摘要：研究人工光源对地面目标表面温度的影响对目标红外特性的研究以及红外特征的模拟有重要的意义。建立了自然环境下人工光源照射地面目标的理论模型，通过建立导热微分方程和边界条件，得到了计算人工光源照射目标时目标表面温度的方法，以合肥某建筑物表面为例，对在不同时间段、不同光照参数时目标的表面温度进行了仿真计算与分析。结果表明：人工光源照射目标可以使目标表面温度发生改变，改变的程度取决于光源的照射功率、照射距离以及光源的入射角，一般情况下，晚上照射时表面温度变化明显，白天照射变化不太明显。

　　关键词：人工光照;地面目标;温度;计算分析

　　中图分类号：TN21 文献标识码：A

　　Analysis of ground targets’s surface temperature irradiated

　　through artificial illuminator

　　DU Shi-ming1,2, LV Xiang-yin1,2, FENG Yun-song2,ZHANG Wei2,ZENG Kai2,

　　CHEN Shan-jing2,WU Guang-ye1

　　(1.Pusled Power Laser Technology State Key Laboratory, Electronic Engineering Institute,

　　Hefei Anhui, 230037, China;

　　2.Key Lab of Infrared and Low Temperature Plasma of Anhui Province, Electronic Engineering

　　Institute, Hefei Anhui, 230037, China)

　　Abstract: Studying on surface temperature of ground targets effected through illuminator is a great signification to infrared characteristic and simulate for infrared characteristic. The theory model which the ground targets are irradiated through artificial illuminator is built, through building heat conduction differential equations and boundary condition, the method of calculating temperature of targets through artificial illuminator is obtained, taking the building’s surface for example, the surface temperature is calculated and discussed in different irradiation times and illumination parameters. The results show that temperature of targets are changed when the ground targets are irradiated through artificial illuminator, the degree of variety is determined by illuminator’s power, distance, incident angle, in general conditions, the surface temperature is changed obviously in the night, but not in the daytime.

　　Keywords: artificial irradiation; ground targets; temperature; Numerical analysis

　　1 引言

　　目标的红外识别、资源的红外遥感和遥测所依据的是物体自身及其所处环境的红外辐射特征和彼此之间红外辐射对比特征。物体的红外辐射特征主要是取决于物体自身温度分布和表面的辐射特性，因此研究物体(目标)的红外辐射特征应首先研究物体的温度分布及变化规律[1]。由于目标的温度是与背景相互作用，相互影响的结果，而这些影响因素往往是比较复杂的，受地理位置、气象条件、季节以及其它光源的干扰，很多学者和机构在研究时只考虑了自然环境因素，而对外界光源的影响却未加考虑。随着社会的发展，各种光源广泛应用于各个领域，使得外界光源对目标与背景的影响不容忽视。因此，文章在合理的假设下，建立了采用人工光源照射目标的模型，对人工光源照射目标时目标表面温度的影响进行了分析，为进一步进行目标红外特性的研究以及红外特征的模拟提供依据。

　　收稿日期：2010-00-00;收到修改稿日期：2010-00-00

　　基金项目：安徽省重点实验室基金(编号：2007A0103013Y)

　　作者简介：杜石明(1983-)，男(汉族)，四川广元人，硕士研究生，主要研究工作是目标红外特性和光电对抗。E-mail:dushim@126.com

　　2 人工光源照射目标的理论模型

　　由于地面目标的结构形状复杂，外界环境不断变化，目标与外界不断交换能量，使得对人工光源照射地面目标表面温度的研究相当复杂，因此，作出如下的几种假设对问题进行简化：(1)目标的长、宽尺寸远大于厚度尺寸，将三维导热问题简化为一维问题来处理。(2)目标材料为各向同性的均匀材料，目标表面温度分布均匀。(3)假设目标没有内热源，目标室内空气温度不变，忽略目标内壁间的辐射换热与外壁面的汽化潜热。

　　图1 理论模型图

　　Fig.1 The theory model

　　图2 人工光源照射目标表面的坐标轴

　　Fig2 The coordinate axes of artificial

　　illuminator irradiate the targets’s surface

　　3 目标表面温度的确定

　　3.1 导热微分方程与边界条件

　　根据上述假设，目标围护结构的导热微分方程为[2-3]

　　(1)

　　式中，为密度;为比热容;为时间;为导热系数.

