射电望远镜构件表面太阳辐射强度计算方法

本发明涉及射电望远镜温度场计算领域，具体涉及一种射电望远镜构件表面太阳辐射强度计算方法。

背景技术：

1、射电望远镜是观测和研究来自天体的射电波的基本设备。为了能观测到更远、更暗、更细微的天体结构，通常需要增大射电望远镜的口径。然而，随着射电望远镜口径的增大，探测频率的增高，对射电望远镜的指向精度要求也越来越严格。在日照温度作用下，结构产生的形变会使天线精度急剧下降，影响天线观测性能。

2、因此，精确计算射电望远镜的温度分布是控制射电望远镜温度效应的前提和关键。射电望远镜的换热方式包括：自身的热传导，与空气的热对流，太阳辐射以及与地面、天空的长波辐射换热。其中，太阳辐射是射电望远镜温度升高的主要热源。但射电望远镜中构件众多、且相对位置关系复杂，各部分间会形成遮挡，阻断太阳辐射的吸收，从而产生非均匀温度场，如反射面对主体结构的遮挡、主体结构对反射面的遮挡和结构构件的相互遮挡。

3、为计算这些非均匀温度场的温升，目前多采用光线追踪 （ray-tracing）算法先计算阴影分布，虽然该种算法在不计计算成本的前提下，通常可以获得比较精确的阴影分布结果，但由于在大型射电望远镜结构中存在着大量的构件（杆件），这些构件的相互遮挡导致计算成本异常高昂；此外由于光线追踪算法逻辑较为复杂，在计算中也常常出现错算或漏算现象，这也导致了天线精度下降。

技术实现思路

1、本发明意在提供一种射电望远镜构件表面太阳辐射强度计算方法，以解决目前太阳辐射计算方法采用光线追踪算法进行阴影识别，计算成本较高且算法逻辑较为复杂的问题。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种射电望远镜构件表面太阳辐射强度计算方法，包括以下步骤：

3、步骤1：根据具体日期计算太阳的位置，即计算太阳高度角和太阳方位角；

4、步骤2：根据太阳入射光线向量，进行坐标转换，将结构投影到太阳入射平面；

5、步骤3：创建z缓冲区：根据结构投影外廓线及其坐标极值创建z缓冲区边界；确定像素点距；创建与z缓冲区分辨率相匹配的数组，用于存储各像素点的z值以及对应单元编号，并将z缓冲区数组的z值初始化为结构中构件的最小值；

6、步骤4：太阳辐射可见性测试：将结构离散化后的每个单元依次投影到z缓冲区，并选出单元投影范围内的像素点，计算并更新z缓冲区中相应像素点的z值；

7、步骤5：统计每个单元构件内像素点数，获取每个构件被照面积，计算构件表面照射系数；

8、步骤6：根据构件在空间中的位置，以及与太阳光线相对位置关系，计算构件表面太阳辐射强度p。

9、优选的，所述步骤1基于地平坐标系确定太阳的位置，所述太阳高度角和太阳方位角的计算公式为：

10、，；

11、其中，为太阳高度角，为太阳方位角，为观察点的地理纬度，为某时刻的太阳时角，为某地的赤纬角。

12、优选的，所述步骤1中的计算公式为：，其中为从每年1月1日起算的日序数。

13、优选的，所述步骤1中的计算公式为：，其中，15表示地球每小时相应的时角度数；规定正午的时角为0°，上午为负值，下午为正值。

14、优选的，所述步骤2中坐标转换具体包括：建立整体坐标系和分析坐标系两套坐标体系，然后将结构在整体坐标系坐标转换成分析坐标系中坐标；其中，整体坐标系中，， ， 和的正方向分别指向正东、正北和天空；分析坐标系基于太阳高度角和太阳方位角旋转而成；其中两个坐标体系关系为：，其中，为太阳高度角，为太阳方位角。

