infrared physics

1、 基于红外物理和热传递的红外图像合成模型文摘：现在大部分图像合成模型是基于光学的visible-spectrum. 虽然模拟可见光的照明效果，但是不能显示红外特征的对像。本文提出了一种生成实际的红外图像的合成模型。我们首先建立一个关于像表面的热平衡方程。然后根据它和热量在物体和物体的边界面的传递。我们计算温度和每个物体 表面小块的辐射线。最后在辐射线的基础上，每个小块都是由高罗德着色的。实验的例子产生红外图像这是我们方法的潜力。关键词：红外物理，红外图像，热传递。介绍：红外图像场景已经在军事领域，航空航天系统性能评估，算法开发，任务规划，培训，遥感和最近的在多传感器融合的解释方面发现了伟大的应

2、用。对于所有这些了，理解和建立对象在热场景中的模型的热行为产生了极大的兴趣。然而大多数当前的阴影模型基于光学visible-band对于现实的图像合成,而模拟可见光生动的照明效果。这些模型不能正确地再现对象的红外图像造成的表面温度和内在的热性能。这是一个令人兴奋的合成红外图像的挑战研究者。在1987年，J.Hinderer提出了一个实验方法，它将对象表面划分，这是根据预编译热分配一定温度数据和试验法。在同一年，W.R.Owens提出了一种推断图像符合环境的方法，这里，物体表面划分为不同的小块，这是进一步划分为几个细类。这些方法的主要缺点是它们依赖于启发式和需要大量的热数据库，和相邻面之间的热流

3、，不占室内容积之间的元素。为了克服以前红外图像合成的缺点和改进红外合成图像，在1987年，G.Gerhert开发了一种基于模型的计算每个等温物体辉度的方法。在1989年，Chanhee Oh通过使用八叉树来准确建模红外图像。然而，这些方法不考虑不均匀的材料和对象的内部热源。NNandhakumar提出了第一个能够模拟内部热能源影响的方法。对像的方法构造一个层次模型称为Vs-tree和评估的表面温度计算每个元素对象序列。然而当物体的形状更复杂，该方法计算大量的节点需要相当大的计算负载，此外这种方法难以准确代表各种复杂的形状对象。1996年Hyum-kiHong开发了一个集成对象模型中的热传递过程

4、不均匀的对象作为等效电路的表示。它代表了内部热源之间的热传导和对象的表面热阻。该模型有效的显示了内部热源的影响，它决定了表面的每个只考虑对流和传导的内部能源的方面，因此忽略了影响相邻面之间的热流。经过全面的调查，我们意识到红外图像合成模型应该应该占所有形式传热中的对象以及对象的表面和环境之间的动态交互。也随着热流可能从对象的一个部分到另外一个部分。对于3d-object结构模型这是很重要的。基于这个想法，我们提出了一个基于红外物理和热传递的红外图像合成模型。本文的其余部分组织如下,在第二节中,我们简要回顾一些基本概念和方程在传热和红外物理。物体内的传热是仔细研究并提出了一种新的红外图像合成模型

5、在第三节。第四节演示了几个例子,我们的模型,我们的方法之间的区别和第五节中讨论的相关工作。2热传递的基本原理和红外物理 1，热传递当一个系统内部温度梯度存在或者当两个系统在不同温度下进行接触式发生能量转移。能源运输发生的过程被称为传热。热传递有三种不同的模式:传导、对流和辐射。传导可以视为热传递从高温到低温。傅里叶描述的传导传热定理。对于一维的热传导点图1所示，速率方程表示为：q是热传递的速率。A是通过的区域，k是传导率。是温度的变化，是长度。符号是负的，反映了热传递朝温度下降的方向。可以视为热传递的电阻R1 R1=导热率可以表示为： q=-二维传导热学方程可以表示为：对流流体和边界面之间可能

6、发生时,两个处于不同的温度。在这种情况下,通过对流传热的速度计算的关系是这个热传递的速率。A是传热面积，是对流系数。传热的第三种模式，即辐射将在下一节中讲述。2.2红外照射从身体热量转移的过程由于其温度,没有任何干预的援助中,称为热辐射。在红外区辐射称为红外辐射。光谱辐射能量排放单位时间和单位面积从黑体在波长范围波长我dX由普朗克定律描述。是在绝对温度下的光辐射度，是波长，C1是常数，C2是第二辐射常数，黑体的光谱辐射率在不同温度和波长的函数绘制在图2。波长的光谱辐射度达到最大Max随着温度的增加而下降。绝对温度和波长之间的关系称为维恩位移定律。根据这一结果，最大的光辐射率随着温度的增加向短波