　　外边界条件为

　　(2)

　　式中为边界面某处的外法线方向。上式左边表示由目标表面向内部导热而损失的热量，右边表示由辐射和对流综合作用造成的目标表面得到的热量。

　　内边界条件为

　　(3)

　　为内部的对流传热系数，为目标内表面温度，为目标室内温度

　　3.2目标温度的计算

　　用数值方法求解目标温度场时，首先要求解导热微分方程。在解微分方程时，对区域进行离散化，对于方舱式车体外壳、建筑物顶层面、壁面和路面，可将壁体从外向内分为个薄层,设总厚度为,则薄层厚度为,若同时令计算时间,,则时刻第个薄层的中心温度可表示为。

　　对于内部节点，利用前向差分法得出内部节点方程

　　(4)

　　最后经过整理得

　　(5)

　　式中，为目标的热导率。

　　对于外边界节点方程，需要利用能量平衡方法推出节点方程。则式(2)可以进过推导得节点方程为

　　(6)

　　式中为空气温度，为目标表面对光源的角系数，为目标表面发射率，为自然环境作用于目标表面的辐射热能，为光源照射功率，为光源照射距离，为被照物体表面法线方向与光源距离之间的夹角(文章为入射角)。在求解此方程时，面临着辐射项温度四次方的问题。为此，利用泰勒公式作线性化处理可得[4]

　　(7)

　　对于内边界节点经过整理得

　　(8)

　　4 仿真计算与分析

　　以合肥某钢筋混凝土结构的建筑物为例，顶层面积为6m×8m，于2010年5月28日采用氙灯[5]照射目标。对于光源与该表面的角系数可以采用定义或解析法计算，具体表达式可参考文献[6]，建筑物顶层厚度为0.25m，并把壁面从外向内分为 5个薄层。

　　4.1 不同时间段照射时目标的表面温度

　　为了准确的对人工光源照射目标的温度进行计算，我们对当天的温度进行了测量，并作出了气温模拟图。设光源照射功率为500W，垂直入射(指入射角为0º)，光照距离2m。分别对目标分为四个阶段进行照射，零晨0~24点，零晨2~4点，上午10~12点，晚上20~22点。

　　图3气温实测值与模拟曲线图

　　Fig.3 The simulation and measured

　　values of air temperature

　　图4凌晨0~24点加光照与不加

　　光照时目标表面温度

　　Fig.4 From zero to twenty four wee hours,

　　the different surface temperature between illumination and none illumination

　　图5零晨2~4点加光照与不加

　　光照时目标表面温度

　　Fig.5 From two to four wee hours the

　　different surface temperature between

　　illumination and none illumination

　　图6上午10~12点加光照与不加

　　光照时目标的表面温度

　　Fig.6 From ten to twelve wee hours the

　　different surface temperature between

　　illumination and none illumination

　　图7晚上20~22点加光照与不

　　加光照时目标的表面温度

　　Fig.7 From twenty to twenty two wee hours

　　the different surface temperature between

　　illumination and none illumination

　　从图4、5、6、7中我们可以看出，对目标进行人工光照，可以使目标的表面温度发生改变，而且有人工光源照射时目标的表面温度普遍比没有光源照射时的高。从不同时间段来看，目标表面温度改变的程度也不一样，在白天温度改变比较小，变化不太明显。在晚上对目标进行照射时，目标的表面温度变化比较明显，效果比较好，这是因为晚上没有太阳光照射，目标表面温度比较低，当人工红外光源照射时，目标从光源那里得到了能量，使目标的损失能量得到了补偿，因此表面温度变化比较明显。

