基于大气传输模型的动态目标红外成像仿真

1基于大气传输模型的动态目标红外成像仿真张智丰,李向新,彭群生〔浙江大学CAD&CG国家重点实验室杭州310027〕摘要：本文在建立目标热模型的根底上，考虑了红外辐射的大气吸收模型，进而提出了在动态目标红外仿真中大气透射率的计算方法。利用计算机实现了汽车的三维造型，汽车外表红外辐射的计算，大气衰减量的计算，得到了经过大气衰减的红外模拟热像。关键词：大气传输；大气透射率；红外辐射；模拟热像TheInfraredSignatureofaMovingTargetsBasedonAtmosphericPropagationModelingZhangZhifeng，LiXiangxin，PengQunsheng(CAD&CGStateKeyLab.ZhejiangUniversity,Hangzhou310027)AbstractBasedonthethermalmodelofatarget,theatmosphericpropagationmodelofinfraredradiationisdiscussedinthispaper.Then,themethodofcalculatingtheatmospherictransmissionrateispresented.Usingsolidmodelingtechniqueoncomputer,theinfraredradiation,thentheatmospherictransmissionrateofacariscalculated.Asaresult,theinfraredimageincludingatmospheretransmissionisobtained.Keywords:atmosphericpropagation,atmospherictransmissionrate,infraredradiation,simulatingthermalimage斑一、变引诊言努红外参成像忙仿真蚀是根瓶据目考标的贼红外霞辐射摘特性双，采观用合胀适的紧数学鞭模型争，用讽计算卸机算杨出红视外目真标的炎热辐黑射，茄然后什通过丹量化得等手棕段，醒将辐可射数献据转抱换为燃亮度匠来显暑示的象一种叫技术唐。挥红外饭成像延仿真蛾的理柴论研杂究及句其实倡现，舟具有批强烈忘的需菜求和躺应用缴背景成。由卷于它泡在军掌事上妹的港个确赞修慎摄洲占请垂兄撤住敬梁异竟璃宅本文邪受国胳家自今然科杆学基振金项疯目粘“歼动态贱目标县的红亿外仿筛真模牌型与赴实时内绘制旨技术现的研尿究坏〞远的资齿助。符工程环编号桑：6驰98区73致03漠9青应用伍，目凭前已她成为倒国内扮外有欲关研偏究机便构的永重要狂研究笔课题纲。而价通过萍理论爬研究兽的方渔法，魄建立乳物体辽的红词外物夏理模询型，昂得到肠物体西的模循拟热添像，都将为罩红外珍系统票的研还制提蜘供极坡为经雷济和锐有效导的手党段。订生成暗一幅喜与用原红外剂探测妄器得绞到的叶信息镜一致吐的模壳拟红感外图变像，获涉及遵以下旋几个埋步骤险：1阁〕由签目标页的物兆理模诱型计饰算目庭标的矛红外竿辐射请分布质，即掩所谓汁零视凭距的适辐射肠分布享；2量〕按绝照目牺标与激视点终间的父大气乓条件酒，计摘算目印标红井外辐旧射分喜布经血过大由气到膜达视维点过桨程中卸的衰巧减，荐即大谊气衰范减；观3〕彼模拟秘红外铁探测励器的翁特性丑，做拣光电鼠转换尝仿真肯，生在成红循外图皇像。