漫反射与非漫反射表面间的辐射传递系数快速计算

针对蒙特卡洛方法计算目标表面间辐射传递系数耗时过长的问题,提出了一种计算漫反射灰体与非漫反射灰体表面间辐射传递系数的快速方法。首先,利用蒙特卡洛方法在漫反射表面生成发射光束集并进行射线追踪,计算漫反射表面对目标表面的辐射传递系数;然后,在非漫反射表面生成发射光束并进行射线追踪,如果射线在多次反射过程中击中任意漫反射表面,则利用反射光束的漫反射特性,直接调用漫反射表面的辐射传递系数对反射能量进行分配,并停止射线追踪。对正六面体模型内表面(两个漫反射面元、四个镜反射面元)的辐射传递系数进行仿真,结果表明,当表面反射率ρ=0.4时,镜反射表面的辐射传递系数计算时间仅为蒙特卡洛方法的1/3;ρ=0.8时,相应的计算时间占比低于1/10,并且保持良好的计算精度。理论推导并分析了影响该方法计算速度的模型参数,结果表明:表面反射率越高,系统中漫反射表面占比越大,快速方法中单束光线的平均追踪次数较蒙特卡洛方法越少,非漫反射表面的辐射传递系数计算优势越明显。

基于线索KD-Tree的射线追踪并行计算

针对射线追踪过程中,由于射线数目巨大、部分目标场景复杂,造成计算效率低下的问题,采用线索KD-Tree (K-dimensional tree)空间加速算法,将目标场景进行有序组织,通过对线索KD-Tree进行无堆栈遍历,加快射线与目标场景求交的计算速度。为解决传统方法中,串行计算射线与目标求交过程中造成待遍历射线多的问题,采用图形处理器(graphics processing unit, GPU)在统一计算设备架构(compute unified device architecture, CUDA)平台下并行处理所有射线,加快计算速度。实例仿真计算结果表明,基于线索KD-Tree的射线追踪并行计算相比于串行计算,计算效率提高,获得了很好的加速效果。

空间目标红外特征仿真模型

建立了一种基于三维场景的空间目标红外辐射特征计算模型.模型对多层介质目标进行几何建模与三维剖分,考虑目标微动时太阳和地球对目标加热的影响,计算了目标外表面的辐射散热及内腔壁面元间的辐射换热,在此基础上完成目标的三维导热计算,利用Gauss-Seidel迭代法求解微元体的温度,进而计算了中长波和长波红外波段目标自身的辐射、对外热源的反射以及总的辐射亮度图像和辐射强度曲线.研究表明,无自旋的目标在圆周方向受太阳加热不均,温差显著;自旋使目标圆周方向温差减小,温度分布趋于均匀.

诱饵球镜面反射内壁的辐射传递系数计算

针对内表面具备镜面反射特性的空间诱饵球,基于蒙特卡罗方法建立漫发射模型,推导光线的最大反射次数,利用光线在球腔的传播特性求解光线与球壁的多次反射交点,计算球面微元吸收的光束能量,获取不同反射率情况下单一球面微元对全部球面微元的辐射传递系数。计算结果表明,单一微元对球面各微元的辐射传递系数中存在2个峰值,分别为微元对其自身的辐射传递系数,以及微元对其球对称微元的辐射传递系数。随着反射率的增大,微元对其自身的辐射传递系数逐渐接近于微元对其球对称微元的辐射传递系数;当反射率接近于1时,两者的值近似相等。

计算超薄多层介质诱饵温度的快速算法

基于超薄多层介质诱饵温度沿壁厚方向相同的假设,根据质量与能量守恒原理并结合多层介质材料的热物性及厚度参数,推导了多层介质等效为单层介质材料的热物性参数。考虑了热传导、太阳和地球对空间自旋及三轴稳定目标的加热、目标外表面辐射散热和内壁面元间的辐射换热,根据节点网络法建立了传热差分方程,并利用Gauss-Seidel迭代法求解目标表面温度分布随时间的变化。该方法将超薄多层介质诱饵的三维导热计算问题简化为二维导热计算,极大地提高了计算速度。研究结果表明:轻诱饵目标在空间中很快达到平衡状态;在地球阴影区与日照区,平衡温度差异很大;自旋使目标温度在圆周方向趋于均匀。

灰体球内表面的辐射传递系数

针对内表面为灰体的球形目标,分析了发射微元的辐射能量在球腔内的多次反射过程,利用角系数公式计算了各次能量交换过程中每个微元吸收、反射的能量,推导了灰体球内表面微元间的辐射传递系数理论计算公式.同时,利用蒙特卡洛方法计算了不同发射率条件下,发射微元对各球面微元间的辐射传递系数.理论推导结果表明,当灰体球内表面各微元的发射率相同时,微元间的辐射传递系数等于微元间的辐射角系数,与表面发射率无关.蒙特卡洛方法在不同发射率条件下的数值计算结果验证了理论公式的正确性.

