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虛擬戰場環境中的紅外成像仿真的應用

發布時間:2018-07-11     來源:中國視覺網       訪問次數:8337


摘  要:本文根據目標的紅外輻射特性,構建合適的熱輻射數學模型。用計算機算出紅外目標的輻射強度,通過量化等手段,將紅外輻射強度數據轉換為灰度來顯示,實現了虛擬戰場環境中的紅外成像仿真。
關鍵詞:紅外成像仿真;紅外輻射強度;氣象學;傳熱學


    1  引  言
     紅外成像仿真是戰場環境仿真的重要組成部分,目前國外許多戰場環境仿真軟件(如VTree、XG-1、Vega等)均提供了紅外成像仿真???,可以呈現紅外成像效果。用戶可以對目標材料的熱擴散系數、對流因子、導熱系數等屬性參數進行增益調整,以實現逼真的紅外成像仿真效果。而國內進行相關的研究比較少。
    本文根據紅外成像仿真的基本原理,構建了紅外成像仿真數學模型,初步實現了虛擬戰場環境中的紅外成像仿真。
    2  紅外成像仿真的基本原理
    由紅外物理學知識[1]得知,凡是有溫度的物體就會輻射紅外線。物體溫度越高,輻射的紅外能量就越強。紅外成像系統探測的目標是具有環境溫度(相應波長為8~12um)和較高溫度(相應波長為3~5um)的物體。紅外成像就是將傳感器接收到的紅外輻射強度,量化成為灰度并顯示的一種技術,它廣泛應用在夜視、紅外精確制導技術、紅外探測等方面。紅外成像仿真就是對此過程進行模擬。其基本原理是:首先建立物體的表面溫度到其紅外輻射強度的函數關系(如1);然后建立物體紅外輻射強度到顯示灰度的函數關系(如2);最后將其繪制出來,并可通過參數進行圖像灰度的增益調整。
    目標紅外輻射強度:
    R = f1(物體表面的溫度TS)    
    顯示的灰度:
    G = f2(目標紅外輻射強度R)       
    3  紅外成像仿真數學模型的建立
    按照紅外成像仿真原理,紅外成像仿真分為目標表面溫度的計算、目標紅外輻射強度的計算、紅外圖像顯示的灰度計算三部分。
    3.1  目標表面溫度TS的計算
    要計算物體表面的溫度[1]必須建立熱平衡方程:

    qi是周圍環境輻射的熱量,qsun是太陽輻射的熱量,qsky是大氣散射的能量,qGround是地面輻射的能量;qcdo是由內熱源發出的熱量,其Tenergy是內熱源的溫度;qabs是吸收的熱量;qrad是輻射到環境中的熱量,其中ε是發射率;qcdi是傳導到物體的熱量;qcv是對流的熱量,其中 是對流因子;Tamb是目標所處的環境溫度;Ts是物體表面溫度。
    公式的左邊是物體表面所吸收的熱量,包括環境輻射的熱量和內熱源發出的熱量(當物體無內熱源時,內熱源發出的熱量為零,有內熱源時溫度為設定);方程的右邊是物體表面所發散出去的熱量和本身熱能量的變化。
    我們可以推導出關于物體表面溫度Ts的一元四次的方程:

    由以上公式可知,要實現對Ts求解,首先必須完成對環境輻射熱量qi,環境溫度Tamb,傳導到物體的熱量qcdi三個變量的求解。下面就具體介紹求解過程。
    3.1.1  環境輻射熱量qi的計算[2]
    有氣象學得知,環境輻射主要包括太陽輻射qsun、大氣散射qsky和地面輻射qGround。
    太陽輻射可視為一個6000K的黑體,對目標以平行的方式輻射,可以由斯蒂芬-玻耳茲曼定律計算出其輻射值。
    斯蒂芬-玻耳茲曼定律:

    大氣散射可以看作為一個環繞著目標的半球型的灰體,對目標進行輻射,按照輸入的天氣和區域的不同,設定不同的環境值。另外地面輻射跟區域和位置有關。
    3.1.2  環境溫度Tamb的計算
    環境溫度Tamb和太陽輻射強度一樣具有逐日、逐年周期性變化的特性,并和地表溫度TEarth有關。通常下午2至3時地表溫度達到最高;凌晨4至5時達到最低,其變化具有簡諧波的形狀,但又非嚴格的正弦或余弦形式[2]具體形式可寫為:

    其中周期T=24(一晝夜)。設測量日的最高最低氣溫分別為Tmax和Tmin,則日較差為
ΔT = Tmax - Tmin ,該日的平均氣溫為:
             (7) 
    Tamb與目標的飛行高度Htgt地表溫度TEarth有關[4]公式為:

    這里,Htrop是對流層的上限,Htgt與Htrop的單位都是用Km。地表的溫度的取值一般如下:
    TEarth = 272K  (冬天)  
    TEarth = 294K  (夏天)
    對流層上限的值以海平面的高度為標準[4],取值如下:
    Htrop = 7Km   (冬天) 
    Htrop = 9Km   (夏天)
    3.1.3  傳導到目標的熱量qcdi的計算
    由傳熱學可知,具體包括非基于內熱源的導熱模型和基于內熱源的導熱模型兩大類。
   (1)非基于內熱源的導熱模型[5]
    對非基于內熱源的導熱模型,當目標平面板壁的高(長)度和寬度是厚度的8至10倍左右時,按一維導熱處理。因此建筑物壁體、路面和土壤的不穩定傳熱用一維傳熱處理,其內部溫度分布的導熱微分方程為:

