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红外多光谱图像仿真研究pdf

归档日期:07-24       文本归类:多光谱图像      文章编辑:爱尚语录

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  华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要 红外多光谱图像仿真是现代红外科技领域的关键技术之一,它结合了红外物理 学、传热学、计算机图形学和虚拟现实等多项技术,为红外多光谱成像系统及相关应 用提供了一个逼真模拟平台。本文的主要研究工作是对通过熟悉红外多光谱图像仿真 一般流程,并具体针对基于 Vega 平台的红外仿真进行改进。传统 Vega 红外仿真方法 中物体温度是基于一维热导方程,与真实物理过程相差较大。本文提出的基于 Vega 与 ANSYS 的红外多光谱图像仿真采用三维热导方程,使得红外仿真结果更加逼近真实 情况。本文提出了两种基于 Vega 平台红外多光谱图像仿真方法,均能得到不同季节、 天气、时间等不同成像条件下的红外多光谱图像。 本文首先介绍了红外辐射在大气中的传输特性,分析了不同大气成分对不同波段 红外辐射传输的影响,并给出了相应的计算公式来定量计算大气对红外辐射衰减,本 文是通过 MAT 设定相应成像条件条件来计算得到大气数据。接着论述了红外多光谱 图像仿真中几个重要环节实现过程,主要利用 Vega 平台进行红外多光谱图像仿真, 这是一种便捷手段。文中简单介绍了Vega 平台、Pro/Engineer 进行目标建模和MultiGen Creator 背景建模过程,讨论了一般温度场模型以及求解方法和如何利用 ANSYS 进行 温度场有限元分析,给出了红外多光谱传感器系统仿真框架和实现方法。 最后本文详细描述了两种基于 Vega 平台的红外多光谱图像仿真方法:一种是直接 利用可见光图像将其转为 8~12 μm 内四个子波段红外图像,这种方法具有高效特点, 避免了复杂的三维建模工作;另外一种是分别通过 Pro/Engineer 进行目标建模和 MultiGen Creator 背景建模来完成场景模型建立,借助 ANSYS 有限元分析软件对目标 的温度场进行计算,然后通过 OpenFlight API 格式转换导入到 Vega 平台中进行红外 多光谱图像仿真,最后通过对比实验说明该方法更接近物理过程。 在本文的最后,作者总结了全文的研究工作,并提出了本课题后续存在的关键技 术问题,指出了下一步工作。 关键词:红外图像仿真,红外多光谱,Vega ,温度场,ANSYS ,Open Flight I 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract The simulation of infrared multispectral images is one of leading techniques in modern infrared field. As a combination of infrared physics, heat transfer, computer graphics and virtual reality, the simulation of infrared multispectral images supplies a virtual platform to an infrared multispectral imaging system. This thesis is concerned with improving infrared simulation results that based on the Vega simulation platform. In traditional Vega infrared simulation methods, the temperature of an object is derived from one-dimensional heat conduction function, which results in a high uncertainty from a real physic process. The proposed approach applied a three-dimensional heat conduction function based on Vega and ANSYS infrared multispectral imagery simulation, and produced a superior infrared simulation result in terms of simulation accuracy. This thesis presented two