四波段飛機尾焰紅外輻射的數值計算與圖像仿真

王昭 王玲芳 孫豹

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

摘要：通過對噴氣式飛機尾焰流場特點的深入分析，繪制了尾焰的等溫線圖和各組分分壓圖。在深入對比和分析幾種紅外輻射計算方法后，確定選擇精度較高的模型逐線積分算法。同時對HITRAN數據庫提供的光譜譜線參數進行外推，得到在尾焰物理參數下的輻射計算數據，進而得到尾焰氣體的吸收參數和輻射參數。綜合得到的輻射參數，求解C-G譜帶模型所給出輻射傳輸方程。最終，計算得到某噴氣式飛機在非加力狀態下，1.8～2.6μm，3.0～4.1μm，4.1～5.0μm，7.7～9.5μm波段內，沿特定視線方向上的尾焰紅外輻射。根據計算得到的輻射結果，利用圖形引擎OGRE仿真四波段的紅外圖像及添加大氣效應后的變化。

關鍵詞：紅外輻射;尾焰;HITRAN;逐線積分法;粒子系統;大氣效應

中圖分類號：TJ765.4+3;V235.11文獻標識碼：A文章編號：1673-5048（2018）06-0090-05[SQ0]

0引言

飛行器發動機噴射的高溫氣流即尾焰，在近紅外到長波紅外范圍內都可能存在較強的輻射，該紅外輻射為預警、監視和跟蹤提供了明顯的探測特征。開展尾焰紅外輻射特性研究的手段主要有數值模擬和實際測量[1]。尾焰輻射特性的計算研究較多的是火箭尾焰的計算，飛機尾焰的計算也采用了類似于計算液體火箭尾焰的方法進行。尾焰輻射數值計算算法目前有熱流法[2]、有限體積法（FVM）[3]、離散坐標法[4]、蒙特卡羅法[5]、C-G（CurtisGodson）近似法等。一般來說，尾焰紅外特性的計算包括尾焰流場計算、尾焰輻射參數計算、輻射傳輸方程離散和求解等步驟[6]。

然而，上述方法中所使用的尾焰氣體的紅外參數大都來自于NASA提供的手冊[7]，該手冊覆蓋的溫度區間、光譜區間不全，光譜分辨率不高（多為25cm-1）。本文利用美國空軍地球物理實驗室建立的HITRAN數據庫采用置信度較高的逐線積分法（LBL）[8]提高了吸收系數和透過率的精度，并以此得到了1.8～2.6μm，3.0～4.1μm，4.1～5.0μm，7.7～9.5μm波段內，不同觀測角度下尾焰輻射。

同時基于OGRE粒子系統完成了對四個波段下尾焰輻射圖像仿真，并利用可編程渲染管線仿真了紅外尾焰在添加大氣效應后的變化。

1.3輻射傳輸方程的離散和求解

由于尾焰內部是非均勻的高溫氣體，且內部氣體在輻射傳輸時，受到外側氣體吸收的影響。尾焰輻射在計算時需被劃分成一個個氣體微元，對每個微元輻射求和后得到尾焰整體的輻射。尾焰輻射數值計算算法使用的是逐視線積分法[10]，逐視線積分法是在特定的視線方向上對尾焰氣體分層，每一層的氣體溫度和壓強呈均勻分布。在每一層利用輻射傳輸方程對光譜通過率進行波數上的積分得到視線方向上的輻射亮度，是一種簡單、準確的計算方法。

在飛行馬赫速度1的條件下，距尾噴口3m處觀察，不同角度尾焰四個波段的輻射亮度計算結果如圖7所示。

2紅外尾焰圖像仿真

粒子系統技術在三維渲染中能夠模擬物體的隨機性和不規則性，是模擬飛行器尾焰的理想選擇[17]。使用OGRE引擎，利用其GPU可編程渲染管線，模擬了飛機尾焰在考慮大氣效應及成像系統噪聲下的效果。圖8分別為尾焰在四個波段下添加大氣效應和噪聲的成像仿真結果。4.1～5.0μm波段飛機處在相同的方位角、觀測天頂角時，添加大氣效應與否情況下的成像仿真結果如圖9所示。

3結論

對圓形尾噴管飛機尾焰的紅外輻射特征進行了計算，基于半經驗模型得到尾焰的流場分布參數，并采用目前較為精確的逐線積分法得到尾焰中主要氣體分子的吸收系數。吸收系數的計算結果與NASA所提供手冊上的結果非常接近，并且數據更加豐富。利用得到的大氣分子吸收系數結合逐視線積分法獲得了1.8～2.6μm，3.0～4.1μm，4.1～5.0μm，7.7～9.5μm波段內的尾焰輻射亮度，并給出了基于粒子系統的紅外圖像仿真結果。

參考文獻：

[1]王東，白冰，張雷，等.某噴氣發動機尾焰的中長波紅外輻射分析和比較[J].紅外，2017（1）：18-22.

