光电模拟仿真技术概述

光电系统模拟仿真技术概述白廷柱

2007年2月信息科学技术学院

光电工程系1.引言仿真技术是利用实际的物理装置结合实际的或模拟的环境和条件，或用数学模型结合模拟的环境和条件再现某些物理现象或物理过程的技术。利用这种技术可以在实验室分析评价处于研制阶段的装置或系统，或者研究、分析某些物理现象或物理过程的成因、影响因素以及改善和提高这种物理现象或物理过程的有效方法和技术途径，力求在实际系统建成之前取得尽可能接近于理想的结果。采用仿真技术不但可以使我们在各项科学研究工作中节省大量的人力、物力和财力，缩短系统的研制周期，还可以最大限度地提高所研制的装置和系统的性能。

2007-22北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000811.引言当所研究的系统造价昂贵、实验的危险性大或需要很长的时间才能了解系统参数变化所引起的后果时，仿真是一种特别有效的研究手段。据国外资料的不完全统计,采用仿真技术可以使导弹飞行试验的次数减少30%～60%,研制经费节省10%～40%,研制周期缩短30%～40%。在航空工业方面，采用仿真技术使大型客机的设计和研制周期缩短20%。采用仿真实验代替实弹试验可使实弹试验的次数减少80%，可见，对仿真技术的研究将对于各行各业的发展具有非常深远的意义。2007-23北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000811.引言军事需要历来都是科学技术发展的一个重要推动力，仿真技术也是如此。在现代军用光电系统的研制中，模拟仿真技术是一项必不可缺的重要手段。一些技术发达国家早在20世纪70年代就在军用光电系统的研制中广泛采用模拟仿真技术，取得了令人瞩目的成就，使他们的军用光电系统整体性能水平远远走在世界的前列。在现代军用光电成像系统的研制工作中，模拟仿真技术已是一项研究、分析、设计和评价光电成像系统的必不可缺的重要工具。我国在光电系统模拟仿真方面的研究工作已经起步，尤其是在航天、航空部门已先后取得了较大发展，但作为光电成像系统的模拟仿真研究工作整体上可以说还是刚刚开始。2007-24北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000811.引言用于军事应用领域的光电成像系统主要包括微光夜视成像系统和红外热成像系统。其中对于微光夜视系统的视景仿真和视距估算多是采用数字仿真的方法，利用视景仿真软件和视距公式建立模型并进行软件编程从而达到观察效果的三维仿真。而对于红外成像系统，采用半物理闭环仿真方法,在实验室建立目标模拟器，可实时产生动态逼真的交战时所观察到的红外场景，为具有红外探测能力武器系统在研制、集成、测试、系统性能有效评价、武器系统的开发等方面提供精确可重复的实验途径。2007-25北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000812.光电系统模拟仿真技术的分类仿真技术从50年代以来随着计算机发展的过程，逐渐形成了一门新兴的综合性技术学科，它涉及到系统分析、控制理论、计算方法和计算机技术等。仿真技术按所用模型的类型不同分为计算机数字仿真和物理模拟仿真。计算机数字仿真是指在建立数学模型后直接在计算机上重现系统的各个环节。物理仿真指利用实物提供模拟实际工作状态来评估和演示装置或系统的技术性能，它包括实物仿真和半实物仿真。实物仿真所采用的模型和原型相近，其仿真条件和环境也与实际条件和环境类似。半实物仿真采用部分实物模型，其它如环境或条件等则利用数学模型代替。2007-26北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000812.