infrared multispectral image simulation methods based on Vega platform. Both of them could generate infrared multispectral images under varied imaging conditions including different seasons, weather and time. This thesis introduced transmission properties of the infrared radiation in the atmosphere, analyzed effects resulting from a variety of atmosphere ingredients on infrared radiation transmission at different bands, and derived equations to quantify these effects respectively. Atmosphere data used in this thesis were obtained by setting imaging conditions in MAT. Several core steps in the implementation process of infrared imagery simulation were also discussed. Due to its conveniences, Vega platform was mainly utilized for infrared multispectral imagery simulation. We also briefly introduced the Vega platform, the process of Pro/Engineer object modeling as well as MultiGen Creator background modeling, discussed a model of regular temperature filed and solutions that applied ANSYS for finite-element analysis, finally, provided a framework of infrared multispectral sensor system as well as ways of implementation. This thesis presented two infrared multispectral imagery simulation methods based on Vega platform in details: One was directly transferring a visible light image into 4 sub-band infrared images ranging from 8~12 μm. This method avoided a complex 3D modeling process and was superior in terms of effectiveness. Another method modeled the whole scene through Pro/Engineer object modeling and MultiGen Creator background modeling, II 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 and then imported images into Vega platform for infrared multispectral imagery simulation through OpenFlight API format. Experiments indicated that the presented method was more close to a real physic process. The final part of this thesis provided a conclusion of the whole research as well as future directions. Keywords : Infrared image simulation, infrared multispectral, Vega, temperature distribution, ANSYS, Open Flight III 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知,除文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到,本声明的法律结果由本人承 担。 