个部分指定合适的类型、特性、边界条件，可以指定环境条件、曲线类型、材料特性和表面属 性，还可以将热性能相近的元素合在一起成为一个部分。分析选项是热辐射模拟参数设定和运行的地方，在 这里用户可以设置热求解方案参数、进行热分析仿真并得到分析结果。在特征选项里，用户可以选则需要的 - 21 http://www.ivypub.org/rms

热分析所在辐射波段和时间。后置处理选项用来观察首次辐射模拟分析后的结果，在该选项下用户可以观察 模型每一个元素的热状态，可以绘制并输出模型整体或者一部分的温度、辐射度等随时间或者空间的变化曲 线。

1.2 图形窗口 图形窗口被用来以图形的方式观察热模拟结果，在这个窗口中，用户可以直观的看到模型上各部分的热 分布状况，并可显示模型的尺寸，模型旋转情况以及当前热分析的时间。

1.3 状态窗口 状态窗口显示被执行命令的概略情况及相关的信息。软件会记录一个模型上所有被执行的命令。但是， 命令历史只在模型被打开时保存，当模型被关闭或创建新的模型时，历史记录会被重置。

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基于 Radtherm 软件的舰船目标红外辐射特性分析与温度场计算

2.1 舰船三维模型的构建 舰船的几何形状相对规则，可以由一些基本的几何元素（点、线、面）以及这些基本元素的变化（如旋 转）元素按一定的次序来构造，其构造方法在计算机图形学等方面的文献中都会提到[4][5]。图 2 是本文利用 3d-max 软件设计实现的某舰船目标三维几何模型。

（a）前下视图

（b）俯视图

图 2 舰船三维几何模型

2.2 舰船模型的条件输入 根据舰船的功能区划和材质特性，将舰船模型分为 11 个区域，这样做既能较好地与实际舰船拟合，满 足后续红外特性分析的精度，又不会使模型过分复杂，增加后续计算的复杂度。通过“菜单”→“输入”→ “输入几何形状”就可以将上述构建好的舰船三维模型导入到软件中。但此时的舰船模型只有几何形状，没 有任何物理意义，只有给每一部分赋予特定的材质、边界条件等，舰船模型才有实际物理意义。通过“选择 窗口”的“编辑”选项对模型每部分的类型、特性、边界条件、环境条件、曲线类型、材料特性和表面属性 等进行指定。 在输入背景条件时，用户可以选择软件提供的默认背景(Bounding box)，也可以导入实测的背景数据文 件，本文根据资料，输入 2014 年 5 月 5 日 6:10-5 月 6 日 8:49 的厦门湾海域的气象数据，其中包括太阳辐照 度、大气温度、大气湿度、风速、云层遮盖情况等，作为背景输入条件实现特定地点、特定气象条件下的某 舰船目标温度场分布计算。 需要说明的是：舰船的内部结构复杂，所用的材料差异较大 [6][7]，如果完全按舰船的实际结构来指定模 - 22 http://www.ivypub.org/rms

型的材质，将会使计算十分复杂，由于计算误差的积累，最终结果可能与实际热情况相差较大，因此在指定 模型材质和传热模式时，本文只考虑舰船的主要的结构，忽略舰船次要的细微的结构，考虑对舰船热交换影 响较大的结构，忽略对舰船热交换影响微弱的结构。模型的区域①所处位置为舰船尾部，其内部为舰船发动 机，其传热模式为多层传导，由外向内只考虑三层：舰船围壁、大气、发动机，外层选用强度高耐腐蚀性好 的材料即不锈钢 316，材料密度为 7980kg/m3 ，热容为 493.712J/kg.K，传导率为 18.69W/m.K，辐射率为 0.28，钢板厚度为 50mm；中间层为空气，其厚度为 100mm；内层选用材质为铁，厚度为 500mm。初始温 度置为 16℃。依次指定模型中其他部分材质、传热模式等条件，结果如表 1 所示。 表 1 舰船功能区域及材质表 编号

名称

表层材质

编号

名称

表层材质

①

后围壁（内为发动机）

不锈钢 316

⑦

烟囱

铁

②

侧围壁（内有烟囱）

不锈钢 316

⑧

驾驶室

玻璃纤维

③

侧围壁（内为饮用水仓）

不锈钢 316

⑨

舰尾甲板

不锈钢 430

④

侧围壁

不锈钢 316

⑩

舰中甲板（下为饮水仓）

不锈钢 430

⑤

侧围壁(内为压载仓)

不锈钢 316

11

集装箱（覆盖帆布）

帆布

⑥

前围壁及舰首甲板

不锈钢 430

2.3 舰船温度场的计算与分析 舰船的温度场即为舰船系统内每个点上温度的集合，它可以表示为时间和空间的函数，即 T  f ( x, y, z, t ) ，T 代表温度， ( x, y, z ) 表示空间位置，t 为时间变量。当 T / t  0 时，此时温度场中发生着