拉在目痰前的身工作躲中，枕仅考召虑第弱一步射骤的箩较多偶，对玩于第主三个诊步骤眼，即嘱传感肉器的途模拟跪，一策般都就简化腔成仿手真噪参声的静叠加伐。对无于第咬二个图步骤堂，即侵红外稿辐射迎分布皇的大眼气衰邮减，悔讨论伸得相躁对较量少。泊本文宫在考盛虑目礼标红季外辐酷射分盯布计乏算的撒根底姥上，毅考虑犹了大炊气传尺输的香衰减敬，得疫到了罗较为织真实妨的仿轻真结瓦果。换二、盯目标稿的热育模型椅本文设在具传体讨迹论中详，以睛汽车舱的红桑外成使像为寇例。仆汽车救的红来外图坏像是次由其狼外表伴温度拾，几胆何结鸣构，辈汽车铜外表洋的性羞质，肠大气推条件和等因萍素决叶定。株对于辅行驶孟中的凯汽车柄来说荣，发屑动机描是它沸的重趟要内成热源漫，而闻从探洪测器拍测到怕的直泰接辐感射是丘来自乎于车农辆外畏表的针，因华此，良先要行分析膜汽车矿的散钩热过寄程。住在分修析发功动机炊向汽买车表缸面的磁热辐雀射时合，采取用面姿元分昨析是让比拟哑适宜痕的。控为此丢，我窝们将练汽车爱分为在车顶侦、底巩盘两另大部垮分，厨建立讲汽车奋的热扑模型舰。径〔一民〕车般顶的刃热模见型外外表对流空气太阳光图1面元的热交换示意图掌先分桥析车态顶与方环境端及车杆顶表醋面各诵局部葛之间虎的各亚种传着热过谁程。温任取砌第亩个面珍元，诚其热茂交换毛示意最图如近图1躲所示伟，其截中考洞虑热酸辐射花和对先流两扰种热旷交换废。辐落射部彩分主素要考扁虑了洽发动倘机表杏面对迎车顶灯外表谋的辐厘射传轧热和乔车顶腿外表除对环商境的膊辐射患。图昨1中剥，面锈元面刺积为表，温呼度为权，表罩面的屑红外合发射剑率为死，际为入旱射到妹面元闲的能脑流密坟度，捎为由饱面元螺出射誓的能外外表对流空气太阳光图1面元的热交换示意图污同时露考虑辨内外马面元焦的辐堂射交贺换，位内表孟面的泻净辐络能流辱为稍鹊虑掘卵圆经酱肚片引凑叮每闭筝凳团镇〔1阶〕阔式中浇为发邪动机亲的表浇面温劝度，俊是发失动机龄的表动面面沃积，锁是发逗动机莫外表似到面芝元婚之间烦的几已何形绪状因偏子，旨为斯覆蒂芬裳—胃波尔级兹曼削常数阻。宇面元考外表录面的过净辐姓射为槽：螺虹闹皆卫摆脸尖辛注笼拐洋川腊天谅祸脚〔锤2〕闯为汽孩车所禁处位社置的佛环境达温度湿。外填外表闷对流滴是指症面元芽外表毁面与范空气插的对奇流换栏热，棋由牛影顿冷屑却公泻式可喂表示衔为：纤旅问羡螺堪朗帜步甜田抹甲残存凳够黎瘦嘴铸壤来执〔态3〕兽公式叨中的废对流启换热警系数扣按文缺献[诱5刷]给贪出的僚公式听计算奶，即叠：织，耐为待步求的凑外表毕温度滤；屑为环笑境气膜流的良温度略；胡为车躁辆行测驶速财度与歪风速初的矢乞量和骑；套为面胸元接惧受到颠的太咏阳辐紫射，顿本文慢取奖，尽为入惑射的阶太阳豪辐射云能，届其值惕基于洋经验买模型盼得到盾；闲是该乓面元供被直滋接照委射到流的面棕积；符是面既元法示向与倒太阳伞光方扬向的闭夹角灰；茂为太羊阳光亏吸收括率。谣综合恭上面蒜的公塞式，块可得振到面陕元在抓平衡闲状态断的能冲流平复衡方亲程为泰：寺以南〔什4〕谣式中类的形元状因五子突是一哗个关抄于两闭个表促面微娇元的羞曲面往积分让，计暖算较裕为复粮杂，怕本文咸采用跨将其蜘转化悬为曲毛线积摧分的申方法狠，使品得问偏题得拢以解胆决。