场景红外成像仿真原理和应用

第21卷 第1期计 算 机 仿 真2004年1月 文章编号:1006-9348(2004)01-0096-03

场景红外成像仿真原理和应用

姚涛,李一凡

(中科院沈阳自动化所,辽宁沈阳110016)

摘要:根据红外成像理论,分析了各种因素对红外辐射的影响,提出了红外图像计算机仿真的原理与方法,给出了红外辐射

的计算公式。介绍了一种红外图像的计算机软件,并给出了仿真结果。

关键词:红外辐射;红外图像;仿真

中图分类号:TP391.9 文献标识码:A

1 引言

红外制导系统根据不同背景下的目标红外辐射来跟踪目标,对红外制导系统进行性能评价,需进行大量试验。但是这种试验既费钱又费时,而且不能经历各种可能的应用场合,所以有必要通过计算机实现红外系统的在线实物仿真。其中如何生成一个准确逼真而且能够反映各种气象条件、各种红外电磁干扰的红外场景图像,是整个仿真系统的关键环节。与可见光图像的成像机理不一样,红外探测器通过接收场景的红外辐射(主要在3~5微米或者8~14微米波段的范围内)成像。影响红外成像的因素很多,包括大气辐射、环境辐射、大气对红外辐射的衰减等等,这些决定了红外图像的仿真的难度和复杂的计算度。

本文分析了红外成像的原理,研究了一般情况下的背景辐射,给出了辐射计算公式,结合SensorVision仿真软件介绍了红外场景的生成方法,并给出了仿真结果。

2 红外成像的仿真原理

自然界中的一切物体,只要它的温度高于绝对温度(-273 )就存在分子和原子无规则的运动,其表面就不断地辐射红外线。红外线是一种电磁波,它的波长范围为0.78~ 1000 m,实际物体的辐射度除依赖于温度和波长外,还与构成该物体的材料性质及表面状态等因素有关,其红外辐射可由基尔霍夫定律求得。

到达地面的太阳辐射是由太阳直接辐射和散射辐射两部分组成。太阳的大部分辐射落在光谱的可见光部分,在短波紫外线区急剧地下降,而在红外线区则下降得非常缓慢。太阳辐射经过大气层时,一部分被大气层中的水蒸气、二氧化碳和尘埃等物质吸收,导致低空大气层产生热辐射;一部分被云层中的尘埃、冰晶及微小水珠等反射和折射,形成散射辐射;而太阳辐射中的绝大部分是沿直线透过大气层到达地球表面,形成直接辐射。

在实际情况下,目标通常都是处在自然背景中,受到来自各个背景的红外辐射。如何有效地计算各种背景的红外辐射,成为准确计算目标温度场的关键。通常情况下,目标受到的背景辐射主要由太阳的直接辐射、地球反射的太阳辐射和地球自身的红外辐射三部分组成。这三部分是影响其红外成像特性的主要因素,对于某个物体p i,各种背景辐射可用以下方法求得:

1)太阳的直接照射

太阳的直接辐射加热是目标表面接收到的外部热源的最主要部分,它对目标的温度影响最大。由于太阳辐射强度是均匀的,记Q1为任一时刻目标p i接收到的太阳辐射,则可得到以下两点:

a)对于高空目标(接近或外层空间)

Q1=a i S0FnA i[1+0.33cos(360n/370)]

式中 a i为物体的吸收率;S0为太阳常数(一般取1353W/m2),为平均日地距离的大气层外与太阳光垂直的表面上的太阳辐射强度;Fn为物体的太阳辐射角系数;A i为物体的面积;n为一年中的天数.在春分,n=81。

b)对于低空和地面目标,需要考虑太阳光线透过大气的影响,在计算中,采用如下方法计算经过大气后的太阳辐射强度:I n=S0[1+0.33cos(360n/370)]p2 m

式中 m为大气质量,p2为大气透明度。

2)地球反射的太阳辐射

地球表面及大气对阳光的反射与地面的性质、云层的分布状态有关,且差别很大:高空目标和低空目标接收到的反射也明显不同。但均可用下列式子计算,记Q2为物体p i接收到的地球反射的太阳辐射.则

Q2=a i E I0F SE A i

式中 F SE为地球反射的辐射角系数; E为反射率,对于高空目标,可采用地球的平均反射率0.35;对低空目标,可只考虑地表的反射部分,对不同的地表应采用不同的反射率;I0对高空目标为S0,对低空目标为I n。

