目标与场景的红外特性建模与仿真软件的发展

目标与场景的红外特性建模与仿真是红外成像仿真与红外成像系统性能评估的一项关键的支撑技术。近20多年来国外已经系统地建立了对各种目标和背景环境及干扰的红外辐射特性的建模、仿真方法,并开发了多种专用软件和商用软件。综述了国外近年来发展的主要的目标与场景的红外辐射特性建模与仿真软件。     

空间目标在轨红外成像仿真

为了使空间目标红外成像仿真尽量反应实际在轨工作状态,文中综合考虑目标自发辐射、太阳光辐射、地球辐射和地球反照的影响,结合空间目标在轨单点经纬度姿态数据、材料数据、探测器数据等先验信息,提出了一种空间目标在轨红外成像仿真技术。首先,阐述了空间目标红外成像仿真的理论模型。然后,以某简单立方体卫星为例,进行了在轨红外成像建模与仿真。所提出的空间目标红外成像仿真方法对空间目标探测、识别与跟踪算法的研究具有重要意义。     

基于辐射散热的空间目标红外特性建模与研究

首先介绍了用于保证空间目标正常工作常用的辐射散热器分类,并阐述了其运行模式及使用条件。总结了现有的空间目标红外特性模型,并进一步分析,将空间目标外表面区域分为一般区域和辐射散热区域,建立不同的能量方程。以FY-1C为例,根据空间目标的轨道特性、材料特性和结构特性,使用有限单元法分析得到空间目标外表面的温度场分布,在散热功率为0 W和100 W的情况下,散热区域温差最大为51.49 ℃。结合温度场分布和轨道特性,进一步计算得到空间目标在距离5 km的探测系统入瞳处的辐射照度。当目标处于地球阴影区,目标散热区域接收到的地球自发辐射和地球反射辐射入射角很大,可以忽略不计,此时目标的辐射照度在两种散热功率下相差1~2个数量级。在日照区,由于目标反射辐射的影响,不同的散热功率只对长波波段的辐射特性有一定影响。     

基于BRDF的空中目标红外成像建模与仿真

提出了一种空中目标的红外成像仿真方法.根据能量守恒定律,利用目标在天空背景中稳态时的热平衡方程,求解表面温度场;选取适合的双向反射分布函数模型描述目标表面面元在红外波段的反射特性,提高面元红外反射的真实感.综合考虑空中目标的几何模型,目标自身红外辐射和对背景的反射辐射,结合计算机图形学相关理论,渲染输出空中目标的红外图像.成像仿真的方法为空中目标的探测、识别和跟踪提供了参考依据.     

空间目标红外偏振特性分析

目标红外辐射包含自发辐射和反射辐射两部分,通过理论建模对目标自发辐射和反射辐射起偏机理进行分析,并得出两者的叠加将会引入消偏。空间目标偏振特性不仅与表面材料、观测角等因素有关,由于空间目标处在一个变动的辐射环境下,在日照区和阴影区,反射辐射和自发辐射的能量分布情况会相差很大,因此空间目标的红外偏振特性也会有较大的变化。对在不同的辐射环境下对空间目标的红外偏振特性进行了建模仿真分析,最后在实验室条件下,对空间目标常用材料进行红外偏振探测实验,并对实验数据进行分析得出结论。     

天基空间目标红外动态辐射特性建模与仿真

提出了一种空间目标红外动态辐射特性的建模方法。目标红外辐射包括自身发射辐射和对背景的反射辐射。根据目标与背景特征建立了空间目标辐射特性的物理模型。基于表面材料属性对目标表面进行区域与面元划分,根据能量守恒定律,利用目标在宇宙空间的热平衡方程建立了空间目标自身红外辐射特性的数学模型。同时,引入双向反射分布函数模型描述目标表面面元的反射特性,将目标所有面元反射分量叠加建立了目标红外反射特性的数学模型。最后,构建目标本体坐标系,通过坐标变换确定目标、背景辐射源与探测器的相对位置关系。根据给定的轨道参数、目标几何尺寸和表面物性参数仿真获得空间目标在轨红外特性。计算结果验证了模型的有效性,为空间目标的红外探测与识别提供参考数据。     

空间目标/星空背景红外建模与仿真

介绍了空间目标/星空背景动态红外图像仿真的实现.首先,建立空间目标的几何模型,并对空间目标进行受热分析,建立空间目标外表面的红外热辐射模型,将计算结果量化形成灰度值,生成空间目标的红外图像;其次,将背景红外图像生成中常用的理论模型法与实际场景红外图像目标剔除法相结合,提出一种星空背景红外图像生成方法,即恒星在大气层处的红外辐照度不通过理论模型求取,而是由红外星表数据简单计算得出,将计算结果量化形成的灰度值赋予通过计算机生成恒星的几何视图,生成星空背景的红外图像;最后,将已生成的空间目标红外图像与星空背景红外图像的灰度归一化,进行灰度层次上的合成,同时,以红外传感器视轴指向作为图像的中心进行空间层次上的合成,最终生成完整的空间目标/星空背景红外图像.     