7、方向移动。黑体的全辐射出射度与其温度的四次方成正比。为斯忒藩-玻尔兹曼常数。在温度下计算各个波长下的全辐射出射度。3：合成红外图像模型生成 3.分析红外图像生成影响因素的热影像对象包括物体表面温度、发射率、大气传播,传感器及其几何特征。其中,物体的表面温度起着主导作用。物体的表面温度分布依赖于内部热量条件、对象结构、内在热属性的对象和对象之间的动态交互的表面和环境。内部热量条件包括力量和内部热源的位置。固有的热性能,如材料密度、比热、电导率、对象的体积和表面几何,控制导电的本质对象内的热流。图3说明了各种条件影响表面温度，和热图像生成。入射辐射,吸收热量,对流辐射热量到环境中,进行了热到对象或

8、进行热引起的内部热源。节能在身体表面的热量平衡方程描述: 红外成像仿真技术入射辐射量，是太阳照射，是太阳发射能量，是地表发射能量。进行热传递的内部能源，是吸热量，辐射到环境中的热量，是发射率。传递到物体的热。：对流。是对流系数，是环境温度，是表面温度。根据方程9.我们可以计算表面温度和生成红外图像。对于一个真正的对象,其内部热源确定其主要的红外特征。因此我们将研究造成的组件内部热源在下一节的更多细节。3.2物体内的传热众所周知，内部能源与金属物体连接作用，随着物体的金属导热非常好，导电内部热源的热量扮演着主要的角色在决定表面温度。计算传导热量,我们首先细分对象表面补丁。对于那些补丁与热源通过金

9、属结构部分,我们构造等效热电路:是电路的有效截面面积。是特定截面的金属结构部分，是距离热源表面贴片的中心。K是金属结构部分的热导率。根据傅里叶定律（3），热传导方程可以表示为：是内部热源的能量，T是热源的温度，运用斯忒藩-玻尔兹曼定律和热平衡方程，我们得到一个方程：用这个方程。我们可以得到内部热源和表面小块的温度。3.3表面热气流的传播在物体表面，热气流从物体高温区域转移到相邻的低温区域，这个被认为是热扩散，这个过程可以总结为从表面高温小块逐步转移到毗邻的周围的小块。图4说明了二维热扩散。图中的节点是表面小块的节点。我们假设物体处于热平衡状态，因此这里被认为是稳态传导。我们可以简化使用隐式有限

10、差分微分方程的二维传导。相似的，我们可以得到：同样的方法，我们可以计算，把这些值代入到两个传导方程中，然后让，我们得到：在上面这个方程中通过使用Gauss-Seidier的迭代方法，我们可以渐进的计算其他表面的温度。3.4：基于表面温度变化生成热图像从大气物理我们可以知道红外辐射在不同波长的传播特性是不同的。在光谱的大部分范围红外辐射是严重衰减的 ，只有在大气是透明的光谱范围的源辐射是可以观测的，被称为大气窗口。因此当我们模拟物体的红外图像时，大气窗口我们可以用普朗克定律计算物体的表面。我们注意到仍然是正确的在红外范围。因此我们采用普朗克定律的近似：用部分积分方法，我们可以近似估计这个积分如下

11、：根据维恩位移定律，如果，上述方程的相对误差不到百分之一。通过方程，我们可以知道每个物体表面的辐射。我们计算每个顶点差值的辐射。最后每个表面有顾格尔阴影。4结果：我们合成了几幅基于上述模型在SGIIGIS4D/35工作站在浙江大学CAD&CG的国家重点实验室的飞机图像。图5是飞机的视觉形象。图6 - 8飞机的红外图像在波长带在3 5微米。在这些例子中，飞机的引擎是分别在常规状态,第一个推力增大状态和第二个推力增大状态,并且我们承担发动机的温度900 k,1200 k和1300 k。因为发动机产生大量热量，引擎附近的表面出现明亮，亮度随着温度的升到而增大。这符合图2，与红外图像系统的观察

12、。明显的红外图像可能不会像上面的数字和明亮的物体形状可能不是显而易见的,这是因为物体真正的红外图像可能是模糊的由大气和传感器的特性衰减。图9是在波长间距812微米，发动机温度在1300k的图像。比较图9和图8，高温度的区域（大约在900k1200k）物体表面再中红外比远红外要明亮。在低温范围(大约在273k350k)在远红外比在中红外明亮。这个事根据图2.5：讨论和结论比较Nandhakumar和Hyum-KiHong的作品，我们的方法具有如下特点：1：提出的红外图像合成石基于红外物理和准确地模拟对象内部的传热行为热传递，在物体和物体或物体和环境的边界面，我们模型的计算量小于Nandhakumar模型的计算量。2.在提出的模型中，只有那些直接与热源接触的金属结构部分的小块，从内部能源的导电热是被计算的，与Hyum-KiHong模型比较，我