3)地球自身的红外辐射

地球的红外辐射来源于地球表面吸收的太阳辐射的那

收稿日期:2002-11-08

部分能量,假设地球是一个均匀的热辐射平衡体,则其各处的热辐射强度相同。设其红外辐射强度为E0,

则 E0=(1- E)S0/4

此处 E同上。

记Q3为物体接收到的地球热辐射,

则 Q3=a i E0f E

i

A i

式中 f E

i

为物体p i的地球辐射角系数。

以上提到的各种辐射作用在物体上,一部分辐射被物体吸收,转化为热能的形式;一部分被物体反射;另一部分则透过物体继续传输,在物体内经过不断的被反射和吸收,只有一小部分逃逸出去。物体将吸收到的辐射能量转化为热能,产生红外辐射。物体自身的辐射和反射特性与其构成材料有关。记物体的吸收率、反射率、透射率分别为 , , ,则有吸收率 、反射率 和透射率 之和等于1即 + + =1。

红外图像的成像机理与可见光图像不同,它是通过将红外探测器接收到的场景(包括其中的动态目标、静态目标以及背景)的红外辐射映射成灰度值,转化为可见光图像,场景中某一部分的辐射强度越大,反映在图像中的这一部分的灰度值越高,也就越亮。除此之外,大气的状态(包括大气辐射、环境辐射以及辐射在传输过程中的衰减)也会对成像产生很大的影响。不同波长的红外辐射在大气中的透射率有很大的差异,大气中对几个波段具有较高的透射率。这些高透射区通常称为大气窗口。目前在讨论红外成像时,一般讨论3~5微米和8~14微米两个红外窗口。

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)根据红外理论,由目标的物理模型计算目标的红外辐射分布;

2)按照目标与视点间的大气条件,利用大气传输模型,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,计算探测器成像面元对应像素的辐射度。

红外成像仿真的关键是确定物体表面的温度分布和辐射场,通过温度场来计算各点的红外辐射。在实际情况下,目标的温度和辐射通量主要受背景辐射和内热源的影响,必须建立其适当的背景和内热源的模型。其中对无源目标,例如草坪、人造物,它们的温度分布和自身材料的热特性、光谱反射特性以及背景辐射等因素有关,通过求解热交换方程来确定;而对于那些有源目标,例如飞机、坦克等,由于他们自身的某些部位可以认为是内热源,可以产生热量,是目标温度分布的主要因素。例如对于行驶中的汽车来说,发动机是它的重要内热源,应该根据实际情况来给定目标的温度分布或者建立内热源模型求解其温度分布。

3 辐射度的计算

到达探测器表面的辐射主要是太阳直接辐射、物体吸热所释放出来的辐射、物体反射的太阳辐射、大气辐射以及环境辐射等,而物体的辐射在很大程度上又和当时的大气状态有关。所以到达探测器成像面上各点的辐射应该是其对应的这些辐射与大气衰减以及探测器光谱响应共同作用的结果,其辐射度计算公式如下:

L detector= 2 1H( )L app arent( )(1) L ap paren t( )=L ambient( )*REF*T path

+L direct( )*cosang*REF*(1-f rac)*T path

( )

+L direct( )*f ang*REF*norm*f rac*T path( )

+L ther mal( )*(1-REF)*T path( )

+L path( )*(1-T path( ))

其中:L apparent( )是到达探测器表面的辐射;

L det ector是在探测器成像面上的辐射;

H( )是探测器的光谱响应;

L ambien t( )是目标表面的环境辐射;

L direct( )是太阳(或月亮)辐射;

L thermal( )是与目标表面等温的黑体辐射;

L path( )是目标与红外探测器之间的路径辐射;

REF是目标表面的漫反射系数;

T path( )是目标与探测器表面的大气透射比;

ang是太阳(或月亮)光线与目标成像面法线间的夹角;

f rac是目标表面的镜面反射比;

f ang是目标表面镜面反射的角度依赖关系;

norm是镜面反射的归一化系数;

在公式(2)中,对于波长大于3微米的红外图像仿真,可以忽略公式中右边前两项。

从公式可知辐射度与大气透射率的计算涉及太阳(月亮)的方位、场景的方位、探测器的方位、大气对辐射传输的性质和场景材料L ambient( ),L direct( )由探测器到场景表面的距离、探测器海拔高度、视线仰角和直射源仰角决定,实时红外图像仿真中这些量只在每幅图像对图像中心计算一次,然后利用线性内插的方法计算各象元的L ambient( ),L direct( );L ther mal( )由斯蒂芬-玻耳兹曼定律计算与目标表面同温的黑体辐射;T path ( ),L path( )由探测器至场景表面的距离、探测器海拔高度、视线仰角、直射源仰角,直射源和探测器的方位角决定,在实时图像仿真中只需对每幅图像的中心视线计算一次,其它象元的T path( ),L path( )根据探测器至其它象元的距离利用指数外推法进行计算。以上这些量的计算要用到大气传输模型,可通过提供参数由大气传输模型软件来计算完成。

4 红外仿真的过程

以上介绍的是红外成像的仿真原理,根据生成红外图像的特点,设计实时红外景象生成器的过程如下: