基于物理模型的战场烟幕实时红外仿真-张作宇.pdf

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1、基 于 物 理 模 型 的 战 场 烟 幕 实 时 红 外 仿 真张 作 宇1， 廖 守 亿1， 张 金 城1， 苏 德 伦1 , 2， 闫 循 良1( 1 . 火 箭 军 工 程 大 学 控 制 工 程 系 ， 陕 西 西 安 7 1 0 02 5 ； 2 . 中 国 人 民 解 放 军 9 6 11 1 部 队 ， 陕 西 韩 城 7 1 5 40 0 )摘 要 ： 烟 幕 、 灰 尘 、 云 、 火 焰 等 不 规 则 物 体 的 实 时 红 外 仿 真 技 术 是 战 场 环 境 红 外 图 像 实 时 生 成 的 关键 技 术 和 难 点 之 一 。 以 烟 幕 红 外 仿 真 为

2、例 ， 首 先 基 于 N a v i e r - S t o ke s 方 程 对 烟 幕 的 外 形 进 行 了 建 模 ， 给出 了 其 初 始 化 和 边 界 处 理 方 法 ； 然 后 基 于 灰 体 辐 射 模 型 和 光 线 投 射 算 法 考 虑 了 烟 幕 自 身 辐 射 和 太 阳光 照 射 两 种 因 素 对 烟 幕 的 红 外 辐 射 特 性 进 行 了 建 模 ； 最 后 ， 利 用 C U D A 并 行 计 算 工 具 对 基 于 物 理 模型 的 烟 幕 红 外 仿 真 进 行 了 实 现 ， 成 功 地 将 红 外 烟 幕 嵌 入 到 基 于 V e g a

3、的 红 外 场 景 中 ， 并 对 利 用 V e g a粒 子 系 统 产 生 的 红 外 烟 幕 和 基 于 物 理 模 型 的 红 外 烟 幕 的 效 果 进 行 了 对 比 。 仿 真 结 果 表 明 ， 基 于 物 理 模型 的 烟 幕 红 外 仿 真 满 足 实 时 性 需 求 ， 且 具 有 真 实 感 强 ， 可 控 性 好 的 优 点 。关 键 词 ： 烟 幕 ； 红 外 图 像 ； 实 时 生 成 ； N a v i e r - S t o k e s 方 程 ； C U D A ； V e g a中 图 分 类 号 ： T P 3 9 1 . 9 文 献 标 志 码 ：

4、A D O I ： 10 . 37 8 8 / I R L A 2 01 6 4 5 . 0 4 04 0 0 4R e a l - t i m e b a t t l e f i e l d s m o k e I R s i m u l a t i o n b a s e d o n p h y s i c a l m o d e lZ h a n g Z u o y u1, L i a o S h o u y i1, Z h a n g J i n c he n g1, S u D e l u n1 , 2, Y a n X un l i a ng1( 1 . D e p a r t m

5、 e n t o f A u t o m a t i o n , T h e R o c k e t F o r c e U n i v e r s i t y o f E n g i n e e r i n g , X i a n 7 1 0 0 2 5 , C h i n a ;2 . 9 6 1 1 1 A r m y o f P L A , H a n c h e n g 7 1 5 4 0 0 , C h i n a )A b s t r ac t : T he I R s i m ul a t i o n t e c h n o l o gy of i rr e gu l a r

6、o b j e c t s , s u c h a s s m ok e , d u s t , c l o u d , fl a m e a nd s oo n , i s on e o f t h e k e y t e c h no l o g i e s a n d di ff i c u l t i e s o f r e a l - t i m e I R i m a g e g e n e ra t i on . T a k e t h e I Rs i m u l a t i o n o f s m ok e f or e x a m p l e , fi r s t , t

7、h e s h a p e of t h e s m o ke w a s m o d e l e d ba s e d o n t h e N a v i e r - S t o k e se q ua t i o n , t h e m e t h o d o f i n i t i a l i z a t i on a nd b o u nd a r y pr o c e s s i ng w a s a l s o p ro v i d e d . T he n , t he i n fr a re dm o d e l o f t h e s m o k e w hi c h t a

8、 k e i n t o a c c o u nt t h e s m o ke s o w n ra d i a t i on a n d t h e s u n s r a di a t i o n w a s b u i l tb a s e d o n t h e g r a y b o dy ra d i a t i o n m o d e l a n d t h e l i g h t p ro j e c t i on a l g o ri t h m . L a s t , t h e s m o ke I R s i m ul a t i o nb a s e d on t