　　4.2 不同光照参数时目标的表面温度

　　(1)光照距离的影响

　　在考虑光源距离与表面温度关系时，我们作了一些假设，设光源的入射角为0°，光源照射功率为500W，照射时间7点至8点(以1h为准)。

　　图8 光照距离与目标表面温度的关系

　　Fig.8The relationship between illuminator’sdistance and surface temperature

　　从图8我们可以看出，当入射角、照射时间与照射功率一定时，目标的表面温度随着光照距离的增大而减小，光源越靠近目标，目标的表面温度变化越明显，光源越远离目标，目标的表面温度变化越不明显，当距离远到一定程度时，目标的温度趋于平衡，最终目标与背景保持原来的状态，这时光源对目标的温度影响可以忽略。

　　(2)光照功率的影响

　　在考虑光照功率与表面温度关系时，假设光源的入射角为0°，光照距离为2m，照射时间7点至8点(以1h为准)。

　　图9 光照功率与目标表面温度的关系

　　Fig.9 The relationship between illuminator’spower and surface temperature

　　从图9可以看出，当入射角、光照距离与照射时间一定时，目标表面温度随着光照功率的增加而增加，功率越大，目标表面的温度变化越明显，对目标的表面温度影响越大。

　　(3)光源入射角的影响

　　在考虑光源入射角与表面温度关系时，假设光源的照射距离为2m，光源照射功率为500W。(这个时候光照时间没有多大的关系，因为取任意一个时间段照射时，其变化趋势相同)

　　图10光源入射角与目标表面的关系

　　Fig.10 The relationship between illuminator’s

　　incident angle and surface temperature

　　从图10可以看出，当光源照射距离与照射功率一定时，目标表面温度随着入射角的增大而减小，入射角越大，目标温度减小的速度越快，当入射角为90º时，既光源与目标平行，此时，光源的照射几乎对目标没有多大的影响，目标的表面温度与环境保持平衡状态，这说明了垂直照射比平行照射对目标表面温度的影响大。

　　5 结论

　　通过对人工光源对地面目标表面温度的影响分析，我们可以得到主要结论如下：

　　(1)人工光源照射目标可以使目标的表面温度发生改变，改变的程度取决于光源的照射功率、照射时间、照射距离以及光源的入射角。

　　(2)在人工光照参数一定的情况下，从不同时间段来看，目标表面温度改变的程度也不一样，在白天照射时，目标表面温度改变比较小，变化不太明显;在晚上照射时，目标的表面温度变化比较明显，光源对目标的影响大。

　　(3)在相同条件下，光源的照射功率越大，目标表面的温度变化越大，光源对目标的影响就越大;近距离照射比远距离照射对目标表面温度的影响大;垂直照射比平行照射对目标表面温度的影响大。

　　参考文献:

　　[1] XUAN Yi-min,HAN Yu-ge.The infrared characteristic of ground targets and backgrounds[M].BEI Jing:National Defence Industry Press(宣益民,韩玉阁.地面目标与背景的红外特征[M].北京:国防工业出版社),2004.

　　[2] ZHAO Zheng-nan.Heat Transfer[M].BEI Jing: Higher Education Press(赵镇南.传热学[M].高等教育出版社),2002.

　　[3] CHEN Xuan,YUAN Jiang-tao,YANG Li.The study on infrared characterization and stealthy technology of ground targets[J].Journal engineering thermophysics.(陈儇,袁江涛,杨立.地面目标红外特性及其隐身技术研究[J].工程热物理学报),2007,28(5):844~846.

　　[4] LV Xiang-yin,LING Yong-shun,HUANG Chao-chao. Calculation of surface temperature and infrared radiation for ground target[J]. Infrared and Laser Engineering.(吕相银,凌永顺,黄超超.地面目标表面温度及红外辐射的计算[J].红外与激光工程),2006,35(5):563~567.

　　[5] CHEN Da-hua.Technology characteristic and application of Xe lamp[J].Journal of lamps and lighting(陈大华.氙灯的技术特性及其应用[J].光源与照明),2008,(4):18~20.

　　[6] Robert Siegel and John R.Howell.Translation by CAO Yu-zhang.Thermal radiation heat transfer[M].BEI Jing:Science Press(R:西格尔,J.R.豪厄尔.曹玉璋译.热辐射传热[M].北京:科学出版社),1990.