负〔二腐〕底袖盘的捕热模匙型馒先把颗底盘罢外表晶面分快割成杆面片秆形式天，根摸据发龙动机万的位步置，前可以违标识果出那士些与那发动贫机通引过金贴属结漆构件连相连兰的面拉片，倦我们很首先毯计算宾这一竟局部悬面片尸的表川面温鹅度。议对于昼其余良面片恐，那么堂通过佛热扩怜散方亿法来兄求得王其温提度分腰布。愚对底仅盘面肠片进待行传纯热分产析，售其热猴交换址示意耻图如牢图2犁所示摸。分寨别考寸虑了载通过恶金属事结构漫件传捡导的胞热量罪，周国围环闻境辐同射的辜能量袖，环泰境空孩气的始对流搞换热嫁，及颜其辐轨射到狱环境之中的坝热量驼。暗在平疏衡态照下，左每一油个面挎片可掘以得处到如肾下的按能量冈平衡订式：咬穗怎举茫小纽别部盼罚谦脚址况笔别沙盐及拳摄辱壁友泛〔5泥〕图2，底盘面片的热交换示意图灭式中焰：森为周博围环张境辐比射的舱热量涝，如袋太阳收、地萝面等恒的辐赌射。匙在本指文中愉仅考辜虑了洞太阳绞的辐锣射，图2，底盘面片的热交换示意图；毛为由挪发动琴机传刮导而哨来的适热量缸；渴为辐炎射到络环境轿中的村热量眠，嗽，毙是发稼射率辞；都为对伞流的性热量须，，晒是对境流换悔热因弹子；推为汽睁车所序处的拿环境翼温度密；沟为底朱盘表宇面温泥度。蒙对于忘通过对金属眼结构戏构件匙传导刻的热师量，骗可以贿由傅决立叶牺定律毅求得愿：及织抽锄势姐咽谣揭著渣凑岂袭序遵旱屡桨赵搁显信宾秆身伴〔6桐〕弄式中凤，矩是发沟动机研的导去热热枣量，绝，慢是表湾面片半相对卫于发怨动机降的有睛效面临积；险为发袭动机蒙的温锦度，贩为为柜底盘默面片姜的温同度。场为传泽导热躁阻。朋底盘诞面片挠相对桶于内堪热源略的等病效传框导热橡阻为峡：中墓案厕流猾蚂圆顾惜导坏崖咱豪纸捎毒赴繁茶影桶畜状滋奔馆体桐羽〔浊7〕糖腐决疯吼浩赢茫板瓣事乞昆岂俩塞吉樱受同抽雷屿贝扬循挠状堵湖朴〔8赚〕搬式中却：哗为表傻面片坝面积鼓；圆为表振面片厦相对沟于发芹动机段的有有效面档积；支为内盾热源狠中心隔到表惕面片晨中心逆的距抖离；挖为表驾面片招法向书与发娘动机畅外表民法向输的夹证角；弹为金铅属结蓬构件首的导裳热系惰数。缩由斯韵蒂芬林—背波尔叨兹曼线定律筋和热船平衡练方程宫〔6专〕，勺我们膏可以袜得出涝一个呆基于这内热欢源得吊导热狱模型白：田上炮加〔9脚〕暂由于强实际昌目标液并不买是理贴想的妇黑体榨，而凭是灰何体，杜此时畜用唤表示农目标珍的黑制度，坊它与播目标持外表疏材料御属性惊有关宫。疤由〔轧9〕丽式即赵可确装定与躬发动沃机通末过金拐属结北构件起相连另的表屡面片滥的温雀度值阶，然阵后它值们沿净底盘败外表嘉向周假设围面吊片进诞行热权扩散屈。检三、彩红外伸辐射幸的大爹气吸类收模不型队由文孤献[貌2]琴可知险，在辨对红菜外分屠子光构谱的厕研究堆中，耀已经骗测得败多种渔分子息吸收洽〔发屋散〕络光谱狭谱线梢和谱夫带的李强度捎及波申数，象根据溉气体巨分子跑吸收掌谱线列的波绍数和温强度如，可崇以从泽理论暴上计今算大庭气传欢输中颤气体富分子羡对红走外辐铅射的驾吸收言。假费设以乖表示某波长漏，那么小功率是为熄的单宋色辐搜射在惰大气辞中传鹅输时丙，因问气体控分子虑的吸全收和绑散射牢导致孤衰减共，由暮于吸皮收和左散射冒对辐贺射衰少减的挖相对霞值都掌与辐左射所标通过腹的距蛙离马成正敏比，底因此黎有：袍苗独潜资炭吓锅糕午转诵甜构烛虫雾手半〔1仪0〕篇其中锋是大部气的抹吸收争系数摊，述是散币射系标数，赏而惕称为慌衰减到系数轰。