学位论文作者签名: 日期: 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密□ ,在_____年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密□。 (请在以上方框内打“√” ) 学位论文作者签名: 指导教师签名: 日期: 年 月 日 日期: 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪 论 1.1 研究背景 随着科技进步,伪装和干扰技术不断发展,单波段宽带目标探测与识别已不能满 足在复杂条件下的目标识别的需求,多波段探测与多特征信息融合技术即将成为目标 识别的重要手段。红外多光谱图像既能提供目标的空间信息,又能提供目标的光谱信 息,为红外目标的特征提取、融合和识别提供了分析的数据基础。本文根据红外多光 谱成像特点,并以光谱学理论为依据,在对目标红外光谱辐射特性影响因素研究成果 的基础上,分析目标及其背景的红外多光谱辐射特性,获取目标及地物背景红外多光 谱辐射变化规律。通过结合目标/背景以及场景中干扰物的红外多光谱特征信息,研究 一种速度快、精度高、适用于红外多光谱目标光谱特征提取算法,构造出目标场景的 红外多光谱特征矩阵,研究出适合于特定目标红外特征的多种光谱特征融合和匹配方 法。红外多光谱技术又是近十来年发展的新技术,并受到国外技术上的封锁,所以关 于这方面的数据、文献资料很缺乏,给从事红外多光谱图像仿真的工作带来很大困难。 目前红外图像仿真大多是停留在对单波段或者双波段的仿真,从事红外多光谱成像仿 真国内还是刚刚起步,关于这方面的研究工作还有很长的路要走。本文开展的红外多 光谱仿真技术研究就是为了解决该问题而提出的。 红外成像技术的快速发展和它在诸多领域有着重大应用价值,对国民经济及国防 建设发展有着重大贡献。如何快速、高效率地研制适合于各种复杂红外背景环境和干 扰下能准确探测目标的红外成像系统,已成为现代红外技术关键问题之一。新的红外 成像系统的研制,如只依靠在靶场试验来检验系统性能,这样不仅耗费大量时间而且 增加了研制经费。另外一方面,实地试验次数是有限的,并不能测试各种复杂情形下 系统的性能,这样就无法避免地会造成系统性能的下降。20 世纪末,随着计算机技术 的快速发展,特别是虚拟现实技术的发展,红外成像仿真技术提供一种极为有效的新 方法来解决这类问题。借助计算机技术,红外成像仿真技术可以逼真地生成各种复杂 环境和干扰条件下场景的红外图像。通过预先建立的目标与背景的红外数据库和气象 参数,可实时地生成不同季节、不同气象和不同时刻等不同成像条件下的红外图像。 将红外成像仿真与有限次的实地测试结合可以得到不同状态的红外图像,这样可以加 1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 快红外成像系统研制进程并提高系统的可靠性。 1.2 红外成像仿线 年,英国天文学家威廉·赫谢尔(F.W.Herschel )发现了一种能够产生热效 应的“不可见的光线”,由于当时认为它处于红光外端,因而在 1935 年,科学家安培 给它命名为红外线(Infrared ),简称IR,从发现红外线到现在已历时两百余年。 1869 年,英国科学家罗斯发明了用热电偶来测量月球的红外辐射;1900 年德国物 理学家普朗克提取了包括红外线在内的光谱辐射定律并给出了相应的定量公式;由于 红外辐射探测手段的局限性使得早期红外技术发展缓慢。 理论上,自然界中的一切物体,只要它的温度高于绝对零度,就会产生红外辐射, 这是红外成像的物理基础。红外线 μm 之间的电磁波。 除了具有电磁波共性外,红外线还具备一些特殊的性质:首先,红外线对人眼不产生 视觉效应,而且它的波长与可见光毗邻,因此具有较高的应用价值;其次,物体对外 辐射需要经过大气传输才到达红外光学系统,由于大气中的二氧化碳、水蒸气等气体 会对红外辐射进行选择性吸收以及其他灰尘等微粒的散射,使得红外辐射发生不同程 度的衰减。人们把透射率较高的波段,称为大气窗口。一般可将红外线 μm )、短波红外波段(1.3~3 μm )、中红外波段(3~8 μm )、热红外 波段(8~14 μm 以及远红外波段(14~1000 μm )。“大气窗口”:1~2.5 微米、3~5 [6][52] 微米和 8~14 微米(或 8~12 微米),后两种是目前常用的红外探测波段 。 红外成像技术是研究如何探测场景的红外辐射,并将其转换为能被人眼感知的图 像信号的科学技术。一个典型的红外成像系统是由探测器组件、光学系统、扫描器、 信号处理、显示五大部分组成。因此红外成像技术发展综合了红外探测器、光学设计、 扫描技术以及信息处理等学科的科技成果,是红外技术发展水平的集中体现。 