基于遥感反演的空间下视系统红外场景仿真

空间红外下视系统的真实感红外场景仿真一直以来都是研究的一个难点。提出了一种基于卫星红外遥感反演数据的空间下视红外场景仿真方法。利用红外遥感反演数据,通过匹配算法获得仿真波段内地表红外纹理,建立了下视红外观测模型,对地表红外纹理图像在传感器焦平面上重采样,最后按照辐射传输理论,计算生成光学入瞳前红外场景。仿真结果表明:该方法可以逼真地模拟地物场景红外纹理特征。将热红外遥感反演技术应用于红外场景仿真,极大简化了大规模地表场景仿真过程,为空间下视系统红外场景仿真提供了一种直观、有效的新方法。     

基于有限差分的海面红外温度场迭代建模方法

海面温度场建模与求解是海面红外仿真的前提和基础.针对海面换热复杂、海水传热迟滞等特点,本文提出一种基于有限差分的海面红外温度场迭代建模方法.该方法在详细分析海面温度成因的基础上,从环境温湿度入手,对太阳辐射、大气辐射、大气传导换热、蒸发潜热等项和海水各层之间的传热计算,建立热平衡与热传导方程,利用有限差分方法进行建模,仿真计算一天24 h范围内的海水温度曲线,并通过多次迭代计算解决了海水初始温度设定问题.实验结果表明,本文提出的算法充分考虑了海水传热的迟滞效应,仿真生成一天范围内的海面温度稳定曲线,通过多次迭代解决初始温度获取困难、算法时效性不强等问题,最后与实测温度进行对比,结果较符合实际,验证了算法的有效性.     

一种基于低空图像的红外场景仿真方法研究

为了获得较逼真的红外图像,提出了一种利用低空图像反演红外图像的新方法。首先,利用改进的K-均值聚类算法将低空图像按照不同的地物属性进行材质分类,进而计算出特定波段内进入仿真红外热像仪的总辐射能,并模拟传感器成像原理得到仿真红外图像。结合该算法和实测环境气象参数完成了某区域红外场景序列图的生成。实验结果表明,该方法生成的时序图与实拍红外图像的变化规律基本一致,从而为低空图像仿真生成红外图像提供了一种有效途径。     

红外预警卫星探测波段地球背景辐射仿真研究

针对红外预警卫星探测波段遥感数据难以获取的问题,研究了基于地表温度反演的红外预警卫星探测波段地球背景辐射仿真方法。采用了通用型单通道算法对FY-3/MERSI数据集进行地表温度反演,得到了全球地表温度分布图。在此基础上,构建了地表红外辐射模型,充分考虑了海拔、大气模式、地表类型等因素对地表辐射的影响,利用MATLAB与MODTRAN进行联合编程完成每个像元对应的地表辐射计算,实现了红外预警卫星探测波段地球背景辐射场景的图像生成。仿真结果表明:仿真图像分辨率高,能够准确反映红外预警卫星探测波段的地球背景辐射特性,可为研究红外预警卫星作战效能评估和目标识别技术提供场景数据支撑。     

典型背景红外特性建模与数值分析

为了能够在复杂的背景环境中对各类背景进行红外辐射特性预测,文中以地表能量的吸收与发射作为热辐射产生机理,介绍背景的热传导方式以及各个热交换项的具体计算公式,并建立地面背景的温度模型。然后,通过综合考虑背景的类型、温度、风速、湿度等边界条件的影响,提出用参数代替无关变量的新思路简化热平衡方程,从而得到更简便的背景温度计算公式。最后,通过实地实验确定影响背景的红外辐射特性模型精度的主要因素,经过大量的实验数据比较分析,筛选出关键的实验数据;再利用实验数据计算出简化方程中各参数并进行拟合。计算结果表明：所建立的模型可以在实验的环境下反映地表表面温度的变化情况,能够为快速计算地表表面温度提供新思路,为实现实时监测背景红外特性提供理论基础。     

地表红外辐射建模研究

根据地表能量的变化规律,建立了地表能量热平衡方程.对太阳辐射、大气长波辐射、大气温度、地表热传导等影响地表能量变化过程的因素进行了分析.利用差分方程方法,解算了裸露地表一日温度的变化情况,计算结果与实测结果近似.最后利用本模型讨论了地表构成材料对地表温度变化的影响.     