空间目标临边探测背景红外成像建模与图像仿真

临边红外观测是对辐射强度较弱空间目标的一种有效探测方式,探测临边背景的红外辐射分布规律直接影响目标检测跟踪的效果。通过实测图像对临边背景辐射统计特征进行建模:临边背景辐射亮度在地平线垂直和水平方向具有不同的分布规律,垂直分布与视线切线高度相关,水平方向可近似为正态分布,变异系数取值集中于[0.01,0.05]。基于建模成果提出了一种临边背景红外图像快速仿真方法,实验结果表明仿真图像与实测图像具有较高的一致性,验证了成像模型和仿真方法的有效性。同时,快速仿真方法耗时仅为常规逐像元仿真方法的1/200,能够满足实时仿真的需求。研究结果可应用于红外相机设计和目标检测算法测试等领域。     

空间锥形目标的红外成像仿真

由于应用需求的驱使,红外成像仿真技术越来越受到国际社会的关注,并已成为现代国防科技的关键技术之一。针对深空背景条件下的锥形目标,可利用结点热网络法求解其表面温度分布,然后计算目标与背景的红外辐射,再将探测器接收的辐射照度转化为灰度,并加入探测器自身效应的影响,就可仿真得到锥形目标不同成像状态的图像。此方法完整地实现了空间锥形目标在红外探测器上的成像过程,同时考虑了多种因素的影响,具有很高的真实性与逼真度,可为红外成像系统的研制及目标检测识别算法提供测试场景与依据。     

坦克目标的红外成像建模与仿真

提出了坦克目标的红外成像建模方法.首先结合部位分解法和板块元法建立坦克目标的几何模型;其次根据传热学原理提出了坦克目标各部位的热平衡方程,进而得到相应波长范围内的红外辐射强度;接着根据导弹与坦克相对运动的特征建立了弹目时空交会模型;最后通过计算机仿真生成不同交会状态下坦克目标红外灰度图像.仿真结果表明,此红外成像模型是正确有效的.     

深空双波段红外动态场景仿真与目标分析

为了提高深空中红外探测器探测波段选择的效率以及反映目标真实的在轨状态,文中研究了空间目标动态红外图像的生成技术以及双波段红外图像的仿真。结合从STK获得的空间目标的运行轨迹和姿态数据以及从3DS MAX获得的目标模型数据提出了一种进行空间目标红外成像仿真的方法。首先分析了深空背景中目标的红外辐射特性以及目标在中波和长波两个波段中的辐射特性,为探测器波段参数的选择提供了依据;然后介绍了用节点网络法求解热平衡方程的方法并且简化了求解过程,提高了效率;最后阐述了空间目标红外成像系统的理论模型,实现了空间目标的红外可视化建模与仿真。仿真图像对新型系统的研制和红外图像处理算法的研究有重要的意义。     

临近空间红外探测像面照度建模与仿真

低空突防目标飞行高度低、时间短,对其进行有效的探测一直是研究的重点和难题。以2.7 m、4.3 m作为探测系统的中心波长,建立了临近空间红外探测像面照度模型。模拟SBIRS天基红外系统和临近空间探测系统,仿真典型目标弹道,考虑大气影响,得到主动段、被动段红外辐射分别在SBIRS预警卫星和临近空间平台的像面照度及目标背景调制对比度。仿真结果表明:对于低空突防目标,临近空间平台较SBIRS拥有更高的信号对比度及更长的探测时间。在被动段,以4.3 m为探测中心波长探测效果好于2.7 m。     

实时红外成像场景生成技术的发展及应用

建模和仿真在包括导弹系统在内的宇航系统中的作用逐步提高,并将在今后二十年起到更加重要的作用.由于计算处理能力将提高几个数量级,计算和数据存储成本将进一步降低,且具有余量.仿真越来越复杂的物理过程的能力将变得更加受仿真所涉及子模型的拟真度的限制,而非受仿真所能得到的计算能力的充足性的限制.文中概述了建模和仿真技术在红外成...     

空间目标激光雷达散射波实验室模拟技术

散射特性是目标光学重要特征之一,是激光雷达对目标探测与识别的基础,为获取散射波特性数值,提出空间目标激光雷达散射波实验室模拟技术.首先利用积分方程将散射场分成切面近似场与补偿场,分别计算散射场与散射功率;其次根据双频互相关函数推导空间目标激光雷达方程,获取单位面积的激光雷达截面与双向分布函数之间关系,确定光滑、中等粗糙...     

激光成像目标模拟器建模方法

激光成像目标模拟装置是激光雷达半实物仿真系统中的关键部件,其关键技术之一是目标建模。研究了激光成像目标的建模方法,以坐标变换理论为基础建立了目标模型,并搭建实验装置对模型进行验证。通过对不同视角下扫描的部分目标信息进行数据配准,得到目标的整体信息,然后根据视点坐标变换关系,可以在空间中任意视点获得目标的信息,以供图像生成系统生成图像。实验结果与理论值相似度高,验证了建模的正确性,为激光雷达回波目标模拟器获取目标信息提供了一条可行的途径。     

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。     

基于改进Delaunay三角剖分的空间目标红外辐射成像方法

空间目标的红外成像仿真技术在军事国防、空间探测等领域都具有重要意义。本文提出了一种基于改进Delaunay三角剖分的空间目标红外辐射成像方法。此方法首先根据空间目标热平衡方程,利用节点网络法求解出目标的各节点温度,然后利用STK得出探测器、目标、地球与太阳的位置关系,随后由目标节点温度求得目标红外辐射强度,最后采用提出的改进Delaunay三角剖分的方法重建目标得到红外图像。本文以某卫星为例进行了成像仿真实验,实验验证了本文成像方法的有效性与高效性,对空间目标的红外探测与识别具有重要价值。     

红外动态场景目标模拟器系统设计

红外动态目标模拟器系统是红外制导武器半实物仿真系统中的核心设备,具有重大的军事和经济意义.以某空地导弹成像导引头半实物仿真系统为应用对象,采用微反射镜阵列(DMD)为核心器件,设计开发了基于DMD的大场景红外动态目标模拟器系统.针对模拟器系统的分辨率、对比度、最小可分辨温差、灰度等级等关键技术指标,对DMD芯片的信号解...