Математическая модель эффективного излучения воздушных объектов с учётом восходящего и нисходящего излучений в безоблачной атмосфере в инфракрасном диапазоне длин волн

Нестеров М.С., Афанасьева Е.М., Лопин В.И.

Полный текст на elibrary.ru

Ссылка для цитирования:

Нестеров М.С., Афанасьева Е.М., Лопин В.И. Математическая модель эффективного излучения воздушных объектов с учётом восходящего и нисходящего излучений в безоблачной атмосфере в инфракрасном диапазоне длин волн // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 4. С. 32–41. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-04-32-41

Nesterov M.S., Afanasieva E.M., Lopin V.I. Effective radiation mathematical model of air objects taking into account ascending and descending radiation in a cloudless atmosphere in the infrared wavelength range [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 4. P. 32–41. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-04-32-41

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Эффективное излучение воздушных объектов в диапазонах длин волн 3–5 и 8–14 мкм. Цель работы. Разработка математической модели эффективного излучения воздушных объектов в диапазонах длин волн 3–5 и 8–14 мкм, опирающейся на решение трёхмерной задачи теплообмена методом конечных объёмов с применением программной среды ANSYS и позволяющей учитывать падающие на поверхность объекта восходящие и нисходящие потоки солнечного излучения, теплового излучения безоблачной атмосферы. Метод. Расчёт энергетических характеристик излучения воздушных объектов в результате решения трёхмерной задачи сложного теплообмена на поверхности методом конечных объёмов с применением программной среды ANSYS и решения уравнения переноса излучения в безоблачной атмосфере в диапазоне длин волн 3–5, 8–14 мкм за счёт представления атмосферы в виде слоёв, обладающих постоянной температурой, концентрацией паров воды и углекислого газа. Основные результаты. Разработана математическая модель эффективного излучения воздушных объектов, позволяющая рассчитывать характеристики излучения объектов и учитывать параметры объектов: мощность внутренних источников, оптические и теплофизические свойства поверхности, геометрию объекта, а также учесть влияние вариативности излучения атмосферы, земной поверхности и Солнца на различных высотах в течение суток и времён года. Максимальное значение отклонения яркостиэффективного излучения, рассчитанного по результатам моделирования, от значения яркости эффективного излучения, рассчитанного по результатам экспериментов, составило 15%. Практическая значимость. Полученные в работе результаты могут быть использованы для моделирования тепловых образов объектов, а также оценки эффективности средств мониторинга воздушного пространства, земной поверхности в инфракрасном диапазоне длин волн.

Ключевые слова:

воздушные объекты, инфракрасное излучение, моделирование сложного теплообмена, перенос излучения в атмосфере

Благодарность:

научному коллективу Военного учебно-научного центра Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина»

Коды OCIS: 260.3060, 260.3090, 280.6780, 010.1320, 010.1300

Список источников:

1. Кульчицкий Н.А., Наумов А.В., Старцев В.В. Матричные фотоприемные устройства ИК диапазона: «постпандемические» тенденции развития. Часть II // Фотоника. 2020. Т. 14. № 4. С. 320–330. https://doi.org/10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.4.320.330
Kulchitsky N.A., Naumov A.V., Startsev V.V. Matrix photodetectors of the IR range: "post-pandemic" development trends. Part II // Photonics. 2020. V. 14. № 4. P. 320–330. https://doi.org/10.22184/1993-7296.FRos. 2020.14.4.320.330
2. Балоев B.A., Ильин Г.И., Овсянников B.A., Филиппов B.Л. Эффективность, помехозащищённость и помехоустойчивость видовых оптико-электронных систем. Монография. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2015. 424 c.
Baloev B.A., Ilyin G.I., Ovsyannikov B.A., Filippov B.L. Efficiency, noise immunity and noise immunity of specific optoelectronic systems [in Russian]. Monograph. Kazan: Publishing house of Kazan State Technical University, 2015. 424 p.
3. Pohl A., Paulley Y., Smith A., Gustafsson O., Möller S., Allvar J.. The impact of exhaust plumes on the infrared signature of combat vehicles — an experimental and analytical study // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2023. V. 306. P. 108649. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2023. 108649
4. Yakunin M.A. A hybrid method for evaluating absorbed solar energy at the surface level using remote sensing data // Journal of Siberian Federal University. Mathematics & Physics. 2015. V. 8(2). P. 224–229.
5. Темам Р. Уравнения Навье–Стокса. Теория и численный анализ / Пер. с англ. В.А. Новикова, А.М. Франка. М.: Мир, 1981. 404 с.
Temam R. Navier–Stokes equations: theory and numerical analysis. North-Holland, Amsterdam and New York: AMS Chelsea Publishing, 1977. 454 p.
6. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы смотрящего типа. М.: Логос, 2004. 444 с.
Tarasov V.V., Yakushenkov Yu.G. Infrared systems of the viewing type [in Russian]. Moscow: Logos, 2004. 444 p.
7. Шумов А.В., Султангулова А.И. Моделирование инфракрасного излучения лимба Земли // Вестник концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2017. Т. 4. C. 53–62. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2017-4-53-62
Shumov A.V., Sultangulova A.I. Modeling of Earth's limb infrared radiation // Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2017. V. 4. P. 53–62. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2017-4-53-62
8. Dubuisson P., Giraud V., Chomette O., Chepfer H., Pelon J. Fast radiative transfer modeling for infrared imaging radiometry // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2005. V. 95. № 2. P. 201–220. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2004.09.034
9. Креков Г.М., Орлов В.М., Белов В.В. и др. Имитационное моделирование в задачах оптического дистанционного зондирования. Монография. Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1988. 165 с.
Krekov G.M., Orlov V.M., Belov V.V. et al. Simulation modeling in optical remote sensing problems [in Russian] Monograph. Novosibirsk: Nauka, Siberian Branch, 1988. 165 p.
10. Kratz P., Mlynczak G., Mertens J., Brindley H., Gordley L., Martin-Torres J., Miskolczi F., Turner D. An intercomparison of far-infrared line-by-line radiative transfer models // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2005. V. 90. № 3–4. P. 323–341. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2004.04.006

11. Han Lin, Kun Wu, Wenwen Li Comparisons of radiative transfer schemes for infrared spectra and the region with solar and infrared spectra overlap in RRTMG // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2020. V. 244. P. 106846. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2020.106846
12. Афонин А.В., Ньюпорт Р.К., Поляков В.С. и др. Основы инфракрасной термографии / Под ред. Р.К. Ньюпорта, А.И. Таджибекова. СПб.: Изд. ПЭИПК, 2004. 240 с.
Afonin, A.V., Newport R.K., Polyakov V.S. et al. Basics of infrared thermography [in Russian] / Ed. R.K. Newport, A.I. Tajibekov. SPb: Publishing house of PEIPK, 2004. 240 p.
13. Нестеров М.С. Оценка показателей инфракрасной заметности летательных аппаратов по данным расчета методом конечных элементов трехмерного распределения температур по поверхности // Свид. 2021666814. Российская Федерация. Свидетельство о государственной регистрации для ЭВМ № 2021666143; заявл. 04.10.21; опубл. 20.10.21. Реестр программ для ЭВМ. 1 с.
Nesterov M.S. Evaluation of indicators of infrared visibility of aircraft according to the calculation data by the finite element method of three-dimensional temperature distribution over the surface // Certificate 2021666814. Russian Federation. Certificate of state registration for computers № 2021666143. 1 p.
14. Fernandes E.J., Krishanmurthy S.H. Design and analysis of shell and tube heat exchanger // International Journal for Simulation and Multidisciplinary Design Optimization. 2022. V. 13. № 0. P. 15–23. https://doi.org/10.1051/smdo/2022005
15. Rimár M., Kulikov A., Fedak M., Abraham M. CFD analysis of the ventilation heating system // Mechanics & Industry. 2020. V. 20. № 7. P. 708–714. https://doi.org/10.1051/meca/2020020
16. Chatain S., Gonella C. Heat transfer by conduction and radiation in building materials: review and new developments // Metallurgical Research & Technology. 1998. V. 95. № 9. P. 1149–1156. https://doi.org/10.1051/metal/199895091149.