红外成像仿真是对场景红外辐射分布及其在介质中的传播和在探测器里能量转 换过程的模拟。使用计算机进行仿真时,需要考虑场景中物体的几何特征、红外辐射 特性、相应地理环境下的气象条件、成像光学系统、探测器效应等对场景红外图像的 影响,同时还需要考虑目标与背景热交换,这些决定了红外图像仿真的计算复杂度。 红外成像仿真是基于等效原理,模拟某种条件下(包括地理及气象条件)红外目标与 背景在红外成像系统中生成等效目标与背景特征图像。 2 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 气象条件 目 标 场 大气传输模 红 建 温 度 景 型 外 目标几何 模 场 模 综 传 结构参数 型 合 感 温 器 度 系 外部环境 建 背 景 场 统 信息 模 温 度 模 响 场 模 地形结构 型 型 应 模 参数 型 显示标 准化 真实可见的仿真热 场景红外仿 图像 线 红外成像仿线 给出了红外成像仿真基本过程,主要包括以下几个部分:1、收集场景的空 间几何结构、相应纹理材质信息和气象条件,建立场景的几何模型(三维模型或者二 维几何信息);2 、根据传热学原理,建立场景中各地物的热模型,计算场景中各物体 表面的温度分布;3、根据红外辐射理论,建立场景地物表面的辐射模型,计算场景 地物表面辐射能量分布;4 、考虑场景与红外成像系统间的大气条件,根据红外辐射 在大气中的传输特性,计算红外辐射到达红外成像系统的衰减;5、考虑光学系统对 红外辐射的成像效应,通过相应的系统函数来模拟红外辐射经过光学系统的传输特 性;6、模拟红外探测器对红外辐射能量的响应。目前讨论红外成像时,一般是讨论 3~5 μm 和 8~14 μm 两个窗口。 1.3 红外成像仿真研究概况 从上个世纪 70 年代开始,国外很多研究机构就对红外仿真技术进行了大量的科 研投入,目前其技术较为成熟。美国是虚拟现实(VR )技术的发源地,对该项技术 进行了大量研究,研究水平处于世界前列。 对目标和背景的红外仿真,早期以具有简单几何外形的物体为研究对象建立计算 模型,如 1980 年 Jacobs 采用一维热模型计算温度,并对公路和砖墙等简单几何外形 [1] 的对象分别在几种气象条件下进行了红外成像仿线 年,Gerhart 等人开发出了 热图像合成模型模块化的计算程序,该模型不仅可以对场景的辐射量红外进行模拟, [2] 还考虑了大气对红外辐射的衰减、探测器噪声以及战场烟雾等引起的红外图像模糊 ; 3 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1990 年,Wollerweber 对不同气象条件下不同地面场景进行了红外仿真,并能生成不 同时刻的红外图像[28] 。1996 年,美国 Georgia 技术研究所推出了能生成高度逼真的三 维红外场景图像的红外模拟系统,但是该系统在实时化方面存在困难;2003 年,Haynes 等人对场景合成软件 CAMEO-SIM 进行了详细介绍,该软件能合成具有线 年,美国空军研制出的场景仿真系统可覆盖紫外、红外和毫米波等波段, 并具有高分辨率特点 [3][4] 。 目前国外比较著名的大型虚拟视景仿真软件,如美国MultiGen-Paradigm 公司的 Vega 、法国 OKTAL-SE 公司的 CHORALE 、英国 INSYS 公司的 Cameo-Sim 和 NorthropGrumma 公司的 Rlss 等,都包含有红外视景仿真模块。红外成像仿真在特殊 领域具有重要作用,所以国外在这方面对中国进行了技术封锁,以致上述软件的红外 视景仿真模块对中国用户不是完全提供。 国内的红外成像仿线 年代,与国外发达国家的 成熟技术相比,整体水平落后很多。虽然起步较晚,但发展较快,完成了许多类型的 场景的红外仿真,但是到目前为止,还没有开发出具有独立知识产权的全数字红外仿 真系统或平台,主要研究工作还仅限于个人或小组的对某一特定目标和环境红外仿 线]完成了对飞机动态红外图像仿线]对许多地面目标红外成像建 模等做了大量的工作;文献[14]采用半实物仿真的方法进行了红外热成像系统仿线]对地面目标和舰船进行了红外成像仿真并探讨了其红外隐身技术;文 献[15]进行了地面场景的红外成像仿真工作,并对多光谱成像的真实感融合技术做了 研究;文献[21]对坦克负重轮三维温度场进行了计算研究;文献[23]对基于实测数据的 红外图像生成方法开展了研究工作;文献[25]进行了基于可将光图像的红外多光谱生 成。 总的来说,国外在红外场景仿真方面的研究成果已系统化、产品化,能够实现全 天候、多波段、高分辨率和复杂环境的红外场景仿真系统。国内还是停留在对各种目 标和背景的红外成像建模与仿真,还未开发出相应的仿真系统,并且大多研究还在集 中于基于红外物理学和传热学建立红外仿真热模型,求解简单几何形状物体的辐射 量,而复杂形状物体的温度分布计算往往采取近似方法,使得最后绘制的红外图像真 实感不够强。