Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Математическое моделирование фоно-целевой обстановки летательного аппарата над уровнем моря

https://doi.org/10.38013/2542-0542-2021-2-42-47

Полный текст:

Аннотация

Разработанная программная модельная среда позволяет оценить мощностные характеристики фонового излучения. Метод ее реализации позволяет получать индикатрисы излучения Солнца с учетом отраженного излучения от водной поверхности. Высокий уровень универсальности модельной среды дает возможность проводить расчеты для любых летательных аппаратов при различных состояниях поверхности воды в нескольких спектральных диапазонах.

Для цитирования:


Рязанцева В.А., Стешенко К.Н., Никеев Д.Д., Гаврилов Е.В. Математическое моделирование фоно-целевой обстановки летательного аппарата над уровнем моря. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2021;(2):42-47. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2021-2-42-47

For citation:


Riazantceva V.A., Steshenko K.N., Nikeev D.D., Gavrilov E.V. Mathematical simulation of aircraft background-target environment above sea level. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2021;(2):42-47. (In Russ.) https://doi.org/10.38013/2542-0542-2021-2-42-47

Введение

При моделировании фоно-целевой обстановки основной вклад в пространственное распределение энергии вносит излучение летательного аппарата (ЛА). В настоящее время существуют работы, посвященные расчетам и моделированию характеристик излучения двигателей ЛА [1][2], разработаны методики полного расчета пространственного распределения энергии [3]. Работы в данной области дают достаточно точную оценку излучения ЛА, однако для полной оценки фоно-целевой обстановки также необходим учет излучения от фоновых объектов (поверхность воды, учет рассеянного излучения в условиях тумана и при наличии облаков). Несмотря на наличие работ, подробно описывающих расчет параметров отраженного излучения от водной поверхности [4] и характеристик рассеянного излучения в условиях тумана и облачности [5][6], все еще отсутствует программная реализация, учитывающая и излучение ЛА, и фоновое излучение. Поэтому существует необходимость в создании единого универсального инструмента для данных вычислений.

Методика расчетов

Данная работа является логичным продолжением работы [7], в которой была предложена модель, позволяющая получить характеристики излучения ЛА. Здесь представлена новая модель с учетом фонового излучения, в том числе и отражения от поверхности воды.

Основной вклад в фоновое излучение вносит излучение Солнца. Спектр солнечного излучения I(λ, T) полагается соответствующим излучению абсолютно черного тела с температурой 6000 К [8] и рассчитывается по формуле Планка:

 (1)

где h – постоянная Планка, с – скорость света в вакууме, k – постоянная Больцмана, Т – температура, λ – длина волны.

Особенностью расчета фонового излучения над поверхностью воды является необходимость производить моделирование излучения, рассеянного на туманах и дымках. Параметры излучения, прошедшего через толщу водных аэрозолей, значительно отличаются от параметров излучения, прошедшего сквозь слой атмосферы, который состоит только из молекул газа, и поэтому требуют отдельного расчета. Учет рассеяния солнечного излучения на водных аэрозолях происходит в соответствии с теорией Ми и формулами (2) и (3), описанными в [9]:

где Qэкст, Qрас – коэффициенты эффективности экстинкции и рассеяния излучения аэрозолями соответственно, вычисляемые через коэффициенты Ми an, bn; а x – параметр, характеризующий отношение размера аэрозольной частицы к длине волны излучения.

Еще один важный фактор, вносящий вклад в итоговую картину распределения излучения, – это отражение излучения от водной поверхности. В расчетной модели поверхность воды разбивается на элементарные площадки и итоговое отражение рассчитывается как сумма вкладов от каждой площадки. Отражение каждой площадки считается ламбертовским, и коэффициенты отражения рассчитываются по формулам Френеля (4) [8]:

где r||, r – продольная и поперечная компоненты амплитуды отраженной волны, τ||, τ – продольная и поперечная компоненты амплитуды прошедшей волны, α1 – угол падения, α2 – угол отражения, n1 – показатель преломления среды, в которой свет распространяется до отражения, n2 – показатель преломления среды, в которую свет попадает после отражения.

Использование в расчетах элементарных площадок варьируемого размера позволяет учитывать различную степень волнения водной поверхности при моделировании. Пример формирования водной поверхности представлен на рисунке 1.

Рис. 1. Пример полигонального разбиения поверхности воды для расчета отражения (зеленая, красная, синяя линии – оси прямоугольной системы координат)

Для демонстрации результатов моделирования предусмотрена возможность визуализации полученного излучения. Были проведены расчеты коэффициентов отражения для учета интенсивности отраженного света от разных типов водных поверхностей в нескольких оптических диапазонах. Полученные результаты (рис. 2) используются для дальнейшего моделирования фоно-целевой обстановки.

Результаты

Для построения индикатрисы излучения, отраженного от водной поверхности, используется метод, описанный в [7]. Варьируемыми параметрами являются угол наблюдения и состояние водной поверхности, которое можно оценить по десятибалльной шкале. Спектр излучения Солнца, дошедшего до водной поверхности, с учетом поглощения атмосферным воздухом и аэрозолями в видимом и ближнем ИК диапазонах представлен на рисунке 3. Поглощение атмосферных газов соответствовало поглощению стандартной атмосферы и рассчитывалось с использованием базы данных HITRAN [10], концентрации и распределение аэрозолей получены на основе лидарных данных. Результаты построения индикатрисы в видимом диапазоне представлены на рисунке 4 при угле падения солнечных лучей 60°. При волнении водной поверхности в 1 балл ее можно считать достаточно гладкой, и, следовательно, отражение возникает под углом 60 градусов. При углах наблюдения 30° и 60° рассеяние излучения близко к равномерному (рис. 4а, в). При угле наблюдения 40° появляется выделенная ось, соответствующая углу отражения (рис. 4б). При 5-балльном возмущении водная поверхность сильно деформирована и блики возникают произвольно, поэтому нет выделенного направления отражения, что можно наблюдать на рисунке 4 (г–е).