三维非稳态导热，即瞬态温度场。当 T / t  0 时，即 T  f ( x, y, z,) ，温度只随空间变化，为稳态导热。 舰船温度场的变化是舰船对流换热、传导换热和辐射换热综合作用的结果，取决于舰船本身物理性能、 表面特征及环境因素。根据能量守恒原理，就可以实现舰船的温度场计算，特别是表面温度 T。 6

 Q(i)  0 i 1

b

(1)

Q(1) 为舰船吸收的辐射，包括舰船吸收太阳的短波辐射和大气、海面等的长波辐射；

Q(2) 为对流热交换，主要是舰船周围的海水、大气流动时在舰船表面发生的热量交换； Q(3) 为舰船的辐射，主要包括舰船自身的辐射和反射周围环境的辐射； Q(4) 为雨水、冷凝/蒸发的潜热交换，主要是雨水和水汽的冷凝和蒸发对舰船表面的温度的影响； Q(5) 舰船内部热源，主要是舰船内发动机等对舰船温度的影响； Q(6) 舰船内部的热传导，主要是舰船各个部分之间热传导发生的热交换。

当然，上述六个热交换行为不一定每个时刻都存在，并且它们对舰船温度影响作用大小也会随着时间而 变化。因此在舰船的热求解过程中，不同的时刻会以某一种或几种热交换行为为主，而忽略其它热交换行 为。 Redtherm 软件通过计算分析可以得到任意时刻舰船的瞬态温度场分布，图 3 为选取其中的 3 个时刻的舰 船温度场分布。从图中可以直观的看出各个时刻舰船上任何一个单元的温度分布情况。(a)、(b)、(c) 分别为 2014 年 5 月 5 日 8:09 时、15:09 和 5 月 6 日 1:10 舰船的温度场分布图。图 3(a) 中，舰船烟囱顶面和前甲板处 温度稍高，其它地方温度温度相近，分布较为平缓，这主要是因为此时太阳辐射强度较低，舰船的发动机出 于低功率工作状态，热行为 Q(1) 、 Q(3) 、 Q(5) 强度低，而其它热行为的影响较小，但甲板面和烟囱顶部受 到太阳直射，所以虽然前围壁和首甲板面材质相同，但甲板面温度略高于前围壁，烟囱的顶部的温度略高于 其它部分。图 3(b)中，舰船整体温度较高，分布变化剧烈，此时太阳辐射强烈，大气温度高，热行为 Q(1) - 23 http://www.ivypub.org/rms

和 Q(3) 强度高，导致舰船整体温度高，舰船发动机处于工作状态， Q(5) 强度高，导致舰船烟囱温度明显高 于其它部位。图 3(c) 中整体温度低于，但舰船各部分温度差异比较明显，此时没有太阳辐射，热行为 Q(1) 强度低， Q(3) 主要是考虑舰船自身辐射，而发动机处于低功率工作状态， Q(5) 强度低，但由于个部分材质 不同，材料热惯性差别大，再加上舰船各处面层和下层传热模型不同，即 Q(6) 不同，导致舰船温度各部分 差异明显。在一般情况下，热行为 Q(2) 非常复杂，其强度与流体速度，流体与舰船表面温差以及传热系数 共同决定； Q(4) 只在降雨时考虑，冷凝和蒸发只在凌晨和黄昏时对传热有影响，但其作用时间很短，实际 计算中通常不考虑[8]。

(a) 2014年5月5日08:09:20目标温度场

(b) 2014年5月5日15:09:14目标温度场

(c) 2014年5月6日01:10:16目标温度场

图 3 特定海域、特定气象条件下、典型时刻某舰船目标温度场分布情况

2.4 舰船辐射亮度的计算与分析 辐射强度是红外探测器对目标最直观的感知量，是目标与背景红外最重要的特征之一。一个温度为 T 的 灰体在单位时间内单位面积上辐射的总能量为： M   T 4

(2)

其中  为灰体辐射率，σ 为斯蒂芬-玻耳兹曼常数。图 4 为舰船辐射流随时间变化的曲线，(a) (b) (c) 分别 为净辐射、吸收的辐射、出射辐射随时间变化曲线，时间从 2014 年 5 月 5 日 6:10 到 5 月 6 日 8:49，其中 Elem303、Elem390、Elem103、Elem191 分别为舰船前围壁（模型图中⑥）、侧围壁（模型图中⑤）、烟囱 （模型图⑦）、驾驶室（模型图⑧）的一个单元面体。很明显，对于同一单元面体同一时刻有：净辐射流等 于吸收辐射流与出射辐射之差，净辐射流以流入为正流出为负。当净辐射流为正，表明吸收的辐射大于出射 的辐射，舰船处于辐射吸热状态；当净辐射为负，表明吸收的辐射小于出射的辐射，舰船处于辐射散热状 态；当净辐射为零时，舰船处于辐射热平衡状态。 - 24 http://www.ivypub.org/rms

(a) 净辐射流随时间变化曲线

(b) 吸收的辐射流随时间变化曲线

(c) 出射辐射流随时间变化曲线

图 4 舰船辐射随时间变化曲线

红外探测器能感知到的辐射是舰船的出射辐射，即(c)图的辐射。出射辐射由自身的辐射和反射环境的 辐射两部分组成，即 M   ε  λ  M  λ, Tt   ρl  λ  M  λ, Tae  dλ 0

(3)

式中： Tt 为目标温度 (K)； Tae 为表观环境温度 (K)； ρl  λ  为光谱反射率； ε  λ  为发射率； M  λ, Tt  为

舰船目标辐射度； M  λ, Tae  为背景辐射度；  0 表示在红外探测器响应的波段。

由式 (2) 和(3) 可以直观地看出，影响辐射度的因素有：舰船表面材料的辐射率和反射率，舰船的温度， 环境的辐射。随着太阳辐射的逐渐增强， M  λ, Tae  随之增大，当十二点时 M  λ, Tae  达到最大值，舰船的辐 射度达到最大值（十二点到十四点，由于舰船各部分材质的热惯性不同，到达最大值先后不同），然后随着 太阳辐射的减弱，舰船的辐射随着减小。这与 (c) 图的曲线走势较为吻合。结合舰船温度场分布，烟囱处的 温度高于舰船其它地方，而驾驶室的温度低于舰船的其它地方，故舰船烟囱处辐射度最高，驾驶室辐射度最 低，虽然侧围壁与前围壁表面材质差别不大，但是侧围壁内有压载仓，内有大量的压载用水，由于热传导的 影响，其温度低于前围壁，故其辐射度小于前围壁。所以辐射度由大到小依次是：烟囱（模型图⑦），前围 壁（模型图中⑥），侧围壁（模型图中⑤），驾驶室（模型图⑧），这与（c）图也较为吻合。

2.5 基于舰船目标温度场分布的红外辐射亮度图像仿真验证 图 5(a)为实测的舰船红外长波图像，探测时间为 2014 年 5 月 6 日 1:10，图 5(b) 和 (c) 为同一时刻舰船的 温度场仿真图和辐射亮度图。式 (3) 给出是舰船处的红外辐射度，而图 5(a) 中舰船的红外图像是舰船处的红 外辐射经过大气传输和探测器噪声影响后的综合结果[9]。 Eap =F  r   {ε  λ  M  λ, Tt   ρl  λ  M  λ, Tae  a (λ,r)  1   a (λ,r) M  λ, Ta }dλ 0

(4)

式中： F  r  为与距离有关的几何因子；  a (λ,r) 为大气光谱透射率； Ta 为气温；r 是镜头与目标间的 - 25 http://www.ivypub.org/rms

距离； 1   a (λ,r) 表示大气光谱发射率。等式右边第一项为探测器接受到得目标辐射度，第二项是大气路径 的辐照度。假设大气路径的瞬时辐照度和探测器的噪声对舰船各部分及背景辐射的影响是相同的，那么红外 探测器所成图像中舰船的灰度分布与舰船处的红外辐射亮度分布相同，与舰船的温度场分布相近。

(a) 实测目标红外长波图像

(b) 目标温度场分布图

(c) 本文仿真的目标辐射亮度图

图 5 舰船实测红外长波图像与仿真温度场、辐射亮度图像对比（2014 年 5 月 6 日 01:10）

比较图 (a) 与图 (b)、(c) 可以看出，图 (a) 中①（后围壁）、③（侧围壁）、⑤（前围壁及首甲板）、⑦ （烟囱）四个区域亮度高，对应图 (b) 中相应区域的温度较高，图 (c) 中相应区域亮度高；而图 (a) 中②（侧 围壁内有饮用水仓）、④（侧围壁内有压载仓）、⑥（驾驶室）三个区域亮度低，对应图 (b) 中相应区域温 度较低，图 (c) 相应区域亮度暗。从总体上看，舰船的温度场仿真图像、辐射亮度图像与舰船红外长波图像 灰度分布比较相近。

3

结束语 本文基于 Radtherm 软件对某舰船目标的红外辐射特性进行了详细的分析，在全面考虑各种影响舰船红

外辐射的因素和各种传热模型的基础上，计算得到舰船目标特定气象条件下的瞬时温度场分布和瞬时热辐射 状况，并基于温度场分布数据实现了舰船目标长波红外图像仿真。通过对仿真图像的理论分析以及与实测红 外长波图像对比验证，表明本文基于 Radtherm 软件的舰船目标红外辐射特性及温度场计算的有效性和准确 性。为后续的基于红外辐射特性的舰船目标检测识别研究奠定了良好的理论基础。

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10, no. 1,pp. 67-091, Feb. 2010

【作者简介】 1

张胜辉（1986-），男，汉族，在读研

2

张焱（1975-），女，汉族，博士，副研究员，研究方向为

究生，研究方向为光学成像自动目标识

光学成像自动目标识别。Email: atrthreefire@sina.com

别。Email: zhangshenghuill@163.com.

3

李吉成（1970-），男，汉族，博士，研究员，研究方向为

光学成像自动目标识别。Email: Peper0516@126.com 4

陈东（1970-），男，汉族，博士，研究员，研究方向为光

学成像自动目标识别。

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