WangDong，BaiBing，ZhangLei，etal.AnalysisandComparisonofMiddleandLongWaveInfraredRadiantIntensityofJetEngineExhaustPlume[J].Infrared，2017（1）：18-22.（inChinese）

[2RoelandFVORobertS.FastandAccurate4and6StreamLinearizedDiscreteOrdinateRadiativeTransferModelsforOzoneProfileRetrieval[J].QuantitativeSpectroscopy&RadiativeTransfer，2002，75（2）：177-220.

[3]阮立明，齊宏，王圣剛，等.導彈尾噴焰目標紅外特性的數值仿真[J].紅外與激光工程，2008（6）：959-962.

RuanLiming，QiHong，WangShenggang，etal.NumericalSimulationoftheInfraredCharacteristicofMissileExhanustPlume[J].InfraredandLaserEngineering，2008（6）：959-962.（inChinese）

[4]董士奎，于建國，李東輝，等.貼體坐標系下離散坐標法計算尾噴焰輻射特性[J].上海理工大學學報，2003（2）：159-162.DongShikui，YuJianguo，LiDonghui，etal.NumericalModelingofInfraredRadiationPropertiesofExhaustPlumebytheDiscreteOrdinatesMethodinBodyFittedCoordinates[J].JournalofUniversityofShanghaiforScienceandTechnology，2003（2）：159-162.（inChinese）

[5]帥永，董士奎，劉林華.高溫含粒子自由流紅外輻射特性的反向蒙特卡羅法模擬[J].紅外與毫米波學報，2005（2）：100-104.ShuaiYong，DongShikui，LiuLinhua.SimulationofInfraredRadiationCharacterisitcsofHighTemperatureFreeStreamFlowIncludingParticlesbyUsingBackwardMonteCarloMethod[J].JournalofInfraredandMillimeterWaves，2005（2）：100-104.（inChinese）

[6]張術坤，蔡靜.尾焰紅外輻射特性計算研究綜述[J].激光與紅外，2010（12）：1277-1282.

ZhangShukun，CaiJing.OverviewofExhaustPlumeInfraredRadiationSignaturesCalculation[J].Laser&Infrared，2010（12）：1277-1282.（inChinese）

[7]LudwigCB，MalkmusW，ReardonJE，etal.HandbookofInfraredRadiationfromCombustionGases[K].NASA，1973.

[8]YoungSJ.NonisothermalBandModelTheory[J].JournalofQuantitativeSpectroscopy&RadiativeTransfer，1977，18（1）：1-28.

[9]張海興，張建奇，楊威，等.飛機紅外輻射的理論計算[J].西安電子科技大學學報，1997，24（1）：82-85.

ZhangHaixing，ZhangJianqi，YangWei，etal.TheoreticalCalculationoftheIRRadiationofanAeroplane[J].JournalofXidianUniversity，1997，24（1）：82-85.（inChinese）

[10]吳劍鋒，何廣軍，趙玉芹.飛機尾向的紅外輻射特性計算[J].空軍工程大學學報：自然科學版，2006（6）：26-28.WuJianfeng，HeGuangjun，ZhaoYuqin.TheCalculationforStrengthofInfraredRadiationintheOppositeDirectionoftheAirplane[J].JournalofAirForceEngineeringUniversity：NaturalScienceEdition，2006（6）：26-28.（inChinese）

[11]馬千里，童中翔，張志波，等.基于窄譜帶模型的尾焰紅外輻射計算[J].紅外，2015，36（3）：39-44.MaQianli，TongZhongxiang，ZhangZhibo，etal.CalculationofExhaustPlumesInfraredRadiationBasedonNarrowBandModel[J].Infrared，2015，36（3）：39-44.（inChinese）

[12]MitselAA，FirsovKM.AFastLinebyLineMethod[J].JournalofQuantitativeSpectroscopy&RadiativeTransfer，1995，54（3）：549-557.

[13LacisAA，OinasV.ADescriptionoftheCorrelatedkDistributionMethodforModelingNongrayGaseousAbsorption，ThermalEmission，andMultipleScatteringinVerticallyInhomogeneousAtmospheres[J].JournalofGeophysicalResearchAtmospheres，1991，96（D5）：9027-9064.

[14]TangKC，BrewsterMQ.AnalysisofMolecularGasRadiation：RealGasPropertyEffects[J].JournalofThermophysics&HeatTransfer，1971，13（4）：460-466.

[15]RothmanLS，GordonIE，BarberRJ，etal.HITEMP，theHighTemperatureMolecularSpectroscopicDatabase[J].JournalofQuantitativeSpectroscopy&RadiativeTransfer，2010，111（15）：2139-2150.

[16]GamacheRR，KennedyS，HawkinsR，etal.TotalInternalPartitionSumsforMoleculesintheTerrestrialAtmosphere[J].JournalofMolecularStructure，2000，517：407-425.

[17]劉凡，肖樹臣，沙俊名，等.基于Vega粒子系統的飛機尾焰紅外仿真[J].紅外技術，2011，33（10）：606-609.

LiuFan，XiaoShuchen，ShaJunming，etal.PlaneTailFlameIRSimulationBasedonVegaParticleSystem[J].InfraredTechnology，2011，33（10）：606-609.（inChinese）