目前许多红外仿真研究工作是基于国外成熟仿真平台如 Vega 等进行红 外场景仿真,这些软件的红外仿真模块不对国内开放或者部分功能限制,这样就不能 获取完整的仿真模块和技术细节,使仿真受到很大限制。通过对 Vega 平台红外仿真 研究得知,传统 Vega 红外仿真方法中物体温度是基于一维热导方程,与真实物理过 程相差较大,本文主要针对该问题进行了研究。 4 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1.4 本论文主要工作 从红外仿真发展和应用的前景来看,红外多光谱仿真越来越受到重视,但国内和 国外在红外多光谱仿真方面还存在很大差距,国外在红外场景仿真方面的研究成果已 系统化、产品化,而国内还无成熟的红外场景仿真软件。目前,我国有许多研究机构 使用 Vega 仿真平台进行红外仿真,但仿真结果不理想。本文的主要工作是对通过研 究红外多光谱仿真一般流程,并具体针对基于 Vega 平台的红外仿真进行改进,提出 了两种基于Vega 平台红外仿真方法。本文主要内容如下: 第二章主要介绍了红外辐射在大气中的传输特性,讨论了不同大气成分对不同波 段红外辐射传输的影响,并对大气对红外辐射衰减给出了定量的计算方法,最后分析 了影响红外辐射传输的几种重要气象条件。 第三章主要论述了红外多光谱图像仿真中几个重要步骤以及其实现方式。因为本 文主要基于 Vega 平台仿真,为此,首先介绍了该平台以及在红外仿真中需要用到的 TMM 和 MAT 两款工具;然后对场景几何建模进行了说明,考虑到不同仿真方法所需 的模型不同,主要描述了 Pro/Engineer 进行目标建模和 MultiGen Creator 背景建模过 程;接着阐述了一般温度场模型以及求解方法,介绍了 ANSYS 进行温度场有限元分 析;最后给出了红外多光谱传感器系统仿真框架和实现方法。 第四章和第五章详细描述了两种基于 Vega 平台的红外多光谱图像仿真方法:一 种是直接利用可见光图像转多波段红外图像;另外一种是通过建模获取场景的三维几 何模型,借助 ANSYS 有限元分析软件对目标的温度场进行计算,然后通过 OpenFlight API 格式转换导入到 Vega 平台中进行红外多光谱仿真。 最后总结了全文的研究工作,并提出了下一步的研究工作。 5 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 红外辐射在大气中的传输特性 地面上的红外传感器所接收到的红外辐射信号在大气传输过程中会受到大气的 衰减,该红外辐射信号不仅包括目标红外辐射,还包括大气本身的热辐射、太阳散射 (白天情况下)以及复杂背景辐射等。大气对红外辐射信号的影响主要有两个方面: (a )大气对红外辐射的衰减和(b )大气自身辐射。假若地表为朗伯体,则大气中红 外辐射传输方程可简化为[54] : ↑ ↓ L =B (T )ε T + L +(1 −ε ) L T (2-1 ) λ λ g λ λ λ λ λ λ 其中:L 为传感器所接收热红外辐射亮度; λ B (T ) 为地物物理温度为T (单位,K) 时的普朗克黑体辐射亮度; λ g g ε 为波长λ的地表辐射发射率; λ T 为从地面到红外传感器的大气透过率; λ ↑ ↓ L ,L 为波长λ的大气上行、大气下行辐射。 λ λ 红外辐射在大气中传播会受到大气各种成分的衰减作用,但是不同成分对红外辐 射的衰减作用不同从而会形成在某些波段有较高的透射,在第一章已经简单介绍过这 些波段,即大气窗口。地球大气对红外辐射的衰减主要是吸收和散射,它与大气的成 分、经纬、高度、气象条件、地区、观察方向以及大气污染等诸多因素有关。这样大 气对红外辐射的衰减会影响到最后成像效果,下将具体分析大气对红外辐射的衰减。 2.1 大气构成 2.1.1 地球大气层结构 地球大气在垂直空间上有一定的分布特点,通常根据大气成分、气体温度、电离 状态以及其他物理性质将大气分为若干层。根据气温在垂直空间变化特点,可将大气 分为对流层、平流层、中间层、热层、散逸层等五层。气体没有具体形态的,且其分 子自由运动导致整个大气层没有明显上边界,下面简单介绍下这五层大气的特点[55] 。 从地球海平面垂直向上 8~18 ㎞的大气范围为对流层,对人类活动影响最大的是 对流层。对流层又可进一步细分为下层、中层、上层和对流顶层。在对流层中,集中 6 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 了大部分的大气分子和水汽。因在太阳辐射的作用下,大气与地面、海洋相互作用极 为强烈,有着明显的空气对流,绝大多数气象现象都发生在该层大气中。 平流层处于对流层之上,约 50 ㎞厚。因在平流层中基本没有水汽和尘埃,因此 在平流层中没有云。该层对红外辐射造成影响的是臭氧在 9.6 μm 附近的吸收,该层 大气的温度约为 27 ℃。 中间层厚度约为 30km,位于平流层之上。