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| 內容簡介： |
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《红外场景仿真技术及应用》主要包含红外场景仿真的概念、理论、实现和应用几个方面的内容。《红外场景仿真技术及应用》梳理了现阶段常用的仿真软件，对红外场景仿真技术和系统做了较为深入全面的介绍，涉及红外场景仿真的基本概念、目标与背景的红外特性建模技术、传感器建模技术、动态场景生成技术、物理复现技术等内容，*后结合科研和工程实际，给出了红外场景仿真的应用实例。
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目录前言第1章 绪论 11.1 红外场景仿真技术概念及分类 11.2 红外场景仿真技术发展历史 41.2.1 目标和背景建模与仿真技术 41.2.2 大气传输效应建模与仿真技术 61.2.3 传感器效应建模与仿真技术 71.2.4 红外纹理与红外图像生成技术 71.3 常用仿真软件介绍 91.3.1 IRMA 91.3.2 SE-WORKBENCH 101.3.3 JRM 161.3.4 DIRSIG 201.3.5 Vega 211.3.6 CAMEO-SIM 241.4 本书组织结构 27参考文献 27第2章 红外场景仿真中的目标红外辐射特性模型 302.1 红外辐射基本理论 302.1.1 热传递的基本方式 322.1.2 温度场计算基础理论 342.2 典型实体目标的红外辐射特性 352.2.1 地面目标的红外辐射特性 362.2.2 水面目标的红外辐射特性 542.2.3 空中目标的红外辐射特性 642.3 无定形目标的红外辐射特性 672.3.1 喷焰的红外辐射特性 672.3.2 云层的红外辐射特性 742.3.3 假目标的红外辐射特性 812.3.4 烟幕的红外辐射特性 86参考文献 89第3章 红外场景仿真中的背景红外辐射特性模型 913.1 地面背景的红外辐射特性 913.1.1 地面背景红外辐射特性模型分析 913.1.2 典型地表红外辐射特性 943.1.3 地面背景仿真与分析 973.2 海面背景的红外辐射特性 1023.2.1 海谱模型 1023.2.2 海面红外辐射模型 1053.2.3 海面背景仿真与分析 1093.3 天空背景的红外辐射特性 1133.3.1 单层介质大气辐射传输特性 1143.3.2 多层介质中的辐射传输 1203.3.3 大气自身热辐射对天空背景辐射的贡献 1213.3.4 多次散射对天空背景辐射的贡献 1233.3.5 天空背景仿真与分析 1353.4 星空背景的红外辐射特性 1363.4.1 恒星红外辐射计算 1373.4.2 行星红外辐射计算 139参考文献 141第4章 红外成像传感器建模与分析 1444.1 红外成像传感器概述 1444.1.1 红外传感器与红外成像技术 1444.1.2 红外成像传感器主要工作原理 1474.1.3 红外成像系统典型组成结构 1544.2 红外成像传感器数学建模方法 1554.2.1 红外成像传感器建模基本思路概述 1554.2.2 红外成像传感器理论计算模型 1554.2.3 红外成像传感器理论计算模型比对验证 1654.3 红外成像传感器性能参数反演方法 1734.3.1 SiTF参数反演 1744.3.2 MTF参数反演 175参考文献 180第5章 红外动态场景生成技术介绍 1825.1 红外场景生成方法概述 1835.1.1 红外场景生成过程 1835.1.2 场景中对象的辐射计算方法 1855.1.3 目标成像几何变换过程 2015.2 红外动态场景实时生成方法 2105.2.1 红外动态场景实时生成技术途径 2125.2.2 计算机图形学简介 2135.2.3 三维渲染技术的概念及方法 2155.2.4 OpenGL简介 2185.2.5 GPU简介 2225.2.6 GLSL简介 2255.2.7 CUDA简介 2285.3 常用红外实时仿真方法介绍 2325.3.1 基于GPU着色渲染引擎的红外实时仿真方法 2325.3.2 基于GPU并行计算的红外场景生成方法 2365.4 动态场景生成软件示例 2435.4.1 建模工具Creator介绍 2435.4.2 Vega Prime介绍 2505.5 小结 264参考文献 