自然地表红外成像仿真模型

红外成像仿真是现代高科技的关键技术之一,在红外制导与对抗、反恐怖活动、遥感探测、交通安全等众多领域有着广泛的应用.各种复杂因素的影响导致地表温度的计算非常复杂.分析了影响地表温度边界条件的各种因素,通过建立地表瞬态热平衡方程,设定初边值条件,计算了地表温度随时间的变化关系,并与实际测量值进行了比较分析,结果表明理论计算较为准确.最后给出了仿真红外图像的方法.     

时序平滑多尺度叠加动态红外云场景仿真

天基红外观测场景中云场景具有几何结构动态变化复杂、尺度变化随机、辐射动态变化不确定的特点且与天基动态探测链路耦合,对系统探测效能造成极大影响。因此,开展云场景仿真方法研究对天基红外光学卫星系统设计具有非常重要的意义。针对传统仿真方法在大尺度动态云图像仿真应用中计算效率低、占用内存大的问题,提出了一种基于时序平滑多尺度叠加方法的动态云图像仿真方法,在基于多尺度叠加算法进行云层整体位置移动仿真的基础上,利用帧间插值的方法实现动态云层形状结构变化,计算效率提高10倍以上,真实模拟云场景的整体移动与内部变化,实现大尺度动态云图像的仿真。     

红外场景实时仿真研究

对目标和背景组成的场景的红外特性进行了实时仿真。为实现红外场景实时仿真,以场景的红外特性数据库为基础,将机器学习算法引入到仿真之中。利用遗传算法优化权值的神经网络建立了场景温度模型,结合三维可视化显示技术,模拟出不同设定条件下的场景红外图像。仿真结果显示,采用该模型的场景温度计算值和实测结果相符,并能够满足仿真对实时性的要求。     

地雷对土壤表面红外辐射的影响

地雷排除一直是较难解决的问题。利用红外系统对地雷进行探测,主要取决于地雷与背景间的红外辐射差异。首先通过热平衡方程分析了影响地表温度的主要因素,以一维热传导方程为模型分析了埋设地雷对地表温度的影响。计算了地雷上方土壤与周围土壤的表面温度在一天中随时间的变化,并且与实际测量值进行了比较。在此基础上,利用高斯模型对实验数据进行了拟合分析,通过拟合模型可得到地表温度随时间的变化关系。结果表明,仿真地雷会使土壤层之间正常的热传导被阻断,造成地雷上方的土壤与周围土壤之间存在一定的温度差异;这种温度差异可以通过红外技术进行分辨。     

干燥裸地红外辐射统计特性：发射率起伏的影响

根据干燥裸露地表的稳态热平衡方程，考虑到地表的感热交换和天空热辐射的作用，用Monte-Carlo方法分析了风场下地表发射率空间起伏对裸露地表红外辐射统计特性的影响。结果表明：由于地表发射率在空间的起伏变化，地表热红外图像的反差将显著增加；地表辐射温度概率密度分布的偏态与峰度也不同程度地发失变化。     

针对复杂地形的热红外成像仿真研究

红外热成像系统由于具有全天时观测能力而得到广泛应用。为了测试和评估高分辨率红外热成像系统的性能,需要大量多种成像条件下的热红外影像作为输入数据源。为获取真实可信的地面热红外仿真图像,提出了一种针对复杂地形的热红外成像模拟方法。该方法综合起伏地表的地形、光照、遮蔽和邻近地域辐射等因素,系统研究了三维地表热辐射的产生和传递机理。利用光学遥感影像和数字高程数据,生成了一天中不同时刻的地面热红外图像。结果表明:该方法生成的24 h序列图像,符合实际地表热辐射场的日变化规律,从而为可见光图像制备红外基准图提供了一种有效途径。     

海洋作战环境动态红外图像的计算机仿真

文中介绍了海洋作战环境动态红外图像仿真的实现。从分析舰船热环境出发，建立了舰船的温度模型，利用ＯＷＴＲＡＮ模型计算场景中点的红外辐射，将计算结果量化，形灰值。最后，利用计算机图形学的方法生成动态红外图像。     