泪餐胁将〔描10差〕积泪分，唤可得室谦旨京牙版塘霸钱黄卡沃近剪铜婚桌帐株述弄乘剃帖拳烘〔改11涛〕歼式中协，识是坑处的过辐射古功率培，而宅是辐吼射在借大气魄中传晴输距泊离知后的爽功率罢。因医此我尘们只禁要知吩道了氏大气今的吸示收系夏数庭和散西射系练数锻，就线可以汉计算宅红外公辐射梯在大但气中易传输托距离沟后的纠衰减业量。棋由〔构11碗〕式色两边替同时瓶处以闭时的东辐射营功率已，那么俭可得扩〔转12颜〕锅称为遮大气启的透诊射率士，而呢和歼分别坚是在填波长埋为刑时，滨由大瑞气吸臂收和居大气掉散射罩所产端生的理透射顾率。卸不同船波长猴的红雷外辐狡射在咐大气逝中的宣透射少率有钢很大什的差碍异，筒大气送中对炉几个其波段盾具有都较高召的透烦射率困。这跃些高秧透射事区通迅常称鱼为大仔气窗击口，慎目前递在讨团论红枯外成举像时军，一瘦般讨镇论斗和正两个杀红外杨窗口退。妖透射环率除车了和席波长届有关甲外，兆还和务季节妖、气歌象条歼件有娱关。激许多锐研究锄者把央气象孔情况裙归并往为六严种大彼气模恶式，晌即标祥准大构气，挪热带均大气遥，中将纬度拌夏季蜂大气凑，中看纬度岩冬季债大气悔，高宗纬度陪夏季依大气泊，高姻纬度欲冬季绞大气殊，以吉及两滥种气绑溶胶报模式描，即影“锅晴朗燕〞同大气争和鞋“嗽雾融霾挤〞纵大气蛙。客在估辉算红饮外系汽统的座性能虚指标艺时，夹为使停问题定进一丰步简黎化，香常采筋用大径气窗锋口通摄带的苹平均笔透射洞率来友进行拦计算欧，表燃1蹦~荣表3骆是中尼纬度小“雅晴朗挎〞咽大气他的三学种计掏算结根果。鉴表1喘己水平畜路程挨的平惊均透躺射率无荷谷每公伴里平右均槽交叹旱代遗尸透射专率〔材%〕规看岁裕窗口伯海拔赵高度舍〔搞km咸〕抛2.抽0~枪2.快5筛(薄)市3.街2~集5.五0载(疮)监8.闻0~挂13另.0束(讯)当0衬74隙.0苹56悼.0石67堵.4叹5眯95陈.5剧78岭.1虹96挖.6跑10麦99馋.5植85达.9撤98稳.8咏20扫10角0.待0俩92屑.5蔽98协.7敬30漫10酒0.银0丽97估.9裕99轿.6乌表2裙密垂直抱路程舞的平棚均透奶射率哈抖枣季尚驰平筛均透暮射率杏身窗特口般自海吓平面码椅烟柴润〔%聪〕区闲张鞭起的美垂直杂距离嫩〔羊km悔〕避2.纤0~旱2.宇5痒(圈)垫3.移2~宾5.杂0海(藏)阔8.竹0~张13插.0扑(黄)脑5琴72惊.4刺49壤.1荣58铃.0吧10腔7致0.桶7者48降.8兔53予.4释20候69秋.4饥47充.5层52外.0币30咳68初.2端44端.2浩49枪.4另表3碗古倾斜云路程要〔从西海平嗽面到雹10弄km顺高度研〕的爽平均王透射遥率皮历畅携归醋厦荷平均备透射笼率〔芹%〕搅宣窗口画天顶渔角羡〔周°沙〕寺2.回0~捉2.碗5忆(涂)贸3.战2~略5.苗0猛(为)断8.倾0~紧13对.0陵(河)鸦0形70废.7较48借.疫8芬53葛.4晌30吓66纽.0浩46亡.3旋50残.8轿45忘62辛.5叙40棚.2两46睁.3蹄60远53受.5隆34击.6藏36买.0嫌85具17剧.6烤8.课1顷1.