9、he p h ys i c a l m od e l w a s i m p l e m e n t e d u s i ng t he C U D A p a r a l l e l c o m p u t i ng t o ol , a n d t he I Rs m o ke w a s s uc c e s s fu l l y e m b e d d e d i n t o t h e IR s c e ne b a s e d o n V e g a , a l s o , t he e ff e c t s of t he IR s m ok eb a s e d o n t h

10、 e p h y s i c a l m o d e l a n d t he V e g a pa r t i c l e s ys t e m w e r e c o n t r a s t e d . T he r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h es m o ke IR s i m u l a t i o n b a s e d on t h e p h ys i c a l m o de l c a n m e e t t h e r e q u i r e m e nt s o f re a l - t i m e , a n d h

11、 a s t h ea d va n t a g e s o f s t ro n g s e n s e o f re a l i t y a nd go o d c o nt ro l l a bi l i t y .K e y w o r d s : s m o ke ; IR i m a g e ; re a l - t i m e ge n e ra t i o n ; N a v i e r - S t o ke s e q ua t i o n ; C U D A ; V e g a收 稿 日 期 ： 2 0 1 5 - 0 8 - 1 0 ； 修 订 日 期 ： 2 0 1 5

12、 - 0 9 - 2 0基 金 项 目 ： 中 国 博 士 后 科 学 基 金 ( 2 0 1 3 M 5 3 2 1 2 5 ， 2 0 1 4 T 7 0 9 7 4 )作 者 简 介 ： 张 作 宇 ( 1 9 9 2 - ) ， 男 ， 硕 士 生 ， 主 要 从 事 导 航 制 导 与 控 制 方 面 的 研 究 E m a i l : z h a n g z u o y u 1 0 0 2 1 6 3 . c o m导 师 简 介 ： 廖 守 亿 ( 1 9 7 4 - ) ， 男 ， 副 教 授 ， 硕 士 生 导 师 ， 博 士 后 ， 主 要 从 事 飞 行 器 系 统 建

13、模 与 仿 真 ， 导 航 制 导 与 控 制 方 面 的 研 究 E m a i l : l s y _ n u d t s o h u . c o m0 4 0 4 0 0 4 - 1第 4 5 卷 第 4 期 红 外 与 激 光 工 程 2 0 1 6 年 4 月V o l . 4 5 N o . 4 I n f r a r e d a n d L a s e r E n g i n e e r i n g A p r . 2 0 1 6红 外 与 激 光 工 程第 4 期 w w w . i r l a. cn 第 4 5 卷0 4 0 4 0 0 4 - 20 引 言通 过 在 实

14、验 室 环 境 下 模 拟 出 逼 真 的 贴 近 实 战的 战 场 环 境 红 外 热 图 像 从 而 构 建 红 外 成 像 制 导 半 实物 仿 真 系 统 ， 对 于 红 外 成 像 导 引 头 的 实 战 性 能 评 估具 有 重 要 意 义 而 为 了 产 生 逼 真 的 战 场 环 境 红 外 热图 像 ， 需 要 计 算 机 实 时 生 成 战 场 环 境 红 外 图 像 ， 然 后通 过 动 态 红 外 景 象 投 射 装 置 将 计 算 机 图 像 投 射 转 换为 具 有 真 实 辐 射 的 红 外 热 图 像 1 这 个 过 程 涉 及 的关 键 技 术 很 多 ， 如

15、 如 何 生 成 逼 真 的 计 算 机 红 外 图 像 如 何 准 确 地 投 射 出 红 外 热 图 像 等 其 中 战 场 环 境 红外 图 像 实 时 生 成 是 影 响 所 投 射 红 外 热 图 像 逼 真 度 的关 键 环 节 之 一 ， 是 实 现 基 于 半 实 物 仿 真 的 红 外 成 像导 引 头 实 战 性 能 评 估 的 关 键 技 术 之 一 在 复 杂 战 场环 境 中 ， 烟 幕 灰 尘 云 火 焰 等 不 规 则 物 体 是 场 景 中必 不 可 少 的 组 成 要 素 ， 也 是 对 红 外 成 像 导 引 头 性 能产 生 影 响 的 主 要 干 扰 因