在该层,大气温度近一步降低到约为 零下 100℃。热层位于中间层之上,它有一层电离层,该层空气稀薄且处于部分电离 状态,其范围自中间层顶至 200~500 ㎞处。最外一层为散逸层,其空间范围为 500~750 ㎞,通过卫星的探测结果表明,地球大气外边界可以蔓延到 2000~3000 ㎞处[55] 。在热 层和散逸层飞行的人造卫星、航天飞机上的红外成像系统观察天空具有很好的效果。 2.1.2 地球的大气成分 地球的大气是一种混合体,它由多种气体分子和固体微粒组成,按其组成成分的 混合比可分为均匀不变组分和可变组分两种。不变组分主要是指干燥大气,可变组分 是指水蒸气和臭氧。 干燥大气是指不含气溶胶粒子、水蒸气等的大气,它主要组分是氮(占 78.8% ) 和氧(占 20.9% ),还包含二氧化氮、氩、甲烷、一氧化二氮、氖、氦、氢、氪和氙等 气体,只是它们所占的百分比都很小,在从海平面到 80 ㎞的高度这之间它们的相对 比例几乎不变,因此称它们为不变组分。不变组分中二氧化碳对红外辐射有选择性吸 收,它在 2.7 μm 、4.3 μm 和 15 μm 附近有强烈的吸收,甲烷、一氧化碳和一氧化二 氮也同样吸收红外辐射能量,但因他们的含量少,所以只有当辐射在大气中传输较长 [20] 距离时,它们的吸收作用才会显著 。 一般情况下,大气不是干燥的,总是含有水蒸气,其含量随温度、季节、高度和 位置而变,温度升高,蒸发过程加剧,空气中的水蒸气含量增高。水蒸气红外辐射吸 收峰在 1~2 μm 、2~4.3 μm 、4.3~7.0 μm 、7.0~15 μm 、15~30 μm ,水蒸气对红外辐射 的衰减特别严重[55] 。另一种可变组分是臭氧,臭氧对红外辐射的吸收带在 9.398~10.19 μm 、11.7~15.4 μm 。 大气中还有许多悬浮的颗粒,通常称为气溶胶。一般情况下,液态粒子具有可见 形态且尺度比较大,按其形态不同可分为云滴、雨滴、雾滴、雪花、冰雹、冰晶等。 通常把半径大于 1 μm 的粒子称为巨粒子;半径范围为0.1~1 μm 的粒子称为大粒子; [44] 半径小于 0.1 μm 的粒子称为爱根核(Aitken ) 。气溶胶在空间上的分布与相应地 区的空气质量密切相关,其浓度会随高度的增加而迅速下降。由于气溶胶颗粒中心尺 寸较大,其对红外辐射起衰减作用的主要是散射,而气溶胶对红外辐射吸收作用会随 7 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 湿度增加而增大。 2.2 红外辐射与地球大气的相互作用 地球大气对红外辐射衰减作用主要是散射、吸收等,大气对红外辐射的散射和吸 收与气象条件、地理条件、时间、辐射传输路径等诸多因素有关。构建符合实际情形 的大气辐射传输模型来计算红外辐射的大气透射率,需要考虑多种因素,包括大气分 子吸收和散射、气溶胶消光、太阳和月亮的辐射、大气折射等,这是一个很复杂的问 题。许多国家耗费大量的人力物力对此进行了长期的研究。目前比较通用的大气传输 模型软件有 LOWTRAN 、MODTRAN 、FASCODE 和 Vega 提供的 MOSART (MAT ) 等。 2.2.1 地球大气对红外辐射的消光 前面提到在红外三个大气窗口中,红外辐射有较高的透射率,实际上在这三个大 气窗口中,大气对红外辐射还是有一定的衰减,通常把这种衰减作用称为消光。大气 消光包括吸收和散射,消光的强弱与传播路程、空气密度、气体成分、大气中的气溶 胶、气象条件等诸多因素密切相关。大气对红外辐射的消光作用服从下面两条基本定 律:指数吸收定律和线)指数吸收定律 假设大气在空间上是均匀分布的,并且其成分不随时间变化,那么该大气的消光 系数与大气密度、辐射强度无关,该大气对红外辐射的消光作用正比于红外辐射入射 φ(λ, s ) ρ ds 通量 、大气密度 及路径 : dφ(λ, s) =−γ(λ, s)φλ( , s)ρds (2-2 ) 式中γ(λ, s ) 为光谱消光系数,对式(2-2 )进行积分: s φλ( , s ) φ (λ,0)exp[=− γ(λ, s)ρds] (2-3 ) 0 ∫0 式中φ (λ,0) 为入射红外辐射的初始通量,式(2-3 )就是红外辐射在大气中 0 的指数吸收定律表达式。 2 )线性叠加定律 大气总的消光作用是大气中不同成分造成的消光作用的线性叠加,即线性叠加定 律: γ(λ, s) α (λ, s ) =+k (λ, s ) +α (λ, s) +k (λ, s ) (2-4 ) m m p p 式中角标 m 表示大气分子,角标 p 表示气溶胶,α(λ, s) 为光谱吸收系数,k (λ, s) 8 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 为光谱散射系数。在很多情况下,消光作用中起主导作用的是吸收散射中的一种,这 样就可以简化计算工作。