265第6章 红外场景的物理复现技术 2666.1 红外场景物理复现技术概述 2666.2 红外投影仪的基本构成和原理 2676.3 红外投影仪主要参数 2706.4 红外电光转换技术发展现状 2756.5 常用的红外投影技术 2856.5.1 DMD技术 2856.5.2 IRCRT技术 2916.5.3 电阻阵技术 2966.5.4 激光投影技术 3006.5.5 多波段场景复合投影技术 302参考文献 305第7章 红外场景仿真技术的应用实例 3087.1 红外场景仿真技术应用概述 3087.2 红外场景生成软件应用实例 3097.2.1 SE-WORKBENCH-IR软件应用实例 3097.2.2 TOPS软件应用实例 3147.2.3 空中目标与背景仿真软件应用实例 3297.2.4 红外场景半实物仿真软件应用实例 3307.3 典型注入式闭环仿真应用 3507.3.1 注入式设备组成及功能 3517.3.2 工作模式 3527.3.3 工作流程 3537.3.4 图像输出控制器 3547.3.5 图像输出控制软件 3597.4 典型辐射式仿真应用 3597.5 典型训练模拟应用 3647.5.1 模拟训练软件的框架 3657.5.2 基于Vega的模拟训练软件 3667.5.3 工作流程 3677.5.4 典型工作界面 3677.6 典型多波段光电复合仿真应用 3687.6.1 多模场景生成软件架构 3697.6.2 红外模式 3727.6.3 激光半主动模式 3737.7 红外场景仿真技术展望 374参考文献 375
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第1章 绪论 红外场景仿真技术是一个集成性很高的技术，它的发展综合了红外传热学、光学设计、计算机图形学、信息处理、虚拟现实等技术。红外场景仿真通过一种全新的技术手段为应用者提供了一个逼真的可视化试验平台，生成了与实际场景物理特征一致的虚拟红外图像，其在军事、航天等领域应用广泛，并在国内外得到了迅速发展。 本章对红外场景仿真技术的基本知识和背景做了概述性介绍。*先，介绍了红外场景仿真技术的概念、内涵、分类，以及研究背景和意义；其次，介绍了红外场景仿真技术的发展历史、国内外现状；*后，介绍了国内外常用的典型红外仿真软件，说明了其应用范围、适用性、优缺点等。 1.1 红外场景仿真技术概念及分类 红外成像系统与雷达成像系统、电视成像系统并称为当代三大成像系统，红外成像系统具有靠目标自身热辐射工作、气候适应性强、可日夜工作等特点，因此受到国内外光学探测学者的关注。目前的红外成像技术已具备精度高、抗干扰能力强、使用灵活等特点，被广泛用于军事和民用领域，特别是在航空航天、医疗成像、工业故障诊断、红外防伪、红外检测等各应用领域发挥着不可替代的作用。随着红外成像技术的快速发展，各种基于红外成像的系统陆续被研制，而这些系统在研发过程中，往往需要不断地对系统性能进行评估和测试。如何快速高效地研制在各种复杂红外背景和干扰下具有精确打击能力的红外成像制导系统，并对其性能进行测试和评估，已经成为现代高科技战争中的关键问题之一。 由于红外热成像技术是一种被动式的非接触的检测与识别技术，因此其隐蔽性好，不容易被发现，相比雷达系统，系统体积更小，且红外热成像技术不受电磁干扰，从而使红外热成像更安全有效。自然界的大气对可见光和近红外有吸收，但是对3～5μm和8～14μm的红外波段(大气窗口)却是透明的，因此相比可见光，红外的环境适应性好，不受强光、弱光和雨雪等恶劣天气的影响，适用于全天候观测，另外，红外是靠目标和背景的温差来进行探测的，其伪装识别能力优于可见光，可以看清人眼看不到的东西。 目前，随着红外成像系统的发展，对红外成像系统性能的评估已成为一项十分重要的工作，因此必须对目标的红外辐射特性和红外成像系统性能进行研究。红外成像系统的成像质量在很大程度上会受到目标和背景的影响，如目标的种类、目标所处的地理环境、气象环境和工作时段等。对于红外成像系统的评估，*直接的是利用试验的方法，通过构建实际的复杂成像环境并对其进行测量得到真实的评估结果，但是，这种方式在实际实施时会遇到很多问题，例如，由于红外成像与气候等测试条件相关性很大，对其评估需要充分考虑不同的环境条件，但是实际的测试条件是很难控制的，通常无法获得想要的成像环境，有时甚至等几年都无法获取完备的成像条件，且这种方法在进行全尺度的外场试验，在时间、人力、费用上都是难以承受的，所以单纯采用试验的方法无法满足实际应用的需求。