空间带翼微动目标红外特性仿真研究

建立了一种带翼的空间微动目标红外辐射特性计算模型。对目标进行三维剖分获得微元体,计算外热源(太阳、地球等)对目标表面的辐射加热、目标表面向外部空间的辐射散热、目标微元体之间的三维导热,以及目标的辐射换热,建立传热方程并获取微元体的非稳态温度。在此基础上,计算带翼目标在传感器方向投射的红外辐射能量,并与普通空间目标的红外辐射特性进行对比。结果表明,目标在自旋过程中,翼状结构使目标在传感器方向的投影面积发生快速变化,导致目标的红外辐射强度在1个锥旋周期内产生多次尖峰起伏。

基于翻转课堂的混合式教学模式在虚拟仪器课程中的探索

针对虚拟仪器课程内容丰富、课时量少、选课学生较多和学生基础差异较大等问题,结合现代化教学手段,充分利用大型开放网络教学资源,将传统的"以教师讲授为中心"的教学模式翻转为"以学生学习为中心"的混合式教学模式,通过"翻转课堂"将部分理论知识的学习放到课前,让学生通过听取在线课程或查看技术文档等方式获取基本知识,课上主讲重点难点,解答学生疑问,提高实验学时,增加课上师生互动的机会与时间,经过一学期的探索与实施,通过学生参加课外开实验报名情况及参加校级和全国虚拟仪器大赛的获奖情况可以认证教学效果有一定程度的提高。

基于创客理念的双创教育与专业教育的融合探索

在新一轮科技革命与产业变革的推动下,全球范围内创客运动蓬勃发展,国内双创教育与"新工科"建设积极推进。本文通过分析在新形势下对"95后"学生群体的教学现状及信息通信类专业教育所面临的挑战,从教师理念更新入手,以专业导论课改革为切入点,以专业自主实践课为提升,对双创教育与专业教育的融合进行了系列改革与实践,形成了从新生工程认知教育到贯穿大学4年的融合体系及运行机制。本探索初步取得了积极的效果,可作为借鉴与参考。

三维灰体辐射传递系数蒙特卡罗的GPU计算

为了计算漫反射灰体表面之间的辐射传递系数,建立了三维灰立方体模型,在所建立的三维立体空间内表面选取发射表面,利用蒙特卡罗方法生成发射光线,并对光线进行光线追踪,计算发射表面与其他表面之间的辐射传递系数。针对基于蒙特卡罗法计算三维灰体表面之间辐射传递系数时耗时过长的问题,进行了基于显卡GPU实现蒙特卡罗并行计算的研究。利用统一编程架构CUDA对蒙特卡罗法进行了编程实现,采用CUDA随机数发生算法并行处理了求解辐射传递系数中的光线追踪过程,实现了计算辐射传递系数的并行方案。实验结果表明,相对于CPU串行计算方法,基于CUDA架构的并行蒙特卡罗法求解辐射传递系数可以取得高达80倍的计算加速比。

2FSK水下通信仿真与硬件实现

水声通信系统用于在水下环境中完成信息的传输。为了实现水下数据传输,文章设计一款2FSK水下通信系统,通过Simulink对该系统进行仿真,利用STM32搭建了基于2FSK的水下通信实验硬件平台,发送端STM32控制DDS模块生成2FSK信号,接收端电路完成2FSK信号的非相干解调。在水池中进行了短距离的数据传输实验,实验结果表明,该通信系统能够实现数据的发射、传输、接收与恢复,具有易于嵌入、功耗低的特点,实验验证了该系统的可行性,能够实现水下数据传输任务。

随机起伏冰面三维声散射的Kirchhoff近似数值计算模型

针对随机起伏冰面的声散射问题,建立了随机起伏冰面三维声散射的Kirchhoff近似数值计算模型。利用Delaunay三角剖分方法对随机起伏冰面进行三角面元剖分,然后采用Z-buffer算法进行面元的遮挡消隐,得到处于声波照射亮区的面元,最后采用Gordon面元积分的板块元方法计算得到随机起伏冰面的散射强度。数值计算模型中,将冰面认为是局部阻抗表面,直接代入起伏冰面局部反射系数进行散射声场的计算,避免了解析计算模型中对反射系数的近似处理。对比分析了数值和解析计算模型在小粗糙起伏冰面、大粗糙起伏冰面及不同声波入射角和不同声波频率时的散射强度。相比解析模型计算结果,数值模型计算结果与实测结果更吻合。

弹头包络目标辐射传递系数的蒙特卡洛计算

为了计算镜面反射的气球内表面和漫反射的导弹弹头外表面之间的辐射传递系数,建立了包络目标的面元剖分模型。然后,选取发射面元,利用蒙特卡洛方法生成发射光线并对光线进行路径追踪,获取线面碰撞发生时的面元吸热和光线反射信息,计算发射面元与全体面元之间的辐射传递系数,并在完全灰体条件下验证了方法的正确性。气球镜面反射率ρs=0.9、弹头漫发射率εc=0.8时的计算结果表明:气球内表面的某发射面元(面元中心天顶角55°、方位角55°)对气球全体面元的辐射传递系数存在两个明显的峰值,对弹头表面存在一个峰值区域;弹头表面的某发射面元(面元中心方位角55°,母线长度1.68m)对气球内表面和弹头表面各存在一个辐射传递系数峰值区域。