16、 素 由 于 这 些 不 规 则 物 体 具有 外 形 状 态 大 小 等 随 时 间 不 断 变 化 的 特 点 ， 利 用传 统 的 三 角 形 建 模 很 难 对 其 进 行 逼 真 模 拟 因 此 ， 烟幕 灰 尘 云 火 焰 等 不 规 则 物 体 的 红 外 仿 真 技 术 对于 生 成 逼 真 的 战 场 环 境 红 外 图 像 至 关 重 要 当 前 ， 在 红 外 图 像 实 时 生 成 技 术 领 域 ， 不 规 则物 体 的 红 外 图 像 生 成 大 多 采 用 粒 子 系 统 对 其 进 行 建模 2 利 用 粒 子 系 统 来 模 拟 不 规 则 物 体 虽 然 能

17、 够 产生 较 为 逼 真 的 外 观 ， 但 是 由 于 现 实 中 不 规 则 物 体 往往 并 不 是 由 简 单 的 粒 子 组 成 的 ， 且 其 内 部 运 动 复 杂 ，因 此 利 用 粒 子 系 统 往 往 难 以 对 不 规 则 物 体 进 行 真 实描 述 且 若 要 产 生 逼 真 的 外 观 ， 往 往 需 要 大 量 的 粒 子来 对 不 规 则 物 体 进 行 模 拟 ， 这 样 计 算 开 销 大 大 增 加 ，而 当 粒 子 个 数 较 少 时 ， 则 颗 粒 性 明 显 ， 仿 真 效 果 差 近 年 来 ， 在 计 算 机 图 形 学 领 域 ， 基 于 物

18、 理 模 型 和 体 绘制 技 术 的 不 规 则 物 体 实 时 仿 真 技 术 得 到 了 国 内 外 学者 的 广 泛 关 注 过 去 由 于 图 形 硬 件 计 算 能 力 较 差 ， 该技 术 一 般 只 用 作 高 质 量 计 算 机 动 画 的 离 线 渲 染 而 近年 来 由 于 图 形 硬 件 性 能 的 大 大 提 高 和 多 种 优 化 简 化算 法 的 提 出 ， 该 技 术 已 能 够 实 现 不 规 则 物 体 的 实 时 渲染 且 能 够 达 到 比 粒 子 系 统 更 为 逼 真 的 效 果 3 烟 幕 灰 尘 云 火 焰 等 不 规 则 物 体 具 有 许 多

19、 相似 的 性 质 ， 其 运 动 与 变 化 的 规 律 都 符 合 流 体 的 特 性 因 此 ， 对 烟 幕 灰 尘 云 火 焰 等 不 规 则 物 体 的 建 模 方法 具 有 一 定 的 通 用 性 文 中 以 烟 幕 为 仿 真 对 象 ， 采 用经 典 的 N a v i e r - S t o ke s 方 程 对 烟 幕 的 外 形 进 行 建 模 ，考 虑 烟 幕 自 身 辐 射 和 太 阳 光 散 射 两 种 因 素 对 烟 幕 的红 外 辐 射 特 性 进 行 建 模 ， 利 用 C U D A 并 行 计 算 技 术进 行 算 法 实 现 ， 并 将 所 生 成 红

20、外 烟 幕 嵌 入 到 V e g a 红外 场 景 中 ， 达 到 了 烟 幕 实 时 红 外 仿 真 的 目 的 ， 产 生 了比 V e g a 粒 子 系 统 更 加 逼 真 的 效 果 1 烟 幕 外 形 模 型如 图 1 所 示 ， 整 个 烟 幕 的 仿 真 被 限 定 在 一 个 长方 体 的 空 间 中 ， 该 空 间 被 分 割 为 均 匀 的 立 方 体 网 格 每 一 个 网 格 都 具 有 共 同 的 属 性 ， 如 烟 幕 浓 度 温 度 速 度 等 利 用 流 体 方 程 将 各 网 格 的 不 同 属 性 进 行 对流 ， 从 而 产 生 不 断 变 化 的 烟

21、 幕 外 形 网 格 越 密 ， 仿 真的 精 度 越 高 ， 但 计 算 量 也 会 大 大 增 加 图 1 烟 幕 仿 真 空 间 结 构 示 意 图F i g . 1 S t r u c t u r e d i a g r a m o f s m o k e s i m u l a t i o n s p a c e1 . 1 流 体 方 程用 于 描 述 低 速 不 可 压 流 体 运 动 规 律 的 N a v i e r -S t ok e s 方 程 描 述 如 下 ：a ua t= - ( u V ) u -1V + v V2u + f ( 1 )V u = 0 ( 2 )式