岸4午四、棋动态打目标棒的红娃外辐悬射大悬气吸牌收模蓄型呢按照斑前节乐讨论址的模舟型，票大气选的透航射率丸是波避长训及视霜点至劝目标妇的距倘离投的函潜数，吼因此棕，对瘦于一撒个确候定的母红外俱大气化窗口陷，我校们可董以用鲁下式漂来计描算该页窗口四的透遣射率容，设检大气贝窗口距为常，那么胞该窗上口的滋透射控率为糊僚锡蜂次槽〔辜13论〕傲假设目研标的占红外筋辐射着分布草为盘，那么丙在距腰目标扑为磁处的仰红外专辐射训为赠询庸慧示撕箱霉村菜枕仗左滑朱密体肾阀就食催汽阴算桶〔厅14主〕业林街但公贸式〔殖13衡〕在指计算蛋时由某于滚的复郊杂性谣而使毯得积杀分不握易计孝算且薪费时缓。并裤且，觉此处怨的谈是指忌视点黑至目然标的板距离四，但皇是实党际上列在不贷同的妙海拔堪高度肾，大肉气的匀透射浸率是列不同翅的，墙海拔显越高征透射忠率越读大。时例如虎，对辈于上誓节所碑给出厚的表糕1，皱我们叮可以邪对大楚气窗芦口肤8.趴0~烛13往.0傻描出酷如图达3所锋示的顽关系效，从孙图中晃点的叶分布唐，我排们可醋以看响出随赚着海理拔高佩度的源增加据，每这公里星的平笼均粗图3功膏3.酬2~著5.帖0挂红外类大气胡窗口猾的每贩公里概透射谣率与灰海拔欺高度侄的关勉系图全才套糊戴奉诱讯横户坐标富h掘表示较海拔叠高度裳，纵穿坐标戴R言表示型透射向率。云透射乔率并宣不是碌线性茶地改摩变，斥其关引系比斧较复轰杂，氏但我璃们可狠以用解一个婶二次恰函数墨来拟拔合这味些数卖据，泡得到旺如下芝的关铲系式扑：忙凉碗史牛太干堪楚句享故找障笼〔1纱5〕璃或用蚊一个熟三次促函数防来拟冠合，撞得到貌如下户的关增系式唤：当须汉挪拿包苦薪杂防笨(见16俗)海由〔勤15什〕或永〔1杯6〕针可计渠算得控到高应度为碑时，兵每公仓里距偷离的陆平均浸透射贵率〔忧%〕景。当榨视点近与目截标的括距离促为着米，之而目趋标与宿视点巧的高搬度不喘一致丹时，猴我们柴可以峡由视肆点与足目标泊的落哀差，斑计算北出每芹隔1峡米的酸平均登透射葡率，茧从而安用下灵式计纳算出井总的静透射淡率〔巨%〕案：俭者合施并盏诵款垦辱馒花颜优箱捆昨非升玻隶袄县后让梳约〔扑17悦〕怖纷问类似市地，铜我们阴也可帐以得裂到3唐~5爽的计谨算公驶式。乘五、诊模拟随结果没在计恶算了孤目标玩的红代外辐缸射以愧后，追将得烤到的刃辐射掌数据幼按照锈将最蜂大的且辐射忍度对崇应于矩25纽5，监最小配的辐灭射度捧对应固于0教的原版那么，翅将各开个数刊值的沫映射恼到0为~2悠55被间的轮显示熄灰度背值，雅从而庄生成倡一个反灰度酬图像拼，或绿将各抽个数掠量的累辐射画度分浊别对燥应到今不同嗽色彩嚷，将桃红外狠目标脊按照迹辐射痰度的宁不同坐显示记为一键幅伪物彩色令图。植本文皮用的赔是灰哀度图孝。液图4眯是本懒文所椒用的遵汽车练模型推，在伐本文适中，漏汽车污行驶撇的时忆间是陵8月发1日疲上午殖10浆点至射12爆点；潮环境榆温度仓设为塔；最舒大风茎速为呜；风串向为握正南笋；汽牺车向昂正南秒方向旨行驶凑；导洋热系比数炊为状；黑乱度棋为紧。图趴5至经图7哈是不却考虑腔大气旷衰减预时汽梦车的菌仿真蔬图像铺，其钢中图视5至虹图7坚的发之动机江温度旷分别接设为牵，蛋，潜；行侧驶速谅度分达别为置，遭，辈；接茎收波咽段为格。图姑8至咬图1朋0是枣对应沉条件葵下经川过耽水平熔路径移的大浇气衰桃减后擦得到太的图胸像。六海拔烟高度坡假定图为0辞，故楚从表堆1可彻得每霜公里焦的平斜均透身射率求约为炊67闭%，狗因此花经过言5端km湖的衰纠减后尝，红朽外辐捞射量径仅为本原来训的1秆3馆.5淹%，逼衰减处量是腐很大佳的，闲