紅外仿真的案例
【紅外仿真】艦船尾跡和海面紅外仿真成像
引 言
隨著紅外探測技術(shù)的快速發(fā)展，在農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、軍事領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用。在 19 世紀(jì)中葉，紅外探測技術(shù)開始應(yīng)用于天文學(xué)研究，到 20 世紀(jì)開始，紅外技術(shù)快速發(fā)展，逐漸引進(jìn)至軍事應(yīng)用，在多次軍事行動中表現(xiàn)突出。目前，美國研發(fā)的設(shè)備最高分辨率可達(dá)到 0.001 ℃。
由于艦船熱尾流所處環(huán)境比較復(fù)雜，需要考慮各種影響因素，采集大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但時(shí)刻變化的環(huán)境很難實(shí)現(xiàn)在某一特定環(huán)境背景下進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)。因此，本文研究了粗糙海面紅外傳輸特性，建立紅外輻射傳輸模型，模擬仿真粗糙海面及潛艇尾跡高度場分布，綜合考慮輻射傳輸過程中多種影響因素，最終模擬出不同海洋背景及不同探測高度的紅外輻射亮度分布。
海面尾跡成像
潛艇尾跡
潛艇在航行中會對海面造成一定影響，形成一條范圍廣并且很難消去的尾跡，艦船的尾跡主要由海表尾跡、湍流尾跡和內(nèi)波 3 種組成，其中海表尾跡可以最為直觀地被觀測到。本文利用 Kelvin尾跡模型模擬海面尾跡，該模型是目前尾跡模型中相對比較成熟的模型，將尾跡簡化為分歧波和橫斷波 2 類波組成，尾跡呈 V 字形展開，屬于重力波的一種，尾跡結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。
圖 1 Kelvin 尾跡波形特征
紅外成像映射模型
在針對某海域成像時(shí)為了圖像更加真實(shí)立體，需要建立仿真坐標(biāo)系，并且需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。坐標(biāo)系統(tǒng)示意圖如圖 2 所示。
圖 2 紅外成像模擬仿真坐標(biāo)系統(tǒng)成像原理示意圖
熱尾流紅外成像仿真計(jì)算
如圖 3 所示，本文采用建模仿真的方法，基于尾流區(qū)海平面散度和高度特征，結(jié)合三維坐標(biāo)變換和投影映射方法實(shí)現(xiàn)熱尾流目標(biāo)的成像仿真過程。
展開 紅外加熱爐冷卻通道設(shè)計(jì)及熱-流耦合仿真 ￥1000
紅外加熱爐是一種利用紅外輻射技術(shù)進(jìn)行加熱的熱處理設(shè)備。它通過將電能轉(zhuǎn)化為紅外輻射能量，直接將熱能傳遞給物體，達(dá)到加熱的目的。紅外加熱爐的工作原理是基于物體對紅外輻射的吸收。紅外輻射能量可以被各種物體直接吸收并轉(zhuǎn)化為熱能，而無需通過傳導(dǎo)或?qū)α鱽韨鬟f熱量。當(dāng)物體暴露在紅外輻射源附近時(shí)，紅外輻射能量被物體吸收，使物體內(nèi)部溫度升高。
本案例設(shè)計(jì)建立了一紅外加熱爐，并對模型進(jìn)行了一定的簡化處理，基于COMSOL軟件的多物理場耦合相關(guān)模塊，仿真了爐內(nèi)物體的加熱和冷卻過程。模型圖和仿真結(jié)果如下所示：
感興趣的朋友，歡迎交流合作！
展開 基于comsol的超聲紅外裂紋摩擦發(fā)熱仿真分析
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</div>
</div><p><strong>超聲紅外熱探測技術(shù)的無損探傷基本原理：</strong></p><p>1、<strong>發(fā)射超聲振動：</strong>超聲紅外熱像技術(shù)是超聲波發(fā)生器產(chǎn)生電信號，產(chǎn)生短脈沖( 50 ～ 200 ms) 、低頻率( 20 ～ 40 kHz) 的超聲波作用于物體表面，超聲波經(jīng)過界面耦合在物體中傳播。</p><p><strong>2、驅(qū)動損傷區(qū)域摩擦發(fā)熱：</strong>遇到裂紋、分層等損傷時(shí)，在超聲波的激勵下介質(zhì)損傷兩界面間發(fā)生接觸碰撞，質(zhì)點(diǎn)間的摩擦作用使超聲波產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，從而使損傷處及相鄰區(qū)域的溫度明顯升高，</p><p><strong>3、紅外成像，發(fā)現(xiàn)熱區(qū)：</strong>其對應(yīng)表面溫度場的變化可用紅外熱像儀觀察和記錄。</p><p><br></p><p> 此次采用comsol的固體力學(xué)和固體傳熱模塊復(fù)現(xiàn) 超聲致裂紋摩擦發(fā)熱基本原理。</p><p> 其中兩個(gè)模塊耦合采用的是固體力學(xué)的接觸-摩擦以及相應(yīng)的摩擦耗散熱進(jìn)行。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202202/d8ea00fe191141a2b3c48429e6dc7a32.gif"></p><p><br></p>
展開 起重機(jī)械金屬氣孔缺陷識別紅外熱波檢測仿真研究
焊接氣孔是較為常見的缺陷，紅外熱像檢測機(jī)理決定其對氣孔類缺陷檢測的優(yōu)越性和有效性。鑒于紅外熱像法在焊縫缺陷檢測中的應(yīng)用還很少見，故本文以氣孔缺陷為研究對象，利用workbench建立焊縫氣孔缺陷的紅外熱像檢測三維瞬態(tài)熱力學(xué)分析模型，從缺陷定性和定量分析的角度，研究激勵方式及激勵參數(shù)的選取對焊縫缺陷表面溫度的影響規(guī)律，為實(shí)際工程應(yīng)用中焊縫缺陷的紅外熱像檢測提供可靠的檢測依據(jù)。
建模以及劃分網(wǎng)格
采用脈沖激勵方式，主要分為兩個(gè)過程，主動加熱和自然冷卻過程，持續(xù)時(shí)間為5s。
主動加熱過程：在0~0.02s內(nèi)，對試件缺陷表面連續(xù)施加熱流密度為40000W/m2的脈沖熱流，脈沖寬度為20ms，由于脈沖時(shí)間較短，為了提高求解精度故應(yīng)設(shè)置較小的載荷子步，此處設(shè)步長為0.0004s。自然冷卻過程：在0.02~5s 內(nèi)，刪除脈沖熱流載荷，此時(shí)試件表面與環(huán)境空氣之間產(chǎn)生對流作用，由于對流時(shí)間相對較長，溫度變化較為緩慢，故載荷子步步長設(shè)為0.1s即可。結(jié)果如圖所示：
利用ANSYS Workbench瞬態(tài)熱力學(xué)模塊對整個(gè)熱波檢測過程進(jìn)行了模擬，記錄了0~5s內(nèi)試件表面的溫度場變化。不同時(shí)間區(qū)間獲取的脈沖紅外序列圖像如圖所示。圖中顯示了不同深度的缺陷表面溫度隨時(shí)間的變化，由于脈沖時(shí)間極短，能量較大，因此試件表面溫度上升比冷卻速率快。隨著時(shí)間的推移，熱波在試件內(nèi)傳播并擴(kuò)散到環(huán)境中，試件表面溫度在5秒時(shí)趨于平衡。
展開 
Lumerical系列模塊聯(lián)合仿真中紅外硅基電光調(diào)制器
考慮到硅基電光調(diào)制器的成熟工藝，下文將展現(xiàn)仿真硅基電光調(diào)制的整個(gè)流程。后面若有機(jī)會再分享鈮酸鋰基電光調(diào)制器和基于等離子共振色散的電光調(diào)制器。
在這里，硅基調(diào)制器的幾何結(jié)構(gòu)以發(fā)表在Photonic research【High-speed silicon photonic Mach–Zehnder modulator at 2 μm】的文章為案例。具體參數(shù)如下圖所示：
其中，不同區(qū)域的載流子濃度如下表格所示：
P
81e17/cm3
P+
21e18/cm3
P++
1e19/cm3
N
41e17/cm3
N+
21e18/cm3
N++
1e19/cm3
接下來，我們使用Charge模塊分析電壓驅(qū)動下硅材料的復(fù)數(shù)折射率的變化。當(dāng)然，有些研究者比較理想化地考慮電驅(qū)動硅材料的摻雜載流子對其折射率的影響，往往采用下面的公式進(jìn)行計(jì)算：
這樣的公式把摻雜硅材料理想花為具有電氣化過程的Drude材料模型。但是，我們希望計(jì)算薛定諤方程等方式，更加真實(shí)反應(yīng)摻雜硅材料在電驅(qū)動下的折射率改變情況。因此，我們在charge模塊中構(gòu)建了幾何模型，如下圖所示。
展開 紅外物鏡設(shè)計(jì)難點(diǎn)突破？OAS 軟件仿真實(shí)現(xiàn)高性能成像
性能優(yōu)化
通過 OAS 專項(xiàng)功能針對性解決紅外物鏡傳統(tǒng)設(shè)計(jì)痛點(diǎn)：針對紅外波段像差校正難題，啟用軟件像差自動校正與多配置優(yōu)化算法，結(jié)合 MTF、點(diǎn)列圖、波前圖等分析工具，優(yōu)化透鏡面形參數(shù)與紅外光學(xué)材料組合，實(shí)現(xiàn)色差、球差的精準(zhǔn)抑制，邊緣視場成像清晰度顯著提升；
針對紅外雜散光干擾問題，利用 OAS 雜散光分析模塊，識別透鏡表面反射、鏡筒內(nèi)壁散射及紅外熱輻射等干擾源，優(yōu)化遮光結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并增設(shè)消雜光涂層，大幅降低雜散光對成像的影響；針對環(huán)境適應(yīng)性弱問題，通過 OAS 光機(jī)熱耦合仿真，迭代優(yōu)化透鏡與鏡筒的材料匹配及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效抵消溫度變化帶來的結(jié)構(gòu)變形，保障全溫域下的成像穩(wěn)定性。
紅外物鏡
惠更斯PSF
點(diǎn)列圖
波像差圖
總結(jié)
本案例通過 OAS 光學(xué)軟件的光機(jī)熱一體化建模、多目標(biāo)像差校正與雜散光優(yōu)化功能，成功突破傳統(tǒng)紅外物鏡的設(shè)計(jì)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了高分辨率、強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性的紅外物鏡方案設(shè)計(jì)。相較于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，OAS 的跨尺度仿真能力大幅縮短了研發(fā)周期，降低了原型制作與測試成本，驗(yàn)證了方案的可靠性與實(shí)用性。該方案為紅外物鏡的性能升級與場景化應(yīng)用提供了高效、精準(zhǔn)的技術(shù)支撐，助力紅外成像系統(tǒng)在各領(lǐng)域的技術(shù)迭代與應(yīng)用拓展。
展開 康謀產(chǎn)品 | 仿真驅(qū)動、數(shù)據(jù)自造：Anyverse巧用合成數(shù)據(jù)重構(gòu)智能座艙
（3）物理級傳感器仿真引擎
支持基于 SBR 技術(shù)的雷達(dá)建模、高保真紅外與近紅外成像、MIMO 系統(tǒng)仿真，輸出雷達(dá)立方體與點(diǎn)云格式數(shù)據(jù)。
（4）開放、可復(fù)用的數(shù)據(jù)資產(chǎn)庫
提供可自定義的角色、座艙結(jié)構(gòu)、傳感器布置與互動物體庫，快速構(gòu)建多變場景，顯著降低研發(fā)成本。
憑借高保真仿真能力與多模態(tài)數(shù)據(jù)生成優(yōu)勢，Anyverse 展現(xiàn)出在整車廠、Tier 1 與算法研發(fā)團(tuán)隊(duì)中廣泛部署的潛力，正加速艙內(nèi)感知系統(tǒng)的訓(xùn)練與驗(yàn)證閉環(huán)。
五、結(jié)語：仿真驅(qū)動的智能座艙創(chuàng)新路徑
智能座艙的真正挑戰(zhàn)，不是識別駕駛員是否閉眼，而是理解“此時(shí)此刻車內(nèi)發(fā)生了什么”。這需要多模態(tài)、多角色、多行為的精準(zhǔn)感知系統(tǒng)，更需要背后支撐它的，一整套高保真、低成本、標(biāo)準(zhǔn)對齊的仿真機(jī)制。
從數(shù)據(jù)生成到算法驗(yàn)證，從法規(guī)適配到部署測試，Anyverse 提供的不僅是一個(gè)仿真平臺，更是智能座艙走向真正“理解人”的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。
未來的人車交互，不止于響應(yīng)，而源于洞察！
參考文獻(xiàn)：
1. Sundaram, S., et al. (2023). BEHAVE: Dataset and Method for Tracking Human-Object Interaction. CVPR 2023.
2. Kellnhofer, P., et al. (2019). Gaze360: Physically Unconstrained Gaze Estimation in the Wild. ICCV 2019.
3. Nguyen, T., et al. (2023). Synthevehicle: A Synthetic Dataset and Benchmark for Vehicle Interior Perception. WACV 2023.
展開 應(yīng)急搶險(xiǎn)救援三維地理指揮演練系統(tǒng)
大量工程案例驗(yàn)證
3.1.5 Sim3D視景仿真引擎
Sim3D視景仿真引擎是SimVIZ可視化仿真軟件平臺核心部件。主要面向虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)據(jù)可視化等領(lǐng)域的應(yīng)用。以高度仿真、專業(yè)性強(qiáng)的三維場景為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可視化展現(xiàn)的一套具有完整功能的三維引擎。
Sim3D視景仿真引擎功能及特性：
1) 支持逼真的三維視景效果。
2) 支持物理引擎，具有碰撞檢測功能。
3) 支持立體云、霧、雨、雪、海水等自然環(huán)境仿真效果。
4) 支持火焰、爆炸、煙霧、紅外等戰(zhàn)場仿真效果。
5) 提供常用的多精度三維模型。
6) 支持實(shí)時(shí)多通道和立體顯示。
7) 支持頭盔、姿態(tài)傳感器等虛擬現(xiàn)實(shí)外設(shè)。
3.1.6SimGIS地理信息引擎
是SimVIZ可視化仿真軟件平臺核心部件。主要面向軍事、可視化仿真等領(lǐng)域的應(yīng)用。以實(shí)時(shí)性、專業(yè)性強(qiáng)的態(tài)勢電子地圖為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)的一套具有完整地理信息系統(tǒng)功能的軍用電子地圖軟件。
SimGIS地理信息引擎功能及特性：
1) 支持通用地理信息數(shù)據(jù)格式，同時(shí)支持國軍標(biāo)格式電子地圖。
2) 提供完整的地理信息系統(tǒng)算法實(shí)現(xiàn)。
3) 采用標(biāo)準(zhǔn)的地圖數(shù)據(jù)組織方式，分層、封類管理電子地圖資料。
4) 提供整套地理信息管理工具、開發(fā)工具包、運(yùn)行時(shí)支持庫。
5) 提供符號庫以及符號庫編輯管理工具，可方便擴(kuò)展自定義符號。
6) 支持三維地球顯示，具有精細(xì)的紋理貼圖，支持多種分辨率衛(wèi)星影像和高程。
7) 采用多細(xì)節(jié)層次技術(shù)(LOD)實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模地形實(shí)時(shí)生成和高效顯示。
4、系統(tǒng)組成
電子沙盤軟件子系統(tǒng)包括服務(wù)器版本、客戶端版本兩個(gè)部分。服務(wù)器版本、客戶端版本均基于SimVIZ可視化仿真軟件平臺構(gòu)建。
展開 電機(jī)散熱系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
BORGES等采用CFD仿真和紅外攝像技術(shù)從22個(gè)水冷電機(jī)流道結(jié)構(gòu)方案中篩選了3個(gè)最優(yōu)模型進(jìn)行加工，顯著地縮短開發(fā)時(shí)間和降低成本，并進(jìn)一步采用紅外攝像技術(shù)驗(yàn)證了電機(jī)的溫度分布。ZHENG等通過優(yōu)化水道數(shù)量、水流速度和水道分布結(jié)構(gòu)使電機(jī)穩(wěn)定溫度降低了13 ℃。郝嘉欣等在水冷電機(jī)冷卻流道內(nèi)增加了擾流片，并采用有限元分析法研究了擾流片厚度、高度和傾斜角度等尺寸參數(shù)對散熱效果的影響，結(jié)果表明擾流片結(jié)構(gòu)可以降低繞組溫度約3 ℃，擾流片與冷卻液流動方向夾角為30°、行間距8 mm、列間距5 mm的叉排方式為最優(yōu)方案。范作智等設(shè)計(jì)了逆向雙水道冷卻結(jié)構(gòu)，通過在電機(jī)流道內(nèi)部設(shè)計(jì)折流筋，將傳統(tǒng)流道的水路分割成兩條方向相反的并行水路，如圖10所示，有效縮短了冷卻液流動的距離，解決了電機(jī)冷卻液循環(huán)過程中溫度梯度大的問題。
圖10 逆向雙水道冷卻結(jié)構(gòu)
Fig.10 Reversed double cooling channels structure
2.2.2 油冷散熱系統(tǒng)
間接油冷散熱系統(tǒng)與水冷散熱系統(tǒng)類似，都是利用冷卻介質(zhì)在冷卻流道內(nèi)的循環(huán)流動帶走熱量。LASKARIS等設(shè)計(jì)了一款采用間接油冷散熱系統(tǒng)的汽車牽引電機(jī)，冷卻油在機(jī)殼內(nèi)部的流道中循環(huán)流動散熱，該散熱系統(tǒng)可以帶走5 kW的熱量，當(dāng)電機(jī)短時(shí)間工作在過載工況時(shí)，可以通過加快冷卻油流動速度的方式帶走25 kW的熱量。LEE等采用轉(zhuǎn)子間接油冷散熱方案提高了電機(jī)的功率密度，如圖11所示，冷卻油在電機(jī)端蓋、機(jī)殼和中空軸形成的流道中循環(huán)，直接對電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行冷卻。與機(jī)殼內(nèi)部冷卻方案相比，該方案可以有效降低電機(jī)繞組溫度約38%。
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