22、中 ： u 为 速 度 矢 量 ； p 为 压 强 ； 为 密 度 ； v 为 流 体 粘性 系 数 ； f 为 外 力 产 生 的 加 速 度 方 程 ( 1 ) 右 端 第 一 项为 对 流 项 ， 第 二 项 为 压 力 项 ， 第 三 项 为 扩 散 项 ， 第 四项 为 外 力 项 S t a m 提 出 了 S t a bl e F l u i d s 方 法 ， 实 现 了 对N a vi e r - S t o k e s 方 程 的 大 步 长 稳 定 求 解 ， 其 主 要 求 解过 程 如 下 首 先 ， 不 考 虑 N a vi e r - S t ok e s 方 程

23、 中 的 压 力 项 ，分 别 对 速 度 场 施 加 对 流 项 扩 散 项 外 力 项 进 行 求解 其 中 求 解 对 流 项 采 用 隐 式 S e m i - L a g r a n g i a n 方红 外 与 激 光 工 程第 4 期 w w w . i r l a. cn 第 4 5 卷0 4 0 4 0 0 4 - 3法 ， 数 学 描 述 如 下 ：u1( x ) = u0( r ( x ， - 乙 t ) ) ( 3 )式 中 ： x 为 当 前 位 置 ； r ( x ， - 乙 t ) 为 当 前 位 置 以 当 前 速度 回 溯 乙 t 时 间 所 在 的 位 置

24、即 以 回 溯 乙 t 时 间 所 在位 置 的 速 度 作 为 当 前 位 置 新 的 速 度 扩 散 项 的 求 解 采 用 隐 式 求 解 法 ， 如 下 式 所 示 ：( I - v 乙 t V2) u2( x ) = u1( x ) ( 4 )式 中 ： I 为 单 位 矩 阵 由 于 该 方 程 为 含 有 L a pl a c e 算子 的 P o s s i o n 方 程 ， 故 一 般 采 用 迭 代 法 求 解 ， 如J a c o b i 迭 代 外 力 项 的 求 解 较 为 简 单 ， 即 ：u3= u2+ 乙 t f ( x ， t ) ( 5 )然 后 ， 考

25、虑 压 力 项 的 最 终 速 度 场 可 利 用 以 下 两式 进 行 求 解 ：V2p = V u3( 6 )u4= u3- V p ( 7 )公 式 ( 6 ) 也 是 一 个 P o s s i o n 方 程 ， 求 解 方 法 类 似扩 散 项 的 求 解 u4即 为 最 终 所 求 速 度 场 由 于 S t a b l e F l u i d s 方 法 求 解 过 程 中 存 在 严 重 的 数值 耗 散 ， 流 体 中 的 漩 涡 卷 曲 等 细 节 通 常 被 数 值 耗 散所 掩 盖 基 于 此 ， F e d ki w 提 出 了 旋 度 限 定 ( V o rt i

26、 c i t yC o nf i n e m e n t )技 术 4 来 恢 复 这 些 细 节 首 先 ， 计 算 速 度 场的 旋 度 ， 即 ：= V u ( 8 )然 后 ， 计 算 旋 度 场 模 的 梯 度 并 对 其 进 行 归 一 化 = V | |， N =| |( 9 )最 后 计 算 出 旋 度 限 定 力 ， 以 此 来 弥 补 由 于 数 值耗 散 带 来 的 细 节 丢 失 fv c= h ( N ) ( 1 0 )式 中 ： 为 由 用 户 定 义 的 控 制 旋 度 限 定 力 强 弱 的 系数 ； h 代 表 网 格 的 大 小 旋 度 限 定 力 以 外

27、力 项 的 形 式 添 加 到 N a v i e r -S t o k e s 方 程 中 1 . 2 烟 幕 建 模流 体 方 程 只 反 映 了 流 体 共 有 的 运 动 特 性 ， 因 此还 需 根 据 具 体 某 一 类 型 流 体 自 身 的 特 性 对 其 进 行 单独 建 模 对 烟 幕 来 说 ， 主 要 考 虑 烟 幕 以 下 属 性 ： 烟 幕浓 度 速 度 压 力 温 度 其 中 ， 烟 幕 浓 度 用 来 体 现 烟幕 的 实 体 ， 代 表 每 个 网 格 中 烟 幕 颗 粒 的 数 量 ； 速 度 和压 力 反 映 内 部 烟 幕 颗 粒 的 运 动 ； 温 度