光电系统模拟仿真技术的分类光电成像过程的主要模拟仿真内容：场景模拟：由目标和背景的物理模型生成场景的红外辐射分布，即零视距分布图；大气作用效果模拟：按照目标与视点间的大气条件，计算目标红外辐射分布经过大气到达视点过程中的衰减，即大气衰减；探测器作用效果模拟：模拟红外探测器的特性，得到探测器输出的红外辐射，在辐射定标的基础上，将辐射量转换为灰度，生成红外图像。2007-27北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000813.光电系统的半实物模拟仿真其他相关模型及计算软件噪声模型及仿真软件仿真结果显示输出模拟噪声输出图像输出图像输出分析结果输出相关数据物理模拟仿真系统图像信息处理与分析实际成像系统目标及背景模拟防止器物理（半实物）仿真工作框图2007-28北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000813.光电系统的半实物模拟仿真从上个世纪70年代起，以美、英、法和以色列为代表的世界各军事大国在军用光电产品的研制过程中，特别重视系统的仿真研究，将系统仿真作为系统研制和生产过程的重要环节，甚至要求武器系统仿真与武器系统研制平行发展。美国将仿真技术应用于试验与训练最早出现于1929年，从此为美国一代代新型武器的研制成功起到了决定性的作用。尤其在光电成像系统的模拟仿真方面，美国投入大量的人力物力，并组织庞大的研究团体服务于相关技术研究。2007-29北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000813.光电系统的半实物模拟仿真美国有三大仿真实验中心：美国军用导弹指挥先进仿真中心ASC、海军空战中心仿真实验室Eglin、空军基地测试研究中心AFB。这三大仿真实验室规模庞大，设备精良，又各具特色，适用于不同的武器系统。其中美国的导弹指挥实验仿真中心有6个仿真子单元，包括雷达频率仿真、毫米波仿真(MMW)、MMW/IR双模式毫米波/红外成像仿真、光电仿真、武器系统仿真。海军空战中心仿真实验室HWIL闭环仿真系统包括2个雷达射频(RF)仿真暗室、2个红外(IR)仿真系统、1个双模式(RF和IR)仿真暗室。Eglin空军基地测试中心Wright仿真实验室，仿真波段覆盖制导系统的全部波段，包括RF模拟器(RFTS)、毫米波模拟器、红外光电(IR/E0)模拟器(KHILS)、激光模拟器、GPS模拟器、惯性/中段模拟器。2007-210北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000813.光电系统的半实物模拟仿真其中KILS系统有用于不同目的的3个红外成像投影系统、三轴飞行转台和1个低温红外仿真室。整个实验室可进行雷达频率2～18GHz、MMW35GHz、94GHz仿真和前视红外(FLIR)、成像红外(IIR)和红外搜索跟踪(IRST)、导弹告警等IR/EO系统工作波段的实时场景仿真。这几个仿真实验室的光电仿真系统都采用了先进的计算机图像生成技术和实时动态高帧频、高逼真、高分辨率电阻面阵成像目标发生器。2007-211北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000813.光电系统的半实物模拟仿真半实物的红外仿真系统主要由仿真计算机、图形发生计算机、红外目标仿真器、红外场景投影光学系统、伺服运动控制系统和载机模拟运动飞行转台组成。其中光电仿真系统可通过两种途径传递场景信息：一是采用光学投影模式；二是信号直接注入。信号注入模式是通过界面不经过光学投影系统将场景信息直接送入光电传感器的电子组件,实现系统的仿真测试。2007-212北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000813.光电系统的半实物模拟仿真

