目标管理-基于大气传输模型的动态目标红外成像仿真 精品

基于大气传输模型的动态目标红外成像仿真

张智丰, 李向新, 彭群生

（浙江大学CAD&CG国家重点实验室杭州310027 ）

摘要：本文在建立目标热模型的基础上，考虑了红外辐射的大气吸收模型，进

而提出了在动态目标红外仿真中大气透射率的计算方法。利用计算机实现了汽车的

三维造型，汽车表面红外辐射的计算，大气衰减量的计算，得到了经过大气衰减的

红外模拟热像。

关键词：大气传输；大气透射率；红外辐射；模拟热像

The Infrared Signature of a Moving Targets

Based on Atmospheric Propagation Modeling

Zhang Zhifeng，Li Xiangxin，Peng Qunsheng

(CAD&CG State Key Lab. Zhejiang University, Hangzhou 310027)

Abstract

Based on the thermal model of a target, the atmospheric propagation model of infrared radiation is discussed in this paper. Then, the method of calculating the atmospheric transmission rate is presented. Using solid modeling technique on puter, the infrared radiation, then the atmospheric transmission rate of a car is calculated.

As a result, the infrared image including atmosphere transmission is obtained.

Keywords: atmospheric propagation, atmospheric transmission rate,

infrared radiation, simulating thermal image

一、引言

红外成像仿真是根据目标的红外辐射特性，采用合适的数学模型，用计算机算出红外目标的热辐射，然后通过量化等手段，将辐射数据转换为亮度来显示的一种技术。

红外成像仿真的理论研究及其实现，具有强烈的需求和应用背景。由于它在军事上的

本文受国家自然科学基金项目“动态目标的红外仿真模型与实时绘制技术的研究”的资助。

项目编号：69873039

应用，目前已成为国内外有关研究机构的重要研究课题。而通过理论研究的方法，建立物体

的红外物理模型，得到物体的模拟热像，将为红外系统的研制提供极为经济和有效的手段。 生成一幅与用红外探测器得到的信息一致的模拟红外图像，涉及以下几个步骤：1）由目标的物理模型计算目标的红外辐射分布，即所谓零视距的辐射分布；2）按照目标与视点间的大气条件，计算目标红外辐射分布经过大气到达视点过程中的衰减，即大气衰减；3）模拟红外探测器的特性，做光电转换仿真，生成红外图像。

在目前的工作中，仅考虑第一步骤的较多，对于第三个步骤，即传感器的模拟，一般都简化成仿真噪声的叠加。对于第二个步骤，即红外辐射分布的大气衰减，讨论得相对较少。 本文在考虑目标红外辐射分布计算的基础上，考虑了大气传输的衰减，得到了较为真实的仿真结果。

二、目标的热模型

本文在具体讨论中，以汽车的红外成像为例。汽车的红外图像是由其表面温度，几何结构，汽车表面的性质，大气条件等因素决定。

对于行驶中的汽车来说，发动机是它的重要内热源，而从探测器测到的直接辐射是来自于车辆外表的，因此，先要分析汽车的散热过程。在分析发动机向汽车表面的热辐射时，采用面元分析是比较合适的。为此，我们将汽车分为车顶、底盘两大部分，建立汽车的热模型。

（一）车顶的热模型

先分析车顶与环境及车顶表面各部分之间的各种传热过程。任取第k 个面元，其热交换示意图如图1所示，其中考虑热辐射和对流两种热交换。辐射部分主要考虑了发动机表面对车顶

表面的辐射传热和车顶表面对环境的辐射。图1中，面元面积为k A ，温度为k T ，表面的红外发射率为ε，in E 为入射到面元的能流密度，out E 为由面元出射的能流密度。

v in E -内 out E -内

in

E -外

cv E

env

T 空气 图1 面元k 的热交换示意图

同时考虑内外面元的辐射交换，内表面的净辐能流为

)(44T T F A E E k fk f out in -=---σε内内 （1） 式中T 为发动机的表面温度，f A 是发动机的表面面积，fk F 是发动机表面到面元k 之间的几何形状因子，σ为斯蒂芬—波尔兹曼常数。

面元外表面的净辐射为：

)(44env k k out in T T A E E -=---σε外外 （2）

env T 为汽车所处位置的环境温度。外表面对流是指面元外表面与空气的对流换热，由牛顿冷却公式可表示为：

sun env k k k cv W T T h A E --=)( （3） 公式中的对流换热系数k h 按文献[5]给出的公式计算，即：8.19.1733.0++-=∞v T T h k k ，k T 为待求的表面温度；∞T 为环境气流的温度；v 为车辆行驶速度与风速的矢量和；sun W 为面元接受到的太阳辐射，本文取k k k k sun A E W αϕcos =，k E 为入射的太阳辐射能，其值基于经验模型得到；k A 是该面元被直接照射到的面积；k ϕ是面元法向与太阳光方向的夹角；k α为太阳光吸收率。

综合上面的公式，可得到面元在平衡状态的能流平衡方程为：

0)()(cos )(4444=-+-+--env k k k env k k k k k k fk f T T h A T T A A E T T F A σεαϕσε （4） 式中的形状因子fk F 是一个关于两个表面微元的曲面积分，计算较为复杂，本文采用将其转化为曲线积分的方法，使得问题得以解决。

（二）底盘的热模型

先把底盘外表面分割成面片形式，根据发动机的位置，可以标识出那些与发动机通过金属结构件相连的面片，我们首先计算这一部分面片的表面温度。对于其余面片，则通过热扩散方法来求得其温度分布。

对底盘面片进行传热分析，其热交换示意图如图2所示。分别考虑了通过金属结构件传导的热量cdo W ，周围环境辐射的能量i W ，环境空气的对流换热cv W ，及其辐射到环境中的热量rad W 。

在平衡态下，每一个面片可以得到如下的能量平衡式：

cv rad cdo i W W W W +=+ （5）