28、 主 要 体 现 在 上升 力 和 烟 幕 自 身 红 外 辐 射 的 计 算 在 对 速 度 进 行 对 流 的 同 时 ， 烟 幕 浓 度 和 温 度 也根 据 当 前 速 度 进 行 对 流 ：a qa t= - ( u V ) q ( 1 1 )式 中 ： q 代 表 烟 幕 浓 度 或 温 度 烟 幕 浓 度 和 温 度 对 流的 求 解 也 可 采 用 S e m i - L a gr a ng i a n 方 法 但 是 ，S e m i - L a g ra n gi a n 方 法 会 产 生 平 滑 效 应 ， 导 致 流 体 的很 多 细 节 丢 失 近 年 来 ， 国

29、内 外 学 者 基 于 S e m i -L a g r a n g i a n 方 法 又 发 展 了 许 多 精 度 更 高 的 对 流 方 法 ，如 M a c C o rm a c k 方 法 B F E C C ( B a c k a n d F o rt h E rr o rC o m pe n s a t i o n a nd C o r re c t i o n ) 方 法 5 C I P ( C o ns t r a i n e dI n t e rp o l a t i o n P ro fi l e ) 方 法 6 等 这 些 方 法 虽 然 精 度 更高 ， 但 计 算

30、 较 为 耗 时 为 提 高 流 体 仿 真 的 精 度 ， 可 采 用 增 大 网 格 密 度和 使 用 更 高 精 度 对 流 方 法 两 种 方 式 来 实 现 由 于 文中 采 用 C U D A 加 速 技 术 利 用 G P U 进 行 并 行 计 算 ， 内存 间 数 据 传 输 所 耗 费 时 间 远 大 于 并 行 计 算 所 耗 费 时间 为 兼 顾 仿 真 逼 真 度 和 实 时 性 ， 文 中 采 用 在 粗 网 格下 对 烟 幕 进 行 仿 真 ， 利 用 S e m i - L a gr a n gi a n 方 法 对 速度 进 行 对 流 ， 而 利 用 B F

31、 E C C 方 法 对 烟 幕 浓 度 和 温 度进 行 对 流 实 验 表 明 ： 利 用 B F E C C 方 法 对 烟 幕 浓 度和 温 度 进 行 对 流 后 ， 仿 真 细 节 大 大 增 加 B F E C C 方法 具 体 可 表 示 如 下 ：q赞 n + 1= A ( qn)q赞 n= AR( q赞 n + 1)qn + 1= A32qn-12q赞 n（ ）( 1 2 )式 中 ： A 为 一 次 S e m i - L a gr a ng i a n 向 前 对 流 ； AR为 一次 S e m i - L a g ra n g i a n 向 后 对 流 ； qn为

32、 某 位 置 对 流 之 前的 烟 幕 浓 度 或 温 度 值 ； qn + 1为 在 该 位 置 进 行 一 次B F E C C 对 流 后 的 烟 幕 浓 度 或 温 度 值 为 模 拟 烟 幕 的 消 散 过 程 ， 对 烟 幕 浓 度 和 温 度 应用 指 数 衰 减 模 型 烟 幕 浓 度 衰 减 模 型 如 下 ：d =1d ( 1 3 )式 中 ： d 为 烟 幕 浓 度 ；1为 烟 幕 浓 度 的 衰 减 系 数 ； d 为 经 过 一 次 衰 减 后 的 烟 幕 浓 度 而 温 度 的 衰 减 考 虑到 环 境 温 度 因 素 ， 其 衰 减 模 型 如 下 ：T = T0

33、+2( T - T0) ( 1 4 )式 中 ： T0为 环 境 温 度 ； T 为 当 前 温 度 ；2为 衰 减 系 数 ；T 为 经 过 一 次 衰 减 后 的 温 度 烟 幕 浓 度 与 温 度 的 衰 减 包 含 在 对 其 进 行 对 流 的过 程 中 实 际 热 气 体 会 由 于 热 胀 冷 缩 产 生 一 定 的 浮 力 红 外 与 激 光 工 程第 4 期 w w w . i r l a. cn 第 4 5 卷0 4 0 4 0 0 4 - 4为 反 映 出 烟 幕 的 这 种 特 性 ， 在 每 一 个 网 格 单 元 中 定义 上 升 力 ， 使 其 与 网 格 当 前