红外场景生成计算机(CIG)：接受仿真计算机的指令，根据各种模型或数据库,实时产生实战红外场景图像，并传给红外目标再现发生器,经转换成为能被探测器接收的辐射图像。详细地仿真来自天空、太阳光、目标、地物和大气的辐射分量。解决这一问题需要若干技术的集成，包括实时IR现像学建模、IR建模及数据库研制、实时场景再现和测试中的系统仿真。

2007-213北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000813.光电系统的半实物模拟仿真

目标再现发生器：接受C1G的图像信号，将CIG生成的图像转换为具有红外辐射特征能被探测器接收的红外图像,被光学投影系统接收，并将其准直成平行光投影到传感器系统。它的技术要求主要是空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率。

二维目标运动伺服系统：接受系统仿真计算机仿真指令，准确地复现火控系统所攻击目标的机动范围。

三轴飞行模拟器：实时模拟系统的载机运动，完全再现载机空间各种运动姿态。2007-214北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000813.光电系统的半实物模拟仿真国外几种典型红外仿真系统有：1.热电阻面阵实时成像仿真系统W1SP；2.激光二极管面阵实时成像仿真系统；3.滑动变焦式光电仿真系统；4.多目标点源仿真系统；5.IR-CRT仿真系统；6.IR液晶光阀仿真系统。其中，后两种是美国早期研制的红外仿真投影系统，这类系统存在的严重缺点是图像闪烁及帧速低,不能满足武器系统的仿真需求。现在己成功使用的面阵式目标源,其分辨率达到512×512，帧速达到100Hz以上,对模拟场景的空间、时间和光谱分辨率有严格要求,可满足红外制导、前视红外瞄准、红外搜索跟踪和红外告警等系统仿真的需求。国内的典型红外仿真系统主要有：1.014中心点源跟踪模拟仿真系统；2.航天二院的长波红外跟踪模拟仿真系统等。2007-215北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000813.光电系统的半实物模拟仿真图2美国陆军高级仿真中心的红外仿真系统2007-216北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000813.光电系统的半实物模拟仿真图3长波红外成像仿真系统光学原理图2007-217北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：100081图1红外目标及干扰产生系统4.半实物模拟仿真的关键技术红外目标发生器2007-218北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000814.半实物模拟仿真的关键技术红外目标发生器红外成像目标源是红外仿真系统中耗资最高的部分，因此也是红外仿真系统中最关键技术。国外红外成像目标源发展迅速，美国休斯公司研制了许多目标仿真器和专用测试设备。从很复杂的全弹飞行目标仿真器到很简单的模拟点目标或线目标的平行光管都有产品问世。此外，继红外液晶光阀、热目标发生器的研究之后,国外的研究机构投巨资研制了512×512热电阻面阵目标发生器。这种目标发生器以帧速高、动态性能好等显著优势被几大实验中心所采用。这种光电仿真系统使用了先进的计算机图像生成(CIG)技术和实时动态高帧频、高逼真、高分辨率512×512电阻面阵,辐射上升速度和下降速度达到2ms,动态范围可到850∶1，帧频100Hz,辐射波段3～5μm、8～12μm。此外，1024×1024像素、500Hz，波段在2～26μm宽范围内的高分辨率高帧速红外目标发生器也正在研制中。2007-219北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：100081几种典型的红外目标仿真器实现红外目标仿真的方法可分为热辐射法和可见光—红外图像变换法两大类：热辐射法包括直接产生红外辐射和通过温度控制产生红外辐射两种；可见光～红外图像变换法是利用可见光～红外图像变换器将可见光进行波长变换，生成红外图像。

4.半实物模拟仿真的关键技术2007-220北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：100081（1）电阻元阵列电阻元阵列的基本原理很简单，电阻元通电后电能转变为热能，温度升高，导致红外辐射。电阻元阵列(如图)由许多微小电阻元集成在不良导热体基片上组成，阵列可单片设计，也可把多个阵列合成大阵列，以提高空间分辨力。电阻元之间通过基片内部的集成电路网连接，集成电路可调节流过各电阻元的电流以控制其温度，使电阻元根据需要产生一定强度的红外辐射。这样，整个阵列就构成了二维的红外辐射源，实现了红外场景图像的仿真。电阻元阵列仿真的红外场景温度范围可调，且容易控制，可生成逼真的动态红外图像。但其电路复杂，工艺要求高，技术难度大。类似产生红外图像热辐射的方法还有：微热灯丝阵列、发光二极管阵列、小型热线圈阵列等。4.半实物模拟仿真的关键技术2007-221北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：100081（2）二氧化钒(VO2)薄膜变换器二氧化钒是一种具有传输滞后特性(迟滞回线如左图)的的材料，高于偏置温度(约65℃)时，VO2薄膜显金属性；低于偏置温度，VO2薄膜显半导体特性且透光。如果用热偏置方法使温度保持在迟滞回线以内，则可把VO2作为光学存贮介质，控制存贮在材料中的热能，当激光束扫描薄膜表面时，由于薄膜吸收能量，在其表面就能获得并存储一帧高分辨力、高清晰度并且不会消失和减弱的热图像。二氧化钒薄膜变换器(如右图)是在一个锗衬底上，镀有多层二氧化钒落薄膜，景物图像写在1英寸的图像调制区。若要抹去这帧图像，只需在瞬间使整个薄膜温度降到60℃以下即可。目前，国外通常采用液体制冷流实现冷却功能。为了实现图像的动态变化，必须不断在薄膜上抹去一写入图像。为了防止抹去一再偏置周期产生图像闪烁，可采用两个独立的显示臂交替工作，并由片帧开关控制交替过程。4.半实物模拟仿真的关键技术2007-222北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：100081（3）黑体薄膜变换器早期的黑体薄膜变换器(如左图)包括一个真空腔，腔上带一个透可见光的入射窗和一个透红外的出射窗，转换介质是一层薄膜，其上沉积非常薄的金黑层。工作时，将一幅可见光图像通过入射窗聚焦到金黑膜层上，其辐射能被金黑膜层吸收，并通过出射窗转换为反映金黑层的温度和辐射发射率的红外辐射能量。由于金黑层非常薄，热惰性很小，所以温度很快就能超过环境温度。图像上亮度比暗点温度高，视频图像灰度等级分布转换成黑体腔薄膜上的温度分布，使黑体薄膜产生的红外辐射与真实目标一致。由黑体薄膜变换器组成的仿真系统如右图。视频投影仪把可见光图像投射到真空腔的黑体膜，经黑体薄膜变换成红外图像。红外准直系统的焦面与黑体薄膜面一致，红外图像对于被测红外系统如同位于无穷远处。4.半实物模拟仿真的关键技术2007-223北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：100081（4）液晶光阀变换器液晶光阈是一种具有双折射效应和扭曲旋光效应的可见光-红外图像变换器件，主要由光纤面板、硅光导体、液晶和红外透射窗等部件组成。