    式中T(t,x)為在時刻t,深度為x時的溫度,a為壁體材料的熱擴散系數,其值為λ/C?ρ,其中λ為壁體材料的導熱系數,C為壁體材料的比熱(J/Kg ?K),ρ為其密度(Kg/m3 )。
則單位面積、單位時間傳導過的熱量為:

   (2)基于內熱源的導熱模型[6]
    對基于內熱源的導熱模型,由內熱源導熱到目標鄰近內熱源表面片上的熱量主要以輻射形式向外界環境發散。
    由傅里葉定律,我們有:

    這里,T0為內熱源的溫度;Ts為表面片的溫度。Rn為與內熱源相連的金屬結構件面片的等效內阻。計算公式為:
它們各自相對于內熱源的等效熱阻為:

    式中:AN是表面片相對于內熱源的有效面積;A(l)是距內熱源為l處表面面片的有效橫截面積;LN是內熱源中心到表面面片中心的距離;K是綜合導熱系數。
    再由斯蒂芬-玻耳茲曼定律熱平衡方程[1]我們可以得出一個基于內熱源的導熱模型:


    由于實際目標并不是理想的黑體,而應是灰體,此時用ε表示目標的黑度。
    3.2  目標紅外輻射強度R的計算
    由物體的溫度分布和探測器的位置以及探測的波段來計算目標的輻射出射度。在實際運用中,有3~5um、8~12um要的探測波段。在繪制目標的紅外圖形時,利用普朗克定律來計算目標表面的輻射出射度。 
    目標的每個三角面片的輻射出射度由用普朗克公式[1]計算:


3.3  紅外圖像顯示的灰度G算。
    目標的紅外輻射強度與紅外圖像顯示的灰度是線性關系,是一個均勻量化的過程[2]。
首先確定灰度等級上下限?;葉鵲燃渡舷孿薹直鷯勺畬蠛妥钚〉姆涑鏨潿扔脛嘍雜?。Rmax度Gmax = 255,Rmin度Gmin=0每級灰度對應的輻射間隔為r,為

    各個三角面片的輻射出射度Ri對應的量化灰度值Gi為

   本文中,對于背景的紅外成像仿真一般不討論任意類型物體,而是針對具體觀察對象和工作環境,確定幾種典型目標和背景來表示[7]。主要考慮的是山、云、樹、自然地表如沙漠等的紅外圖像 生成。我們將一幅的紅外圖像 處理成紋理的尺度形式,再根據具體的環境條件計算出的環境輻射強度,合成新的紅外背景圖像[8]
    4  試驗及結論
    在紅外成像仿真的顯示中,我們使用OpenGL來進行交互繪制。在構建的三維場景中,地面、天空采用紋理的表示法來表示,建筑物、坦克、人物均采用3ds模型來表示。3ds模型的各部分根據屬性的不同設置了不同的ID值,以便確定材料的熱擴散系數、對流因子、導熱系數等參數。在本文中紅外成像仿真分為背景的紅外成像仿真和目標的紅外成像仿真兩部分。
    4.1  類結構定義
    根據上述數學模型,我們設計了紅外成像仿真的類(定義為CInfrared)。
class CInfrared  
{
//內熱源、太陽、大氣、地面等的輻射熱量,
double Qenergy ,Qsun,Qsky,Qground,Qtotal; 
//輻射到環境中的熱量,對流的溫度
double ,QTambient,Qduiliu;               //發射率
double  ConstE,;           //表面溫度,環境溫度
 double Tsurface ,Tambient;           //內熱源溫度
double mTEnenrgy;       //物體所在高度,地面溫度
double Htarget,Tearth;  

double mWaveLength1 , mWaveLength2;  //波長的范圍
double mRGB;                    //返回的RGB值
int weather;           //天氣
int positionArea;          //物體位置
int  Season;                              //季節
public:
double ReturnRGB();           //返回各部分RGB值private:
//用天氣和區域來確定Qsky,Qearth 的環境屬性

void CaculateQ();  
//通過對流與導熱計算環境溫度 
void CaculateAmbientQ(); 
//設置材質屬性
void CaculateParameter(int mObjectID);  
 }
    4.2  算法的實現
    在計算傳導到目標的熱量時,我們要按照各個面片中心點到熱源中心點的距離,將所有的面片環繞熱源分成一定的層(對非基于內熱源的導熱模型將物體表面作為內熱源),對每個面片,求出其相鄰面片的平均溫度,將之作為該面片的溫度,然后累加該面片的溫度與原來溫度的差。當累加誤差小于某一個給定值就停止整個過程。這時熱擴散達到穩定狀態。


    4.3   結論
    紅外成像仿真解決了夜間戰場環境模擬的難題,增強了環境模擬的真實性。但我們在這方面只是作了一部分的工作,距離實際的運用還有差距。需要建全不同條件下的環境屬性參數庫和目標的材料屬性參數庫,才能實現真正意義上的紅外成像仿真。
    參 考 文 獻
    [1]陳衡編著,《紅外物理學》, 國防工業出版社, 1995。
    [2]劉景生編著,《紅外物理》,兵器工業出版社,1992。
    [3]彥啟森、趙慶珠合編《建筑熱過程》,中國建筑工業出版社,1998年12月版。
    [4]徐華舫編著,《空氣動力學基礎》, 北京航空學院出版社, 1987。
    [5]范治新編著,《工程傳熱原理》,化學工業出版社,1982。
    [6]劉濱等,“動態紅外景像模擬技術”,紅外技術,1996,Vol.18, No.2, pp.23-26。
    [7]GeoffreyY.Gardner,etal, “A Digita Scene Model for Simulation of Visual Infrared Image Processing and Enhancement”,Vol. 781 ,1987
    [8]JeanPierre Gambotto ,et al. “Combing Image Analysis And Thermal Models For Infrared Scene Simulations”,IEEE ,1994