因此在试验存在局限性的情况下，开展红外场景仿真技术研究，利用计算机仿真生成红外图像，是对红外成像系统质量进行评估的有效方法。*先，利用红外场景仿真进行评估更方便实现，可以随意变换输入条件进行大量的计算和统计，更具有全面性；其次，当红外成像系统只作为系统中的一部分时，其评估可能是对于完整系统的评估，对其进行实际的测量会涉及很多问题，此时利用红外仿真系统可以对整个系统不同环节进行测试和评估；*后，对于还没有投入使用或者不成熟的红外成像系统，无法通过实际测量来获取红外图像，这时采用红外仿真软件是一个绝佳的途径。 红外场景仿真技术以红外辐射计算理论为基础，将目标、背景、大气环境以及红外成像系统进行整体的考量，通过目标和背景的温度场分布和辐射计算、大气传输特性计算、传感器特性计算，结合场景的构建和时空的转换来生成符合物理规律的真实感红外图像。红外场景仿真技术是一项各学科的交叉技术，包含了建模技术、虚拟现实技术、计算机技术、图形处理技术、立体影像与多媒体技术等，利用三维图形学再现成像的完整过程，准确地模拟不同环境条件下的红外场景。由于它采用理论计算来完成目标的辐射分析和成像系统性能分析，因而能够避免大量的烦琐的试验工作，具有较高的应用价值。 红外成像系统的仿真大致可分为三类：物理仿真、数学仿真和半实物仿真。物理仿真也称为实体仿真，是在物理模型的基础上进行仿真实验的技术，其中物理模型是利用几何相似或物理类比方法建立的，它可以描述系统的内部特性，也可以描述环境条件，即构建等效的测试环境，利用等比的目标模型来实现物理模型的构建，这种方法通过对目标和不同环境条件进行等效模拟，因此在一定程度上解决了环境条件的覆盖性问题，但是这种方法带来的问题是建设周期长、构建和试验的成本都极高，在成本受制约时也不是行之有效的方法；数学仿真和半实物仿真由于费效比高，受到研究者更多的关注，也是本书介绍的重点。数学仿真主要是利用计算机来计算、模拟成像系统的数学模型，整个过程通过计算机的数字化运算得到计算结果，数字仿真已成为数学仿真的主流技术。半实物仿真又称为“物理-数学”仿真，即一部分使用的是虚拟图像，一部分使用的是实物对象。对于红外成像试验系统而言，不管是数字仿真还是半实物仿真，决定试验效果的关键都在于能否逼真地生成“目标-背景-干扰-大气-成像传感器”复合作用下的红外图像。 红外场景仿真技术在红外场景生成过程中的对应关系，以及场景生成过程中的不同阶段在应用中所起的作用如图1-1所示。 图1-1 场景生成技术应用示意图 红外场景仿真技术涉及目标红外辐射特性建模技术、背景红外辐射特性建模技术、红外动态场景生成技术、红外传感器建模技术、红外场景物理复现技术等几个方面。其中，将目标和背景的红外辐射特性、传感器特性、大气传输特性、时间和空间特性这些复杂的内容准确、定量、逼真地描述出来是十分重要的，也是红外场景仿真技术的基础。通常的研究思路是*先建立目标与背景的几何模型，对其几何模型进行预处理，然后计算其温度场分布和红外辐射特性，再根据传感器的特性建立传感器模型，通过场景设定中目标-背景/环境-传感器之间的关系，生成预设空间和时间下任意角度的红外场景。红外场景仿真按照目标与背景的分类可分为：地面目标与地物背景仿真、海面目标与海面背景仿真、空中目标与天空背景仿真、空间目标与深空背景仿真。 总之，红外场景实时仿真技术真实地模拟了被测系统的实际工作方式，具有重要的研究价值和广泛的应用前景。 1.2 红外场景仿真技术发展历史 随着20世纪80年代红外技术和计算机技术的发展，以及对红外技术实际应用的强烈需求，红外仿真技术应运而生。在之后的几十年时间里，红外仿真技术发展迅速，在研究和应用上取得了很大的成功，尤其是在军事领域，已经成为一项关键技术。国外对红外仿真技术的研究起步较早，技术较为成熟。但由于红外技术在国防军事上的敏感性，早期国外有关红外仿真研究的详细技术资料很少公开，但随着红外技术爆发式的发展，红外仿真技术的相关研究逐渐涌现，现在与其相关的技术已经有大量学术论文和资料可供参考，例如，目标和背景建模与仿真技术、大气传输效应建模与仿真技术、传感器效应建模与仿真技术、红外纹理与红外图像生成技术等。 1.2.1 目标和背景建模与仿真技术 早期的研究工作中目标和背景表面的温度计算是红外辐射特性建模的重点。主要模型有经验或半经验模型和**原理模型两种。