液晶光阀变换器利用电控双折射效应：双折射引起的光辐射偏振态变化与波长有关，在一定的外电场作用下，各种波长的光辐射透射比不同。在白光入射时，透射光的颜色将随外电场的变化而改变，把可见光图像变换到红外波段。采用液晶光阀变换器组成的检测系统如图，由计算机生成的可见光图像经光学纤维板落在Si光导体上，并将可见光图像信号变换成电压信号，经液晶又变换成液晶体上的双折射空间图像。从红外源发射的红外辐射被偏振分光器反射到光阀上，液晶使红外辐射得到调整，经红外反射镜反射后经液晶每一次旋转扭曲获得附加调制，其正交偏振分量可通过偏振分光器。以光阀面作为焦平面安装一投影物镜，则红外图像就如同来自无穷远处。4.半实物模拟仿真的关键技术2007-224北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：100081休斯公司于1985年首先研制成功液晶光阀可见光-红外图像变换器，可在3～5

m和8～14

m双波段工作，视场角24

×24

，空间分辨力为256×256分立像元，帧速60Hz，温度分辨力为0.1℃，温度范围大于环境温度100℃。4.半实物模拟仿真的关键技术2007-225北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：100081（5）先进的红外动态场景模拟仿真器

2003年美国SBIR公司研制出红外热场景动态模拟发生器，主要用于红外成像制导仿真系统、多传感器/任务设备信息融合的研究平台，左图给出了系统的各个关键部件，其中MIRAGE(Multi-spectralInfra-RedAnimationGenerationEquipment，右图)目前甚至属于对北约盟国也封锁的关键技术。表3-10给出了红外热场景动态模拟发生器的主要技术参量。4.半实物模拟仿真的关键技术2007-226北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：100081红外热场景动态模拟发生器的主要技术参量Emitterarrayresolution512

512pixels,1k

1kpixelsPixelsize39micronssquareEffectivetemperaturerange17°Cto450°C(3-5

m),15°Cto314°C(8-12m)Thermalresolution0.004°Cat25°C,0.024°Cat300°CMaximumframerate200HzFlicker<0.1%MaxpixelschangeperframeFullframe(262,144pixels)Thermaltimeconstant5millisecondsPost-correctionnonuniformity

<0.1%Deadpixels<0.1%DEEsize8.5"diameterx11"longDEEweight16poundsInputscenedataSiliconGraphicsDVP2(DDO2)digitalvideo

RS170,NTSC,PALanalogvideo

4.半实物模拟仿真的关键技术2007-227北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：100081红外热场景动态模拟发生器原理框图4.半实物模拟仿真的关键技术2007-228北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：100081MIRAGE的外形照片4.半实物模拟仿真的关键技术2007-229北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000814.半实物模拟仿真的关键技术大气作用效果模拟大气对辐射传输的影响主要来源于大气分子散射、气体吸收以及气溶胶散射和吸收三个部分。大气分子散射：大气分子是大气中最稳定的粒子，其散射作用可以用瑞利(Rayleigh)散射理论描述，大气分子散射光学厚度与λ-4成正比，分子散射系数与大气温度和气压有关。气体吸收：水汽、臭氧和氧气的吸收作用最强，三者之中又以水汽吸收的影响最不稳定、最活跃。大气中的水汽对电磁波的某些波段表现为强烈的吸收，此外，二氧化碳、臭氧及低层大气中悬浮的大量固体和液体微粒--统称为气溶胶，对电磁波也有吸收和散射的作用。概括起来有以下几个吸收带：2007-230北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000814.半实物模拟仿真的关键技术⑴水汽吸收带：水汽吸收带很多，归纳起来有三类两个宽的强吸收带：4.9~8.7μm和2.27~3.57μm