从式(2-3 )可以得到大气透射率τ(λ) : φ(λ, s ) s ( ) exp[ ( , s ) ds] (2-5 ) τ λ − γ λ ρ∫ ( ,0) 0 φ λ 0 2.2.2 地球大气对红外辐射的吸收 根据能量守恒定律,假若大气不散射或散射小,则大气吸收率α(λ) 与透射比τ(λ) 之和为 1,这样可以根据它们其中的一个来计算得到另外一个。在实际情形中,获取 透射率比吸收率容易,则: α(λ) 1−τλ( ) (2-6 ) 气体吸收光谱是由一段一段的吸收带组成,而吸收带又由吸收线组成。一般情况 下,可由洛伦兹(Lorentz )模型,多普勒(Doppler )模型以及混合模型[55]三种模型 来描述单条吸收线)洛伦兹(Lorentz )模型 I ν α (ν) L (2-7 ) L ( )2 2 π πν−ν +ν 0 L 式中ν是波数,I 为吸收强度,ν 为中心波数,ν 为吸收峰的半宽度,也称为洛伦 0 L 兹半宽度。 2 )多普勒(Doppler )模型 I (ν−v )2 α (ν) exp[=− 0 ] (2-8 ) D 2 ν π vD D 式中ν 为吸收峰的半宽度,也称为多普勒半宽度。 D 3 )混合模型 将洛伦兹模型与多普勒模型结合在一起,组成混合模型 I ∞ 2 exp(− ) t ( ) y αν dt (2-9 ) 3 ∫−∞ 2 +( − )2 ν π y x t D 式中x (ν=−ν ) /ν ,y ν /ν ,t 是任意积分变量。 0 D L D 上面几个模型在实际应用中会遇到计算量大的问题,因此研究学者们提出了新的 模型来计算,下面介绍其中两种模型: 1)埃尔撒瑟(Elsasser )模型 若某吸收带由均匀分布的吸收线组成,且各吸收线的轮廓相同,则吸收带的平均 值τ : 9 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 y − β τ 1=−shβ exp ych J 0 (i , y )dy (2-10 ) ∫0 式中β 2πγ / d ,y m / shβ ,m IW / d , J 0 (i , y ) 为虚宗量零阶贝塞尔函数, d 为该吸收线的中心距,W 是传播光程上的气体质量。当α (ν )W 远大于 1 时,该吸 L 0 收线-11 ) 1 π 式中L 为广义吸收系数。反之, 当α (ν )W 远小于 1 时,该吸收线 )简化成: I W τ ≈1− (2-12 ) d 2 )谷第(Goody )模型 假设吸收带满足这样两个条件:1、吸收带中的吸收线等概率分布,并且吸收强 度符合泊松(Poison )分布;2 、吸收带足够宽且其中的吸收线足够多,则它的平均吸 收率为: IW πν τ exp(=− L ) (2-13 ) D πν +IW L 式中I 为内吸收线强度的平均值,D Δν/ n ,n 为吸收线的数量。计算平均吸收 率τ 时可采用如下近似计算公式,在强吸收线近似时: LW τ ≈exp(− ) (2-14 ) 2 在弱吸收线近似时: I W τ ≈exp(− ) (2-15 ) D 从上面模型的结果可以看到,光程上气体质量、吸收线的平均强度、吸收线数量、 气压以及气体分子的密度等数值增加都会引起平均透射率下降。图 2-1~ 2-3 分别为中 纬度夏季条件下,天顶角为 0 °时,整层大气的水、CO 、O 的分子吸收透过率,波 2 3 段范围是 3~12μm 。 10 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图2-1 水分子吸收透过率 图2-2 CO 分子吸收透过率 2 11 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图2-3 O 分子吸收透过率 3 2.2.3 地球大气对红外辐射的散射 大气中散射中心的尺寸对红外辐射散射起决定性作用。在大气红外窗口,从 1 μm 到 14 μm ,研究大气对红外光的散射同样是一个很复杂的问题。在均匀的介质中, 光只能沿折射方向传播,不会发生散射。在均匀介质中,如果无规则的弥散着一些尺 [55] 寸与光波长相当的质点,就会引起散射,这种光散射称为廷德尔(Tyndall )散射 。 [49] 由分子引起的散射称为瑞利(Rayleigh )散射 。红外辐射在穿过大气时会发生复杂 的散射,一般情况下,可将大气对红外辐射的散射作为弹性散射处理,指数吸收定律 同样适用于大气散射[55] : τ exp[−K (λ,s )s ] (2-16 ) 式中 s 为红外辐射传播路径的长度。同吸收系数一样,在均匀的大气中,散射系 数 K 也与路径无关,但与散射粒子的浓度 n 相关,二者关系为[55] : K ( ) ( )n λ σλ (2-17 ) 式中σ(λ) 为一种粒子的散射截面(cm2 )。当大气中有m 中散射粒子时,散射系 数为: m K (λ) ∑σ(λ)n (2-18 ) i 1 若要仔细计算每一种散射作用的散射系数将是一个很复杂的过程,为了回避这一 过程,学者们在实验过程总结出了一些经验公式。