经验或半经验模型研究*典型的是在20世纪80年代，Jacobs采用一维热模型计算了具有简单几何外形的物体的表面温度，并考虑了晴、阴两种天气条件，这是场景仿真的开端[1]。Kornfeld通过测量数据建立了温度分布的经验模型，并考虑了大气对红外辐射的影响以及成像系统的退化效应和噪声特性[2]。Ben-Yosef等从统计的角度对自然地表的温度场进行了分析研究，建立了地表的二十四小时温度变化统计模型[3]。Hinderer利用经验值或测量值作为数据来源，通过数据处理与经验推断来确定物体表面的温度[4]。Biesel建立了物体表面温度随环境辐射、气温、物体热属性等参数变化的经验模型，通过物体表面热平衡方程，在一系列假设条件下，给出了物体温度的解析解，同时考虑了大气衰减作用以及传感器效应，完成了红外场景仿真[5]。到了20世纪90年代，Curtis等通过对几年来观测到的温度数据、材质数据以及气象数据进行分析，建立了物体表面温度随时间、材质类型、气象条件以及物体方位变化的经验模型。以色列的Balfor等建立了温度关于太阳、天空、气温和风速的函数通用表达式，通过建立不同材质的系数数据库，并考虑外部环境的影响即可获得物体表面的温度。 上述研究多采用经验或半经验模型，而经验或半经验模型通常建立在大量的试验观测数据之上，但是受当时资源条件的制约，模型通常进行了较大的简化，制约了红外仿真的真实感。另外，经验模型需要进行长期的观测试验，由于受地域和时间的限制，很难获取到完备的数据，所建立的模型地域和时间适用性差。虽然经验或半经验模型精度稍差，但是在难于获取完整的输入参数，或者在采用物理模型难以满足实时性要求的时候，经验或半经验模型仍不失为一种有效的方法。 但在追求高真实感仿真的趋势下，要求学者必须综合考虑各种仿真因素，提高仿真精度，从20世纪80年代末至90年代初开始，基于**原理的计算模型逐渐成为仿真研究的主流，**原理模型综合考虑影响物体温度变化的各种因素，建立物体的热平衡方程，进行方程解算以生成物体温度分布来计算物体表面温度，进而求解物体的红外辐射，**原理计算模型具有更强的物理可信性，很多商业或专用的红外场景仿真软件通常也都包含基于**原理开发、负责进行热计算的组件。 20世纪80年代末，ThermoAnalytics公司建立了基于**原理的三维热传导模型PRISM(physically reasonable infrared signature model)[6]，并求解了目标温度分布，通过构建目标的三维模型，添加材质属性参数，然后综合考虑影响目标温度变化的各种因素，建立热平衡方程求解物体表面的温度分布情况，这种模型较为全面地考虑了各种因素对物体温度变化的影响。20世纪90年代，Johnson开发了MuSES模型仿真工具用来替代PRISM进行红外信号分析[7]，该模型是对PRISM的进一步发展，它具有易用的图形用户界面(GUI)，集成了温度计算和红外仿真功能。同时，美国佐治亚理工学院的Sheffer等采用**原理开发了一套合成场景图像生成系统GTVISIT，该模型还考虑了太阳天空辐射，传质过程(蒸发、冷凝、升华、降雨)，流体传输，遮挡和多次反射等对温度的影响。该模型具有较高的温度分辨率和光谱分辨率，输出结果可以是温度值或辐射值。DCS公司为罗切斯特大学数字成像和遥感实验室(DIRS)开发了一套温度计算软件THERM[8，9]，THERM采用一维热传导模型计算各个面元温度随时间的变化情况，该模型不仅能够对目标和背景的辐射量红外热图进行模拟，还能模拟目标经大气衰减、探测器噪声及战场烟雾作用后的模糊效果，该模型被广泛地应用于商业或专用的红外场景仿真软件中，如TTIM(TACOM thermal imaging model)仿真软件、DIRSIG(digital imaging and remote sensing image generation)仿真软件都集成了THERM模型。 **原理模型的建立是红外场景仿真发展的一个新阶段，它使得计算结果更加准确。然而，基于**原理的计算模型其传热方程组解算非常复杂、耗时，特别是对于计算复杂几何结构的物体，模型很难与真实一致，因此，从20世纪90年代中后期起，国外的研究者开始对模型进行完善，不仅要提高建模结果的真实性，还要考虑计算的实时性和简便性等因素，随后，温度求解的基本理论和方法日趋完善，仿真精度日渐提高。 在国内，目标和背景建模与仿真技术研究比较晚，直到21世
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