两个窄带吸收带：中心波长分别为1.38μm和2.0μm

一个弱的窄吸收带：0.7~1.23μm⑵二氧化碳吸收带：二氧化碳吸收带分为两种类型一个完全吸收带，即波长大于14μm的红外波谱全部吸收两个窄的吸收带，中心波长为2.7μm和4.3μm⑶臭氧吸收带：臭氧对太阳辐射0.3μm以下的短波全部吸收，在长波范围内吸收都很弱，9~10μm范围内有一个窄的吸收带。气溶胶散射和吸收：气溶胶影响或许是大气中最不稳定、同时也是最重要的影响，气溶胶散射作用可以用迈(Mie)散射理论表述。2007-231北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000814.半实物模拟仿真的关键技术此外大气不仅削弱辐射，其本身也放射辐射，有时甚至放射的辐射会超过吸收的部分，因此必须将大气的放射和吸收同时考虑。总之由于大气的吸收和散射作用，使得探测器所接受的目标辐射能量受到衰减，这种衰减可以用大气透过率来表示。红外辐射的大气透过率取决于气象条件和所处背景，并随天气条件、高度和背景而变。因此必须对红外辐射的大气透过率计算方法进行研究。大气光谱透过率τａ(λ)用下式确定：

τａ(λ)=τΠ(λ)·τＰ(λ)·τｒ(λ)式中τΠ(λ)———被吸收大气光谱透过率；

τＰ(λ)———散射大气光谱透过率；

τｒ(λ)———因气象衰减制约的大气光谱透过率；2007-232北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000814.半实物模拟仿真的关键技术目前在讨论红外成像时，一般讨论3～5和8～14μm两个红外窗口。透过率除与波长有关外，还与季节、气象条件等有关，一般把大气分为六种模式：热带大气、中纬度夏季大气、中纬度冬季大气、高纬度度夏季大气、高纬度冬季大气以及两种气溶胶模式，即“晴朗大气”和“雾霾大气”。为使问题简化，通常采用大气窗口通道的平均透过率来进行计算。2007-233北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000814.半实物模拟仿真的关键技术目前的大气辐射传输模型主要有：

高分辨率大气辐射传输模型FASCODE：可以进行逐条光谱线的传输特征计算，在考虑激光和单色波长的大气传输问题时，特别在研究辐射在大气中传输的精细光谱结构时，多使用该软件。

低分辨率LOWTRAN模：目前广泛使用的一个大气辐射传输模型，由美国空军地球物理实验室开发研制，从70年代初开始正式发表以来，经过多次修改、补充和更新，至今已发展到最新的版本LOWTRAN7，LOWTRAN7主要用来计算光谱带的大气辐射吸收传输特性，其光谱分辨率为20波数，要求光谱带的起始和终止波数必须是5波数的整数倍，所覆盖的范围为350～4000cm-1(0.25～28.5μm)。2007-234北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000814.半实物模拟仿真的关键技术

LOWTRAN7包括6中参考大气模式，每中大气模式都定义了温度、水汽、气压、密度以及各种气体成分含量的垂直廓线。其中考虑了分子吸收、分子散射、气溶胶消光、太阳和月亮的辐射，对大气折射问题采用了球形层面，各层之间的折射率假定为指数分布。该程序考虑的内容是相当全面的，只要给定温度、气压、水汽含量、气溶胶模型和能见度，以及辐射波长、路径长度及其类型，就能确定出精度比较高的光谱透过率或平均透过率，此外，该程序还可计算热辐射，太阳、月亮单次散射的辐射，直射太阳辐照度。

MODTRAN大气传输模型：在光谱分辨率较LOWTRAN高的需求下发展起来的模型，其分辨率可以达到2cm-1，频率范围为0～50000cm-1

，光谱带的起始和终止波数是1波数的整数倍。

MODTRAN具有LOWTRAN7的所有功能，如球面几何折射，太阳和月亮辐射，散射（Rayleigh，Mie，single，multiple），默认廓线（气体，气溶胶，云，雾，雨）等。此外，MODTRAN还具有分子带模式参数。2007-235北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000814.半实物模拟仿真的关键技术

大气透过率的计算：计算大气透过率需知道以下参数：初始高度、终点高度、初始高度处的天顶角、路径长度。大气背景辐射的计算：大气背景辐射是指在接受端向天空背景上无穷远处某点作投影，投影线大气路径上自身的热辐射和对太阳辐射的散射。计算所取得路径为垂直或倾斜，初始高度和初始高度处的天顶角取值是两个重要的参数。

大气路径辐射的计算：与大气背景辐射的区别是路径参数为空间中两个高度上的点和路径长度。路径参数为初始点高度、终点高度、路径长度、初始点天顶角等。

直射太阳辐射的计算：主要是太阳位置的确定问题。

除考虑大气对辐射传输的影响外，军事应用中战场烟雾等模糊体对辐射传输也有影响，也需考虑进来。需建立专门的计算模型，目前已有SMKMAP等模型软件。

2007-236北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000814.半实物模拟仿真的关键技术探测器系统模拟仿真

探测器是成像系统的核心，它把接收到的辐射转换成电信号，同时它也是最复杂的部分。探测器给图像带来的影响是与其物理结构相关的，物理结构不同所虑的主导因素也不同。目前常用的一个模型是美国夜视光电中心的NV&EOL静态性能模型，该模型输出的空间频率调制传递函数包括了光学系统、探测器及电子部件的调制传递函数，能够满足模拟要求。在模拟过程中，目标/背景视辐射图首先经过傅里叶变换转变为空间频率域内的图像，然后经过探测器调传递函数的空间滤波和噪声处理，再经傅里叶逆变换至空域内，生成热红外图像。

2007-237北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000815.半实物模拟仿真的几个问题目前，场景的红外图像模拟的工作做的较多，大气作用效果的模拟讨论的相对较少，而探测器作用效果的模拟一般都简化成仿真噪声的叠加。现在已有专门的热成像模型软件，如美国的TTIM热像模型软件，将大气及战场烟雾等模糊体作用效果的影响与探测器作用效果的影响结合起来，直接对目标/背景零视距离辐射图进行处理,生成热红外图像。目前需要解决的几个问题：

1）目标与背景的几何模拟：计算量太大，使得计算机处理速度慢，实时性差。需要开发更好的模拟算法，如将分形算法用于背景模拟，分形技术以自相似性和分数维为特点，突破了以往只能生成规则图形的局限性，可将自然界中绝大多数的非规则图形真实地在计算机上重现，其迭代函数系统可将分形应用于计算机图像生成；

2007-238北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000815.半实物模拟仿真的几个问题

2）温度模拟：建立准确的基本温度预测模型；

3）由于目标与背景是分开模拟的，故割裂了目标与背景之间的相互影响，当背景中有多个目标时，失真较大，应考虑克服这方面的影响；

4）仿真系统不仅要能仿真静止的图像，而且应能仿真动态图像。建立系统的动态模型，使得仿真图像会随着系统性能瞬时的变化(如突发的抖动或随机噪声)而改变;5）系统仿真模型与系统性能模型的有机结合：目前成像系统的仿真有两个方面，一个是从图像质量的角度出发,另一个是从系统性能参数的角度出发。两种仿真的共同目标是提高系统性能，可以考虑把这两个模型有机地结合起来，形成一个既能从图像质量角度评价系统,也能从性能参数评价系统的完善的仿真模型。

6）建立的仿真模型不仅能从理论上准确地描述物理现象，而且要建立判断模型准确性的标准。把模型与实际情况进行比较,证明模型的合理性。2007-239北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000816.我们的工作之一1.红外厚膜电阻阵列目标生成装置红外动目标生成装置2007-240北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：100081B0B1B2B3B4B6B5B7B8B9B10B11B12B13B14B15E4E5E6E7E0E1E2E3E

