readed-地面坦克目标红外热成像物理模型研究

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场景红外辐射模型
早期红外成像仿真主要集中于某一特定目标， 随着军事
和国民经济的发展， 我们需要研究坦克等地面目标在不同背 景下的成像特性。与先前特定目标相比较，自然界中场景情 况异常复杂， 它没有固定的温度分布， 并存在许多未知因素， 因而直接对场景建模所需的工作量巨大且结果和实际场景 相差较多。沈国土 [2] 等人提出了把场景分为背景和目标两 类，在统一的坐标系中分别模拟它们“独立”的红外图像， 再把两者“拼合”成一幅完整的图像。针对复杂战场环境， 我们对场景物理热模型分为背景和目标两个独立的子模型。 如当地的 然而场景物理建模工作中需要大量的物理参数 ， 环境参数(温度、风速、发射率等)、物体参数(温度、导热系
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大气传输模型
由场景红外辐射模型我们得到了场景每一组成面片的
1.2 目标热辐射模型
坦克目标的温度场分布与其几何结构密切相关,首先使 用建模软件构造坦克物理模型。坦克内部结构异常复杂性， 其与热辐射模型建立的计算量之间的矛盾决定了在求取坦 克温度场分布时必须对其形状进行简化。 我们对坦克结构进 行如下简化：坦克内部驾驶舱认为是空舱，并且动力舱只考 虑发动机作用；坦克外部简化为由矩形体、球体以及圆柱体 组成；坦克材料的热物性不随温度变化。在行驶过程中，坦 克红外辐射源主要包括： 1) 发动机工作对整个车体温度场影响 发动机产生的热源是目标内热源的主要部分。 根据发动 机的形状和发动机在动力舱内的位置， 将发动机简化为与实 际表面积相等的立方体， 计算出其与动力舱壁面之间的角系 数，并根据坦克发动机的热平衡计算,将余热以分配系数的 形式加到坦克动力舱的内表面。 2) 车轮履带摩擦生热对部分车体温度场的影响 由于坦克自身重量,坦克行驶过程中履带和轮子会产生 大量的热，从而使履带和轮子温度明显高于周围环境的温 度。一般地,履带和轮子摩擦生成的热量主要由接触面的滑
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移产生，等于机械能的损失。因而车轮履带摩擦产生的热量 可以表示为相对滑移速度和正压力的函数：
t2 ⎛→ Q = ∫ ∫ µ (T ) p ⎜r , T ⎜ t1 A ⎝ ⎞ →⎛→ ⎞ ⎟ V ⎜ r , t ⎟ dAdt ⎟ ⎟ ⎜ ⎠ ⎠ ⎝
其中， Q 为履带摩擦产生的热量， µ 为摩擦系数， p 为正 压力， V 为相对滑移速度。 3) 环境辐射对整个车体温度场的影响 坦克处于一定环境之中， 其表面与环境之间存在着辐射 散热，并且辐射通量随着季节、时间、地理条件和气象条件 的不同而变化,一般将其分为三个部分： QEnv = Qsun + QGro + QSky 其中， Q Env 为环境辐射总通量， QSun 为太阳辐射通量，可 视为一个 6000K 的黑体，对目标以平行的方式进行辐射， 再根据斯蒂芬－玻耳兹曼定律可以计算出其辐射值； QGro 为 地表辐射通量，它跟具体区域位置相关，可以由实验测量的 方法得到； Q S k y 为大气辐射通量，它可视为一个半球形的 灰体对坦克目标进行辐射，根据经验公式可以获得具体值。 由于采用分别对目标和背景建模计算其温度场分布的 方法， 因而在计算坦克温度场分布时对目标的每个面片根据 热传递关系建立热平衡方程， 而环境辐射通量作为求解方程 组的边界条件，求解坦克各面片的表面温度[2]。获得目标温 度场分布后， 直接将其加入背景对应位置处即可得到完整的 场景温度场分布，再利用斯蒂芬-玻耳兹曼定律以及普朗克 公式得到零视距的场景红外图像。
Vol. 17 No. 11 Nov. 2005
系 统 仿 真 学 报 JOURNAL OF SYSTEM SIMULATION
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地面坦克目标红外热成像物理模型研究
肖 甫，吴慧中，肖 亮，汤 杨
（南京理工大学计算机科学与技术系 603 教研室, 江苏南京 210094）
摘 要：根据红外成像的基本流程，研究并建立了地面坦克的红外物理模型。针对复杂场景分别对 目标和背景部分建模、 求取温度场分布， 同时考虑目标和背景之间的相互作用得到完整的场景红外 理论模型；考虑红外辐射的大气吸收，建立了大气衰减模型；模拟红外传感器的工作特性建立成像 综合响应模型。 最后给出了地面坦克目标热成像系统的仿真流程， 利用该系统可以在试验环境下进 行目标的红外仿真，为红外系统以及武器的研制提供经济快捷的手段。 关键词：红外仿真；坦克目标；传递函数；热辐射 文章编号：1004-731X (2005) 11-2577-03 中图分类号：TN21 文献标识码：A
ρC
∂T ∂ ⎛ ∂T ⎞ = ⎜λ ⎟ ∂t ∂Z ⎝ ∂Z ⎠
其中， ρ 为地面表层土壤组成物质的密度， C 为物质比热，
λ 为导热系数， T 为温度， Z 为地面深度坐标。根据上边
界条件(地面热平衡方程)以及下边界条件(在某一深度处土 壤温度为常数)求解此导热微分方程,最终得到地面背景的温 度场分布。
Research on Infrared Imaging Model of Land Tank Target
XIAO Fu, WU Hui-zhong, XIAO Liang, TANG Yang
（603 Lab, Department of Computer Science and Technology, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094,China）