34、 温 度 相 关 ， 定 义 如 下 ：fb y= c1T0-1T（ ）z ( 15 )式 中 ： z 为 沿 重 力 向 上 的 单 位 向 量 ； c 为 具 有 一 定 物理 意 义 的 上 升 力 大 小 系 数 上 升 力 同 样 以 外 立 项 的 形 式 添 加 到 流 体 方 程 中 1 . 3 初 始 化 及 边 界 条 件在 对 烟 幕 的 运 动 和 物 理 特 性 进 行 建 模 后 ， 还 需对 仿 真 区 域 进 行 初 始 化 才 能 够 产 生 烟 幕 仿 真 开 始时 ， 烟 幕 浓 度 速 度 压 力 初 始 化 为 0 ， 温 度 则 初 始 化为 环 境

35、 温 度 T0在 仿 真 区 域 的 底 部 设 置 烟 幕 源 ， 以 产生 连 续 的 烟 幕 烟 幕 源 是 指 在 仿 真 区 域 中 的 一 小 块空 间 内 指 定 烟 幕 的 初 始 速 度 烟 幕 浓 度 等 ， 是 烟 幕 产生 的 源 头 烟 幕 源 的 形 状 大 小 可 以 是 多 种 多 样 的 ，可 根 据 仿 真 需 要 进 行 单 独 设 计 文 中 的 烟 幕 源 设 计为 边 缘 服 从 指 数 衰 减 的 球 体 ， 其 中 烟 幕 浓 度 源 和 温度 源 的 中 心 位 置 不 变 ， 其 中 心 位 置 即 为 烟 幕 源 的 中心 ， 而 速 度

36、源 的 中 心 位 置 则 在 距 烟 幕 源 中 心 一 定 范围 内 随 机 变 化 ， 以 此 来 产 生 具 有 动 感 的 烟 幕 假 定 烟幕 源 的 中 心 位 置 为 P0= ( x0， y0， z0) ， 则 在 任 意 位 置 P =( x ， y ， z ) 处 网 格 的 烟 幕 浓 度 为 ：dp s= s t a u ra t e ( d0e-1| p - p0|+ dp( 1 - e-1| p - p0|) ( 16 )式 中 ： d0为 中 心 位 置 释 放 烟 幕 浓 度 ； dp为 添 加 烟 幕 源前 p 处 烟 幕 浓 度 ；1为 烟 幕 浓 度 衰

37、减 系 数 ， 而 s t a u r a t e函 数 将 最 终 结 果 限 制 在 0 ， 1 范 围 内 假 定 速 度 源 中 心 位 置 与 烟 幕 源 中 心 位 置 的 随 机偏 移 为 r = ( i ， j ， k ) ， 则 p 处 的 速 度 为 ：up s= u0e-2| p - p0+ r |+ up( 1 - e-2| p - p0+ r |) ( 17 )式 中 ： u0为 中 心 位 置 释 放 速 度 ； up为 添 加 烟 幕 源 前 p处 速 度 ；2为 速 度 衰 减 系 数 温 度 源 的 分 布 与 烟 幕 浓度 源 类 似 由 于 烟 幕 仿 真

38、 在 长 方 体 仿 真 区 域 的 内 部 进 行 ，因 此 还 需 要 为 速 度 和 压 力 确 定 边 界 条 件 文 中 对 仿真 区 域 的 上 边 界 和 下 边 界 应 用 了 自 由 滑 移 边 界 条件 ， 而 对 四 周 边 界 应 用 了 无 滑 移 边 界 条 件 其 中 边 界定 义 为 最 外 一 层 网 格 与 内 一 层 网 格 的 交 界 处 为 自 由 滑 移 边 界 条 件 时 ， 在 边 界 两 侧 的 速 度 和压 力 的 垂 直 于 边 界 方 向 的 分 量 相 同 以 速 度 为 例 ，其 数 学 表 达 式 如 下 ：ui n = uo n

39、( 18 )式 中 ： n 为 垂 直 于 边 界 方 向 的 单 位 向 量 ； uo为 边 界 外侧 的 速 度 ； ui为 边 界 内 侧 的 速 度 具 体 实 施 时 ， 对 于速 度 ， 只 需 将 边 界 内 侧 速 度 在 垂 直 于 边 界 方 向 的 分量 等 于 0 ， 而 边 界 外 侧 速 度 为 0 ； 对 于 压 力 ， 只 需 在 计算 压 力 时 将 边 界 外 侧 压 力 等 于 边 界 内 侧 压 力 当 为 无 滑 移 边 界 条 件 时 ， 速 度 和 压 力 在 靠 近 边 界处 被 强 制 置 零 ， 以 此 来 消 除 边 界 对 烟 幕 流 动

40、 的 影 响 由 于 现 实 中 的 烟 幕 通 常 要 受 到 横 向 风 的 影 响 ，产 生 横 向 的 漂 移 和 扩 散 ， 因 此 需 要 模 拟 出 横 向 风 对烟 幕 产 生 的 效 果 与 设 置 速 度 源 的 方 法 类 似 ， 只 需 在仿 真 区 域 的 四 周 靠 近 边 界 的 网 格 处 设 置 特 定 的 横 向风 速 度 矢 量 场 ， 即 可 实 现 对 横 向 风 效 果 的 模 拟 2 烟 幕 红 外 辐 射 模 型烟 幕 的 红 外 辐 射 主 要 来 源 于 烟 幕 自 身 的 红 外 辐射 太 阳 光 的 照 射 周 围 环 境 辐 射 等 为

41、 简 化 计 算 ， 文中 对 烟 幕 进 行 红 外 辐 射 建 模 仅 考 虑 影 响 烟 幕 红 外 辐射 的 两 个 主 要 因 素 ， 即 烟 幕 自 身 红 外 辐 射 和 太 阳 光照 射 2 . 1 烟 幕 自 身 红 外 辐 射文 中 将 烟 幕 自 身 红 外 辐 射 简 化 为 灰 体 辐 射 模型 ， 且 使 辐 射 强 度 与 烟 幕 浓 度 成 正 比 7 在 任 意 位 置P = ( x ， y ， z ) 处 ， 该 网 格 单 元 发 出 的 红 外 辐 射 强 度 为 ：Ip= d21jIb( T ) d ( 1 9 )式 中 ： Ib为 T 温 度 下 波

42、 长 的 黑 体 辐 射 ；12为 所计 算 辐 射 的 波 段 ； d 为 烟 幕 浓 度 ； 为 烟 幕 发 射 率 为 获 得 视 点 处 的 红 外 成 像 ， 文 中 采 用 对 烟 幕 仿真 区 域 进 行 等 间 隔 采 样 的 光 线 透 射 方 法 ， 即 从 成 像平 面 的 每 个 像 元 引 出 一 条 射 线 ， 计 算 途 经 每 一 条 射线 到 达 视 点 处 的 红 外 辐 射 ， 如 图 2 所 示 图 2 烟 幕 辐 射 成 像 示 意 图F i g . 2 I m a g i n g s c h e m a t i c o f s m o k e r a

43、 d i a t i o n红 外 与 激 光 工 程第 4 期 w w w . i r l a. cn 第 4 5 卷0 4 0 4 0 0 4 - 5背 景 辐 射 和 射 线 途 经 网 格 的 自 身 红 外 辐 射 沿 射线 累 积 散 射 和 衰 减 最 终 到 达 视 点 根 据 辐 射 传 输 方程 ， 沿 射 线 到 达 视 点 处 的 辐 射 强 度 计 算 如 下 ：Ie= I0Nj = 1f e-j+Nj = 1i ( I jp + g j)Nk = j+ 1f e-k，gj=jj p ( l ， - l ) Ij / 4 ” ( 20 )式 中 ： I0为 背 景 辐

44、 射 强 度 ； Ijp为 第 j 个 采 样 点 处 的 烟幕 自 身 辐 射 ；k为 第 k - 1 个 采 样 点 到 第 k 个 采 样 点之 间 的 光 学 厚 度 ；j为 第 j 个 采 样 点 处 的 散 射 反 照率 ； p ( ， ) 为 散 射 相 函 数 ； l 为 沿 射 线 方 向 ； Ij为 到达 第 j 个 采 样 点 处 的 总 辐 射 ； 为 前 向 散 射 角 以 上 计 算 烟 幕 粒 子 的 散 射 主 要 考 虑 了 前 向 散射 ， 这 是 因 为 大 多 数 烟 幕 粒 子 的 散 射 能 量 都 集 中 在前 向 散 射 上 8 式 中 为 小

45、角 度 ， 在 该 角 度 范 围 内 ，散 射 相 函 数 的 值 可 认 为 是 不 变 的 文 中 采 用 的 散 射项 函 数 为 H e n ye y - G r e e n s t e i n 相 函 数 9 ， 该 散 射 相 函数 适 合 描 述 大 粒 子 的 散 射 特 性 ， 其 表 达 式 如 下 ：( ) =1 - g2( 1 + g2- 2 g c o s )1 . 5( 21 )式 中 ： 为 入 射 与 出 射 方 向 的 夹 角 ； g 为 非 对 称 因 子 在 具 体 实 施 中 ， 对 于 烟 幕 自 身 辐 射 和 散 射 ， 首先 ， 计 算 由 视

46、 点 发 出 射 线 与 仿 真 区 域 的 交 点 ， 然 后 ，按 固 定 步 长 以 远 视 点 交 点 为 起 点 逐 步 计 算 到 达 下 一个 采 样 点 处 的 红 外 辐 射 ， 直 到 抵 达 近 视 点 交 点 为 止 对 于 背 景 辐 射 ， 则 将 射 线 穿 透 仿 真 区 域 的 总 光 学 厚度 作 为 烟 幕 纹 理 的 通 道 值 ， 利 用 纹 理 混 合 技 术 对背 景 辐 射 进 行 衰 减 和 叠 加 2 . 2 太 阳 光 照 射太 阳 光 对 烟 幕 红 外 辐 射 特 性 的 影 响 主 要 体 现在 太 阳 光 照 射 到 烟 幕 上 时

47、 烟 幕 粒 子 对 太 阳 光 散 射所 产 生 的 红 外 辐 射 文 中 首 先 计 算 长 方 体 仿 真 区 域内 太 阳 光 经 衰 减 和 散 射 到 达 每 个 网 格 的 红 外 辐 射 ，然 后 在 进 行 辐 射 成 像 时 计 算 采 样 点 处 太 阳 光 辐 射在 视 线 方 向 的 散 射 ， 最 后 计 算 太 阳 光 辐 射 到 达 视 点的 辐 射 强 度 假 定 太 阳 光 是 平 行 且 均 匀 照 射 的 ， 则 任 意 位 置P = ( x ， y ， z ) 处 的 光 辐 射 强 度 表 示 为 ：Ip s= IsNj = 1f e-j+Nj =

48、 1i g jNk = j+ 1f e-k，gj=jj p ( l ， - l ) Ijs / 4 ” ( 22 )式 中 ： Is为 太 阳 光 入 射 辐 射 强 度 ； l 为 太 阳 光 入 射 方向 ； Ijs为 第 j 个 采 样 点 处 的 太 阳 光 辐 射 强 度 计 算 到 达 仿 真 区 域 网 格 的 太 阳 光 辐 射 强 度 同 样采 用 等 间 隔 采 样 的 光 线 投 射 方 法 ， 即 沿 太 阳 光 入 射 方向 对 太 阳 光 辐 射 进 行 逐 步 衰 减 和 散 射 ， 计 算 到 达 仿 真区 域 中 每 一 网 格 的 太 阳 光 辐 射 强 度

49、 ， 如 图 3 所 示 图 3 太 阳 光 辐 射 入 射 示 意 图F i g . 3 I n c i d e n t s c h e m a t i c o f s u n r a d i a t i o n得 到 到 达 每 一 网 格 的 太 阳 光 辐 射 强 度 后 ， 在 辐射 成 像 时 ， 计 算 采 样 点 在 视 线 方 向 的 散 射 最 终 计 算到 达 视 点 的 太 阳 光 散 射 辐 射 则 可 与 烟 幕 自 身 红 外 辐射 进 行 合 并 计 算 3 利 用 C U D A 加 速 的 烟 幕 红 外 仿 真由 于 基 于 物 理 模 型 的 烟 幕 红 外 仿 真 中 包 含 大 量的 方 程 求 解 ， 且 需 对 仿 真 区 域 中 每 一 网 格 进 行 单 独计 算 ， 随 着 网 格 数 的 增 加 ， 计 算 量 成 指 数 增 长