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动目标生成装置阵列结构图6.我们的工作之一2007-241北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000816.我们的工作之一工作原理框图2007-242北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000816.我们的工作YNYN系统说明击任意键是否退出？演示欢迎条幅敲任意键选择演示目标退出飞机舰船坦克条带选择运动方式左飞右飞曲线往返加速退出是否改变速度设定参数YN读取数据Y开始终止演示输入速度和频率代号N中断2007-243北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000816.我们的工作之一通过计算机生成的坦克图像（静态）2007-244北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000816.我们的工作之一通过计算机生成的飞机图像（静态）2007-245北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000816.我们的工作之一2.红外液晶光阀目标生成装置仿真软件运动控制数据分析人机接口面黑体计算机/图像发生模块XGA/VIDEOPBSLCDLCLV投射光学系统模块可见光到红外图像转换模块UUT红外成像系统系统原理框图2007-246北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000816.我们的工作之一

可见光成像系统准直镜头红外液晶光阀准直镜头主体支架高温面黑体偏振分束器XGA液晶显示屏红外目标发生器结构图2007-247北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000816.我们的工作之一红外场景仿真系统实物图片2007-248北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000816.我们的工作之一利用Creator开发的目标/场景效果图2007-249北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000816.我们的工作之一动态红外场景仿真系统热像仪图像采集光学平台红外场景投射器分辨力测试系统构成图2007-250北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000816.我们的工作之一动态红外场景模拟试验系统SR5000光谱辐射计光谱采集光学平台红外场景投射器输出光谱特性测试系统构成图2007-251北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000817.国外典型的红外图像仿真模型和软件国外，尤其是美国在红外动态图像计算机仿真技术方面做了大量的工作，技术相当成熟并已用于实际系统的设计和评估中。如美国空军研究室军品管理局（AFRL/MN）负责开发的IRMA模型；由洛克希德技术研究所（RIT）开发的DISIG模型，由美国TTIM（TACOMThermalImagingModel）热像模型软件，将大气及战场烟雾等模糊体作用效果的影响与探测器作用效果的影响结合起来，直接对目标/背景辐射图进行处理，生成红外图像；北约的Ac243合作研究推出的空中目标红外辐射模型NIRATAM，主要用于飞机红外辐射的预测和模拟。几种国外的典型模型：

1、SensorVision：SensorVision是较为出色一个图像仿真软件。作为Vega的一个模块，SensorVision可以实时产生从可见光到远红外线间各个波段的仿真图像。

SensorVision需要知道物体的材料属性诸如热传输特性、材料的反射系数、镜面反射系数等等。2007-252北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000817.国外典型的红外图像仿真模型和软件仿真流程图2007-253北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000817.国外典型的红外图像仿真模型和软件步骤：

1)首先，在Lynx的接口定义文件.adf

中,定义红外探测器图形界面接口相关对象,并设置红外模拟所需的相关指定的输入数据数据库文件及路径；

2)然后利用MOSARTatmosphericTool(MAT)设定大气传输模型,计算大气透射率、大气背景辐射、太阳或月亮的直接辐射等，由于计算量很大，通常是预先计算好，生成.mat文件。SensorVision

读取.mat文件，进行实时仿真；

3)而后利用TextureMaterialMappingTool(TMM)设定物体的纹理和材料物理特性。TextureMaterialMappingTool(TMM)提供了包括泥土、植被、建筑材料、合成材料和颜料等5类共95种材料的光谱特性和34种材料的热特性；

4)最后通过SensorVision调用已经计算的各种参数，利用辐射度计算公式，计算场景中的红外辐射强度，并完成有辐射强度到灰度值的转换，生成红外图像。2007-254北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000817.国外典型的红外图像仿真模型和软件Vega的可见光与红外模拟图像2007-255北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000817.国外典型的红外图像仿真模型和软件

2、GeorgiaTechVisibleandInfraredSyntheticImagery

Testbed(GTVISIT)

①时间及版本：GeorgiaTech研究所(GTRI)(美国)80年代。②景物几何描述方法：目标和背景分别建模,对二者的描述分别为：三角形小面元构成的物体模型和网格化的地形背景。③热辐射模型：本身没有辐射预测模型。根据不同元素的要求，通过测量或利用其它模型计算后赋值，如GTSIG(以物理学第一定律为基础的辐射模型)或IRMA(以第一定律和现象学为基础)。④大气模型：大气效应包括大气衰减和路径辐射等，相关数据通过LOWTRAN软件的计算获得。2007-256北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000817.国外典型的红外图像仿真模型和软件⑤图像生成及显示形式：可采用动态模式和“电影”回放模式生成和显示图像。⑥图像生成波段：生成0.4～15μm内的多光谱图像。⑦特点：