红外微辐射元的研制

利用表面微机械加工技术，研制出微桥结构红外微辐射元．该辐射元是电阻阵列动态红外景象产生器的基本组成单元．辐射元可以产生等效黑体辐射温度为300～500K的红外辐射，能够满足中波、长波红外半实物仿真的需求．     

卫星影像在热红外场景仿真中的应用

针对早期热红外场景模拟基于机载热像仪图像或随机产生场景的情况,提出针对高分辨率卫星图像进行热红外场景模拟的方法。基于高分辨率卫星图像,采用ISODATA法进行非监督分类,得到土地分类专题图,通过地物光谱数据库获得场景地物温度及发射率,以及大气辐射传输软件MODTRAN对其进行大气修正,从而获得地面场景辐亮度图像。场景仿真结果表明：利用高分辨率卫星图像进行热红外场景模拟是一种全新而有益的尝试,对伪装效果检验等相关研究工作具有一定的参考价值。     

中波段动态海洋红外视景仿真

大面积动态海洋红外视景仿真是三维红外海战场环境仿真的重要内容,具有重要的应用价值。引入法线贴图,采用GPU着色器技术,提出了一种中波段动态海洋视景的生成方法,实现了逼真的红外海面视景实时仿真。基于矩形平面构建海洋模块,利用海面纹理的法线图,在GPU着色器中计算海面像素的辐射特性、辐射强度和方向。采用了一种基于纹理坐标操作的动态波浪模拟着色器算法实现海面法线的动态变化。提出了基于视点和视场检测的海洋模块调度策略以提高系统渲染效率。实验结果表明,该方法生成的红外海面视景渲染速度可达到80帧/s以上,满足实时仿真的要求,并能逼真地仿真中波段海面的光斑现象。     

微桥电阻的辐射特性研究

随着微机械加工技术的发展,电阻阵列成为一种最具发展潜力的动态红外景象产生器。在半实物（HWIL）仿真系统中,它被用来对红外摄像机、导弹寻的器以及各种红外探测系统的实时性能进行测试和评估。电阻阵列采用电阻元作为其微辐射元,当电流流过时。电阻元产生热量进而产生红外辐射。通过控制流过每个电阻元的电流就可以控制电阻的温度,从而达到显示红外图像的目的。介绍了利用表面微机械加工技术研制的电阻阵列基本组成单元——微桥电阻的辐射特性．主要包括：微桥电阻介质膜红外光谱辐射率、等效黑体辐射温度以及温度分辨率等,并通过分析得出该微桥电阻具有低功耗、高等效黑体辐射温度的特点。能够满足中波和长波红外目标模拟的需要。     

基于图像灰度的大范围辐射温度反演

为解决高温辐射源和环境温度对红外测温的影响,提高极端工况下红外热像仪的测温精度,以红外辐射理论以及红外热像仪测温原理为基础,提出了一种将红外图像灰度与目标温度、环境温度和积分时间相结合的综合辐射温度反演方法,该方法实现了环境(镜头)温度与场景温度参量解耦,可以独立预估各参量变化所产生的探测器响应变化。首先对红外热像仪进行数据标定,标定时一般采用高精度面源黑体,之后通过计算面源黑体辐射亮度,利用黑体辐亮度和黑体灰度的线性关系,对黑体温度与黑体图像灰度值两组数据之间关系进行拟合,建立全环境温度和全积分时间的大范围温度反演匹配模型。最后在实验室环境下,分别用热像仪和基于灰度的温度反演模型对探测目标进行测温。经过实验验证,该反演模型在实验室环境下取得了较为良好的效果。     

目标与背景的红外辐射特性仿真方法

基于红外辐射理论,综合考虑自身辐射、反射辐射、大气长波辐射等因素,研究了目标的红外辐射特性仿真方法,编制了目标红外辐射仿真软件。以某钢板为例,建立了目标的仿真计算模型,确定了目标表面的边界条件,计算了目标表面的温度场分布,将仿真计算与试验测量的钢板表面温度数据进行了对比,结果显示:仿真计算的平均误差在1.5 ℃以下,验证了仿真方法的正确性,并在此基础上仿真计算了不同时刻目标的红外辐射特征分布,证明了红外仿真方法的合理性,为车辆与复杂背景的红外仿真计算奠定了基础。