收稿日期：2004-09-17 修回日期：2005-07-04 基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金(20020288024)，南京理工 大学科研发展基金(NJUST200401) 作者简介：肖 甫(1980-)，男，湖南邵阳人,博士生，研究方向为虚拟现 实及图像仿真； 吴慧中(1942-),女, 浙江舟山人 博导, 研究方向为虚拟现 实和系统仿真; 肖 亮(1976-),男, 湖南长沙人，讲师，博士, 研究方向为 计算机图形图像理论, 虚拟现实和系统仿真; 汤 杨 (1980-),男, 江苏扬 州人, 博士生, 研究方向为虚拟现实。
点之一。 利用红外大气传输窗3~5ｕm和8~12ｕm波段对地面 目标进行探测和识别是一种非常有效的方法,其在军事和国 民经济中有着广泛的应用前景。 采用实际手段获取各种环境 下的红外图像代价十分昂贵,而利用红外热成像仿真技术可 以逼真地模拟被测系统可能经历的各种情况,为红外成像系 统研制提供极为经济和有效的手段,因而具有重大的军事意 义和经济意义。 一般来说,红外热图像的模拟主要包括辐射式仿真和注 入式仿真两种[1]。前者在仿真回路中需要光电跟踪仪、红外 景象投影仪等设备,其主要优点是仿真图像比较接近真实场 景,但仿真造价较高；后者把光电跟踪仪传感器作为仿真的 一个重要环节,通过分析目标和背景的红外特性得到图像信 号,然后根据大气特性、地理特点、相机特性等施加灰度畸 变和噪声干扰,生成最终红外图像。其主要优点是完全脱离 了硬件设备,但建模工作复杂,尚停留在理论研究阶段。例如
1.1 背景热辐射模型
背景的建模及其温度场的计算历来是一个难点， 其没有 固定的温度且影响因素众多， 目前尚未存在精确计算背景温 度场分布的通用方法。对于坦克而言,其背景主要为自然界 地表,影响其温度分布特性的因素很多，包括地表外形、植 被种类、土壤状况等。要准确计算自然地表背景的温度场分 布和红外图像,必须首先建立包含各种影响因素的三维传热 模型。然而这种方法需要花费大量的计算时间，目前尚停留 在理论研究阶段。 我们可以采用概率统计和分形技术两种随 机生成的方法[5,6]构造出天然地形，然后根据气象条件和具 体地表的自然状况(不同植被、裸露地表等)运用传热原理建 立地表面片的温度平衡方程[6]：
引
言1
当前,目标红外热像系统的研究已成为国内外的研究热
文献[2]探索了船目标和海天背景合成的红外图像计算机模 拟原理和方法,但没有论述红外传感器成像的后端仿真；文 献[3]提出了红外传感器的成像链模型,但所有工作仅局限于 终端红外成像设备的建模和分析上。 本文主要研究注入式地面坦克目标热成像仿真系统的 物理模型。主要包括以下部分:1) 根据场景的物理情况,建立 背景和目标热模型；2) 按照场景与视点间的天气条件,计算 场景红外辐射分布经大气传输到达视点过程中的衰减,即大 气衰减模型；3) 根据红外热像系统的光电转换特性、空间 传递函数和系统噪声,建立系统的成像综合响应模型。最后 给出了地面坦克目标热成像系统的仿真流程。
零视距红外辐射特性。场景与红外传感器之间还存在着大 气，长路程的大气的传输将影响终端红外图像的质量。因而 到达传感器接收端的辐射是其对应场景辐射与大气衰减共 同作用的结果。 大气对图像的影响主要有以下因素 1)大气中的部分空 气分子、水分子、气溶胶对红外线的吸收；2)大气中固体粒 子的散射。随着气候的不同，大气的组成尤其气溶胶的密度 和分子直径差异较大，从而对成像产生不同的影响。许多学 者把气象情况归并为六种大气模式[7]，即标准大气、热带大 气、中纬度夏季大气、中纬度冬季大气、高纬度夏季大气、 高纬度冬季大气和两种气溶胶模式，即“晴朗”大气和“雾 霾”大气。经过大气传输模块，到达红外传感器的入射辐射 值修正值 Rad 由场景反射辐射度 Rad s 经过大气衰减分量 和大气路程辐射 Rad p 两部分构成：
Abstract: Beginning from the basic procedure of infrared imaging, scheme of modeling land tank target for pure computer simulation was proposed. By dividing the complex environment into target and background, the physical model and calculate temperature fields were constructed separately. Taking the interaction of target and background into consideration, model of whole complex scene are gained by ‘stitching’. Then the attenuate factor of atmosphere between scene and infrared sensor was calculated from atmosphere attenuate model. Last, the work characters of infrared imaging system were simulated for generating the final infrared image. The simulation procedure of land tank target infrared imaging system was also given. An economic and rapid way for developing of infrared system and weapon was provided using this system. Key words: infrared simulation; tank target; transfer function; heat radiation