a.主要生成小视场高分辨率的场景以支持战术方面的应用；

b.模型采用分层结构，可以利用各种特征模拟方法来产生场景所需数据，便于更新。2007-257北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000817.国外典型的红外图像仿真模型和软件3、DigitalImagingandRemoteSensinglaboratory’sImageGenerationmodel(DIRSIG)①时间及版本：Rochester技术研究所(RIT)(美国)最新版本：DIRSIG3.4(2001年发布)。②景物几何描述方法：目标和背景均为AUTOCAD编写的3D面元模型，对它们的描述采用树形数据结构。③热辐射模型：以物理学第一定律为基础的辐射模型(包括自发辐射和表面反射辐射)，其中用THERM计算温度，光线追迹法计算辐射。也可借用其它温度预测模型的结果，如PRISM/MuSES/SIRIM。④大气模型：采用AFGL大气模拟代码(FASCODE和MODTRAN)来预测所有的大气元素，包括大气透过率，路径辐射和散射等。2007-258北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000817.国外典型的红外图像仿真模型和软件⑤图像生成及显示形式：生成图像序列,回放模式显示。若牺牲一定的精度，也可用于实时动态显示。⑥图像生成波段：生成0.3-20μm内的多光谱图像。⑦特点：

a.以物理学第一准则为基础，包括了大多数的物理现象，属于精确图像生成模型；

b.能模拟整个成像链；

c.图像生成所需的时间较长。。2007-259北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000817.国外典型的红外图像仿真模型和软件4、InfraredModelingandAnalysis(IRMA)

。①时间及版本：GrummanAerospaceandAnalytics(美国)1980目前版本：Irma5.0(2000年发布)。②景物几何描述方法：目标和背景都采用三角形面元模型。其文件格式与AUTOCAD格式一致，也可将其它格式文件如BRLCAD，OBJ，3DStudio转化。③热辐射模型：以物理学第一定律和现象学为基础的半经验热辐射模型。其中包括计算面元温度的ENVIRO和计算辐射的PASSIVE/PPASSIVE。④大气模型：大气效应包括大气透过和路径辐射等，相关数据通过MODTRAN软件的计算获得。2007-260北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000817.国外典型的红外图像仿真模型和软件⑤图像生成及显示形式：可产生动态图像序列。⑥图像生成波段：可支持紫外；近红外、中红外；被动毫米波；主动毫米波和LADAR(激光雷达)成像。⑦特点：

a.以半经验模型为基础；

b.适用于工作站系统；

c.具有模拟复杂传感器效应的模块SSW。2007-261北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000817.国外典型的红外图像仿真模型和软件5、TACOMThermalImageModel(TTIM)

。①时间及版本：OptiMetrics

公司(美国)1984目前版本：TTIM3.2。②景物几何描述方法：目标由BRL2CAD生成的面元模型来描述，再由FRED编辑器进行编辑。也可把真实图像作为输入。③热辐射模型：用以物理学第一定律为基础的辐射模型PRISM来预测目标的热辐射特性。背景的辐射由其它模型获得。④大气模型：大气效应包括大气衰减和路径辐射，通过LOWTRAN7的计算获得。

2007-262北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000817.国外典型的红外图像仿真模型和软件⑤图像生成及显示形式：可根据需要进行静态/动态图像的生成和显示。⑥图像生成波段：可见及近红外图像。⑦特点：

a.主要用于地面车辆和战场环境的模拟；

b.主要在Unix或SGI下使用，PC版的功能较简单。

注：TACOM全称为：U.SArmyTankandAutomotiveCommand；AFGL为AirForceGeophysicsLaboratory。2007-263北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000817.国外典型的红外图像仿真模型和软件viXsen软件的模拟图像2007-264北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000817.国外典型的红外图像仿真模型和软件IRGen软件的模拟图像

2007-265北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学光电成像与信息工程研究所邮编：1000818.我们的工作之二1、红外成像系统静态模型CFLIR

该模型结合G7551项目完成，经过多年的不断完善，现该模型以具有以下功能：（1）NETD的计算；（2）MTF的计算；（3）MRTD的计算；（4）MDTD的计算；（5）基于LOWTRAN6的大气传输参数计算；（5）基于系统参数的红外成像系