Рис. 3. Спектры излучения Солнца, дошедшего до водной поверхности, с учетом поглощения атмосферным воздухом и аэрозолями, в диапазоне: а) 0,3–1,0 мкм, б) 2–6 мкм, в) 8–14 мкм

Рис. 4. Зависимость распространения отраженного излучения от азимута при различных углах места наблюдения: а) 30°, б) 40°, в) 60° при волнении водной поверхности в 1 балл, г) 30°, д) 40°, е) 60° при волнении водной поверхности в 5 баллов

Итоговый спектр отраженного излучения, вносящий наибольший вклад в фоноцелевую обстановку в условиях нахождения цели над морской поверхностью, представлен на рисунке 5. Данные спектры получены для незеркального отражения от поверхности моря при угле обзора 45° на дистанции 1 км от поверхности отражающей площадки.

Рис. 5. Спектры излучения Солнца, отраженного водной поверхностью, в диапазоне: а) 0,3–1,0 мкм, б) 2–6 мкм, в) 8–14 мкм

Заключение

Разработана программная среда, позволяющая в зависимости от угла наблюдения оценить мощностные характеристики фонового излучения.

Разработанная программная среда обладает большой гибкостью и позволяет проводить расчеты при различных состояниях водных и твердых поверхностей. Разработанная программная среда может быть использована для создания оптико-электронных систем.

Список литературы

1. Филиппов Г. С. Математическое моделирование излучения двигательной установки АЛ-31Ф в инфракрасном диапазоне. Вестник Самарского государственного космического университета им. академика С. П. Королёва (национального исследовательского университета). 2014. №. 4 (46). С. 99–106.

2. Кузьмин В. А. и др. Тепловое излучение гетерогенных продуктов сгорания в факеле модельного ракетного двигателя. Теплофизика и аэромеханика. 2015. Т. 22. №. 3. С. 385.

3. Тымкул Л. В., Тымкул В. М. Системы инфракрасной техники. СГГА, 2007.

4. Показеев К. В., Чаплина Т. О., Чашечкин Ю. Д. Оптика океана. МГУ, 2010.

5. Акименко Т. А., Горбунова О. Ю. Прохождение света сквозь аэрозольную среду. Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2011. Вып. 5 ч. 3. С. 82–87.

6. Егоров А. Д., Потапова И. А., Ржонсницкая Ю. Б. Теория и эксперимент в области лидарного зондирования атмосферы. Вопросы радиометеорологии. Сборник статей, посвященный памяти В.Д.Степаненко. СПб.: ВКА им. А. Ф. Можайского. 2013. С.193–205. DOI: 10.13140/RG.2.1.2830.9924

7. Стешенко К. Н. и др. Математическое моделирование зависимости мощности излучения летательных аппаратов от угла наблюдения. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2018. № 3 (26). С. 98–104.

8. Тимофеев Ю. М., Васильев А. В. Теоретические основы атмосферной оптики. СПб.: Наука, 2003. 474 с.

9. Wiscombe W. J. Improved Mie scattering algorithms. Applied optics. 1980. Vol. 19. No. 9. P. 1505–1509.

10. The HITRAN molecular spectroscopic database. https://hitran.org


Об авторах

В. А. Рязанцева
Акционерное общество «Научно-производственный комплекс Пеленгатор»
Россия

Рязанцева Валентина Александровна – инженер-программист 3 категории дирекции оптико-электронных систем.
Область научных интересов: исследование физических процессов в разряде, оптика. 

Санкт-Петербург



К. Н. Стешенко
Акционерное общество «Научно-производственный комплекс Пеленгатор»
Россия

Стешенко Кирилл Николаевич – начальник сектора общего ПО дирекции оптико-электронных систем.
Область научных интересов: дистанционные оптические методы исследования, газодинамические расчеты летательных аппаратов, пространственное моделирование физических процессов. 

Санкт-Петербург



Д. Д. Никеев
Акционерное общество «Научно-производственный комплекс Пеленгатор»
Россия

Никеев Дмитрий Дмитриевич – начальник отдела программного обеспечения дирекции оптико-электронных систем.
Область научных интересов: математическое моделирование физических процессов, генерация и распространение инфракрасного излучения. 

Санкт-Петербург



Е. В. Гаврилов
Акционерное общество «Научно-производственный комплекс Пеленгатор»
Россия

Гаврилов Егор Валерьевич – заместитель генерального директора – заместитель генерального конструктора.
Область научных интересов: разработка оптико-электронных систем. 

Санкт-Петербург



Для цитирования:


Рязанцева В.А., Стешенко К.Н., Никеев Д.Д., Гаврилов Е.В. Математическое моделирование фоно-целевой обстановки летательного аппарата над уровнем моря. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2021;(2):42-47. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2021-2-42-47

For citation:


Riazantceva V.A., Steshenko K.N., Nikeev D.D., Gavrilov E.V. Mathematical simulation of aircraft background-target environment above sea level. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2021;(2):42-47. (In Russ.) https://doi.org/10.38013/2542-0542-2021-2-42-47

Просмотров: 106


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2542-0542 (Print)