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:
图1 仿真流程图
1)场景建模
红外场景建模应该包括以下四个方面: 建立对象库。

建立对象库是为场景建模服务的,对象库提供各种常见目标与背景的几何模型、各种材料与纹理。

建立物理特性库。

物理特性库应包括对象库中各种材料的光谱反射和吸收特性及热特性,为热辐射的计算提供材料的物理特性数据。

建立大气传输模型。

对于红外成像,需要知道大气透射率、大气辐射、太阳(或月亮)的辐射、红外窗等。

它应该包括地理位置、季节、时间、气候条件、天气情况、大气湿度、可见度及大气温度等参数。

场景建模。

建立场景中的各种物体的三维模型。

包括背景以及各种动态及静态目标的三维模型。

建模中,还要设定具体天气情况、星历模型以及观察者的位置及状态,设定物体的纹理、材料物理特性、辐射率、温度分布等等。

2)计算红外辐射强度
根据已建立的大气传输模型和场景模型以及场景构成材料的物理特性,计算探测器上所接收到的红外辐射强度。

3)形成灰度等级
得到在探测器成像面上对应像元的辐射亮度,但不是最终的结果,数字图像反映的是灰度值,因此在这一部分必须把辐射亮度转化为灰度等级,这是个量化的过程。

按照将最大的辐射度对应于255,最小的对应于0的原则生成一个灰度图像。

4)设计目标的运动状态。

除此之外,还要考虑动态目标的运动规律。

不仅要考虑探测器的运动轨迹,还要考虑目标相对于探测器的相对运动。

5)对红外场景进行视景驱动。

在这一部分,读取已经生成的三维的红外场景模型,并考虑各种目标以及观察者的运动状态,对场景中的静态及动态目标进行实时模拟,使场景中的各种动态目标运动起来。

5 红外图像的仿真软件SensorVision
成熟的红外图像仿真软件很多。

其中实时图像仿真软件SensorVision 是很出色一个。

作为Vega 的一个模块,Sen sorVision 可以实时产生从可见光到远红外线间各个波段的仿真图像。

SensorVision 需要知道物体的材料属性诸如热传输特性、材料的反射系数、镜面反射系数等等。

其仿真流程图如图1所示。

1)首先,在Lynx 的接口定义文件.adf 中,定义红外探测器图形界面接口相关对象,并设置红外模拟所需的相关指定的输入数据数据库文件及路径;
2)首先利用MOSART atmospheric Tool (MAT)设定大气传
输模型,计算大气透射率、大气背景辐射、太阳或月亮的直接辐射等,由于计算量很大,采用预先计算好,生成.mat 文件,在仿真中,可以有多个mat 文件.SensorVision 读取.mat 文件,直接使用预先计算的这些参数加速仿真速度,进行实时仿真;
3)然后利用T exture Material M appin g Tool (TMM)设定物体的纹理和材料物理特性.T exture Material Mapping Tool (TMM)提供了包括泥土、植被、建筑材料、合成材料和颜料等5类共95种材料的光谱特性和34种材料的热特性;
4)最后通过SensorVision 调用已经计算的各种参数,利用辐射度计算公式,计算场景中的红外辐射强度,并完成有辐射强度到灰度值的转换,生成红外图像。

图2 可见光图像
根据上述仿真原理与方法,利用SensorVi sion 进行的实验结果如图2图3所示。

图2为可见光的仿真,图3为相应的红外图像仿真。

图3 3~5微米红外图像
6 小结
本文首先介绍了红外成像的仿真原理,分析了影响红外成像的各种因素,重点研究了各种背景辐射。

给出了辐射度的计算公式。

研究了红外场景的计算机仿真方法,结合仿真软件
SensorVi sion 给出了红外场景的仿真结果。

由于红外图像仿真中的细节很多,包括各种材料特性的考虑等,其任务相对要繁杂些。

但是红外景像产生技术的发展必将对红外制导仿真系统的发展起到很大的推动作用。

(下转第135页)
流扩散仿真,建立了在此条件下的泄漏对流扩散仿真的数学模型与计算,介绍了该数学模型的有限元形式,并且给出了节点浓度曲线图和浓度色图。

并利用动画仿真技术再现整个仿真过程中密闭空间内的气体浓度变化图[3]。

本项研究为密闭空间内的气体浓度监控提供依据。

参考文献:
[1] 孔祥谦.有限单元法在传热学中的应用[M].北京:科学出版
社,1998 131.
[2] 陈则民.对流扩散方程的有限元方法[J].天津轻工业学院学
报,1995,(2).[3] 姚东,王爱民,冯峰,王朝阳.M atlab命令大全[M].北京:人民
邮电出版社,2000 570~571.
[作者简介]
王小平(1974.11-),女(汉族),湖北黄梅人,博士
研究生,研究方向主要是系统仿真与建模,系统分
析,于1997年7月在重庆大学自动化系获工学学士
学位,2000年7月在重庆大学自动化学院获工学硕
士学位,从2000年9月开始在华中科技大学系统工程研究所攻读博士学位,先后在重庆大学获得 罗克韦尔 奖学金和 西门子 奖学金,曾被评为重庆大学三好优秀生和优秀毕业生;
齐 欢(1948.10-),男(汉族),湖北武汉人,教授,博士生导师,主要研究方向为:系统分析与集成。

The Leakage Convention Diffusion S imulation in the
Airtight S pace under Ventilation Condition
WANG Xiao-ping,QI Huan
(Insti tute of System Engineeri ng,Huazhong Universi ty of Science and Technology,Wuhan Hubei430074,China)
ABSTRACT:Thi s paper establishes the leakage convention diffusion mathematics model of the oxygen in the airtight space under the condition of ventilation and gives i ts FE(finite element)model.It also describes the framework of the simulation system in detail,and then brings for ward the node s concentration curve figures of the oxygen i n the airtight space under the condition of ventilation and the concentration color fig ures of two sections.The simulation results play an important role i n building the oxygen concen tration safety monitor-control system in the airti ght space.
KEY WORDS:Airtight space;Ventilation condi tion;Conven tion diffusion;Simulation
(上接第98页)
参考文献:
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[3] 徐南容.红外辐射与制导[M].北京:国防出版社,1997.
[4] 王学伟,等.飞行目标动态红外图像的计算机生成[J].红外与
激光工程,1999,28(2).
[作者简介]
姚 涛(1977-),男(汉族),湖北武汉人,中科院沈
阳自动化研究所在读硕士生。

研究方向为模式识别
与智能系统;
李一凡(1954-),男(汉族),辽宁沈阳人,中科院沈
阳自动化研究水工学硕士,副研究员,硕士生导师。

主要从事模式识别与智能控制、C3I系统研究,多次获中科院科技进步奖,发表论文多篇。

Principle and Application of Infrared Imaging Simu lation for Scene
YAO Tao,LI Yi-fan
(4th Dep,Shenyang Institute of Automation,Chinese Academy of Sciences,Shenyang Liaoning110016,China)
ABSTRACT:Many factors about infrared image theory have been analyzed and the principle and method for the infrared image simulation were presented.The radiometric equation is presented and the software for infrared i mage si mulation is introduced.Some experimen ts are carried out and the results are presen ted.
KEY WORDS:Infrared radiance;Infrared i mage;Si mulation。