15、优选的，所述步骤4具体包括：

16、步骤41：结构首先进行三角形离散或者四边形离散；

17、步骤42：针对每个单元，以整个结构空间z缓冲区为背景，选择出与单元投影相匹配的z缓冲区；

18、步骤43：统计出位于单元内部的像素点；

19、步骤44：比较并更新z缓冲区z值，若相应区域单元z值大于z缓冲区z值，表示该单元在目前计算进程中处于离太阳最近位置，需更新z缓冲区中z值以及相应单元编号。

20、优选的，所述步骤4中使用经坐标变换的构件投影点坐标实现各种单元类型z值计算。

21、优选的，所述步骤5中构件表面照射系数：

22、，式中，为单元内像素点数；dis为像素点距；s为构件在太阳光线入射平面投影面积。

23、优选的，所述步骤6中太阳辐射强度p的计算具体包括：

24、步骤61：计算构件表面太阳直接辐射强度，式中，ra为太阳直接辐射强度；为太阳光线与构件轴线的夹角，为构件表面太阳辐射吸收率；

25、步骤62：计算构件表面太阳散射辐射强度，，式中，为构件与地面的夹角；为水平面的太阳散射强度，，式中，为日地平均距离时投射到地球大气上界的垂直太阳辐射强度，为太阳高度角，为日地修正距离，，其中n为从每年1月1日起算的日序数；

26、步骤63：计算构件表面太阳反射辐射强度，式中，为地面反射率；

27、步骤64：计算太阳辐射强度。

28、本申请技术方案具有以下优点：

29、1、逻辑清晰：基于z缓冲区的原理，不需要将结构的每一部分转换为数学模型，且不存在复杂的遮挡逻辑判别问题；

30、2、算法代码长度大幅缩短：不需要将结构的每一部分转换为数学模型，且不存在复杂的遮挡逻辑判别问题，大幅降低了大量计算时容易产生的出错概率；

31、3、计算效率高：而在传统光线追踪算法中，需将每个构件与其他所有构件进行比较；而本方案中，每个构件均与z缓冲区进行比较更新，即可完成整个计算过程。

32、4、不仅计算了构件表面的直接辐射、同时算法上涵盖了散射辐射和反射辐射计算，从而使得到的非均匀温度场更加准确，保证了对结构产生的形变的有效预测与矫正，提升了天线精度和观测性能。

技术特征：

1.射电望远镜构件表面太阳辐射强度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的射电望远镜构件表面太阳辐射强度计算方法，其特征在于：所述步骤1基于地平坐标系确定太阳的位置，所述太阳高度角和太阳方位角的计算公式为：

3.根据权利要求2所述的射电望远镜构件表面太阳辐射强度计算方法，其特征在于：所述步骤1中的计算公式为：，其中为从每年1月1日起算的日序数。

4.根据权利要求2所述的射电望远镜构件表面太阳辐射强度计算方法，其特征在于：所述步骤1中的计算公式为：，其中，15表示地球每小时相应的时角度数；规定正午的时角为0°，上午为负值，下午为正值。

5.根据权利要求1所述的射电望远镜构件表面太阳辐射强度计算方法，其特征在于：所述步骤2中坐标转换具体包括：建立整体坐标系和分析坐标系两套坐标体系，然后将结构在整体坐标系坐标转换成分析坐标系中坐标；其中，整体坐标系中，， ， 和的正方向分别指向正东、正北和天空；分析坐标系基于太阳高度角和太阳方位角旋转而成；其中两个坐标体系关系为：，其中，为太阳高度角，为太阳方位角。

6.根据权利要求1所述的射电望远镜构件表面太阳辐射强度计算方法，其特征在于：所述步骤4具体包括：

7.根据权利要求6所述的射电望远镜构件表面太阳辐射强度计算方法，其特征在于：所述步骤4中使用经坐标变换的构件投影点坐标实现各种单元类型z值计算。

8.根据权利要求1所述的射电望远镜构件表面太阳辐射强度计算方法，其特征在于：所述步骤5中构件表面照射系数：

技术总结本发明涉及射电望远镜温度场计算领域，公开了射电望远镜构件表面太阳辐射强度计算方法，该方法包括：步骤1：根据具体日期计算太阳位置；步骤2：根据太阳入射光线向量，进行坐标转换，将结构投影到太阳入射平面；步骤3：创建Z缓冲区；步骤4：太阳辐射可见性测试；步骤5：构件表面受照射面积计算；步骤6：计算构件表面太阳辐射。本方案基于Z缓冲区的原理，不需要将结构的每一部分转换为数学模型，且不存在复杂的遮挡逻辑判别问题；能快速、精确的计算每个构件表面太阳辐射强度。技术研发人员：陈德珅,余立炀,张凯,钱宏亮,范峰受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（威海）技术研发日：技术公布日：2024/9/9