在一般的气象条件下,可以用下面 [55] 的经验公式计算大气散射的透射比τs : 12 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3.91R (0.55/ λ)q τs exp[ ] (2-19 ) V R q 0.5853 VR (2-20 ) 式中 R 为红外辐射传播路程,V 为该气象条件下的能见度距离。 R 1)瑞利(Rayleigh )散射 当散射中心尺寸远小于红外辐射光的波长,即d / λ1 时,这种散射均是瑞利散 射[49] 。在瑞利散射中,总的散射系数为: 3 2 2 8π (n −1) K (λ) (2-21 ) 3 N λ4 式中 n 为散射介质的折射比,N 为单位体积中包含的分子数。从式(2-21 )可以 看出,散射系数与波长 4 次方成反比,而热红外波长比可见光波长大近 10 倍,因此 在计算散射系数时,热红外辐射的瑞利散射可以忽略不计。本质上瑞利散射是因气体 的局部密度围绕平均密度起伏造成的。 2 )迈(Mie )散射 当红外辐射信号的波长λ与大气中的散射中心尺寸 d 满足πd (0.1 ~ 0.3)λ 时,大 气散射主要就是 Mie 散射[49] 。由定义可以看出,Mie 散射主要描述大气中气溶胶粒子 引起的散射,气溶胶粒子会使大气折射率变大,其表示形式如下: ( ) ( ) ( ) m λ n λ −in λ (2-22 ) r i 式中n (λ) 是复折射率实部,为气溶胶散射大小。n (λ) 是复折射率虚部,为气溶 r i 胶吸收大小。在计算 Mie 散射系数前需要确定散射的效率因子Q (a, m) ,效率因子 M Q (a, m) 和散射截面σ (r, λ, m) 存在下面的关系表达式[49] : M M 2 (2-23 ) σ (r, λ, m) πr Q (a, m) M M 2πr a (2-24 ) λ r 上式中, 为散射中心半径,a 为尺度参数。计算 Mie 散射系数时需要考虑不同 尺寸的粒子所引起的散射,然后对它们求和: ∞ 2 K π QM (a ,m)N (r )r dr (2-25 ) ∫0 N (r ) 为散射粒子尺寸分布。 3 )漫散射 当大气中的散射单元尺寸远大于红外辐射的波长,即d / λ1 时,大气散射主要 是漫散射[49] 。由于云、雾中的水滴、冰晶的尺寸远大于太阳可见光波长,对可见光各 13 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 波长的散射相同。但在红外波段,它们对短波红外漫散射最强,所以用短波红外成像 仪看云层最清晰,而长波红外成像下,云层对比度差,中波介于两者之间。 云、雾、雨等都对红外辐射起到漫散射衰减作用,用经验公式(2-26 )来计算雨 对红外辐射的散射系数[55] : K 0.248V 0.67 (2-26 ) r 上式中 V 为降雨速度大小,单位为mm / h 。 前面介绍了各种吸收和散射,但在定量计算大气对红外辐射的衰减时,最终是确 定具有指数衰减定律的消光系数上,因此可以假设不同的消光系数,计算消光系数- 透射表供工程计算用;或是直接测出消光系数。地球大气的折射率略大于 1。因此一 般民用领域的红外系统中可以忽略不计大气折射对红外辐射传输的影响。图 2-4 、图 2-5 分别为乡村气溶胶,能见度为 5km 和 23km 时的气溶胶小光透过率,波段范围是 3~12μm 。 图2-4 能见度 23km 时气溶胶消光透过率 14 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图2-5 能见度 5km 时气溶胶消光透过率 图2-6 为中纬度夏季,乡村气溶胶能见度为 5km,天顶角为 0 °,整层大气的透过率。 图2-6 大气总透过率 2.3 影响红外辐射传播的气象条件 1)空气温度 空气温度反映空气冷热程度的物理量,它随地点、时间、高度变化,是准确计算 地球大气对红外辐射传输的相关参数的必要条件。天空红外背景辐射源主要是大气, 15 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 这样空气的温度是背景红外辐射强度的主要因素。红外系统,特别是采用焦平面探测 器的热成像系统,需要根据红外背景辐射强度来调整探测器的工作点,以避免饱和。 2 )空气湿度 空气湿度是描述大气干燥程度,即空气中水汽含量物理量,通常可以用这几个物 理量来表示:绝对湿度H 、相对湿度H 、水汽压P 、饱和水蒸气含量S 、比湿r r H 2 O H 2 O H 和混合比湿r ,它们之间的关系如下[55] : M H H ×S (2-27 ) r H O 2 P H O H 289 2 (2-28 ) T S R ×H ×T (2-29 ) H O v 2 2 式中Rv 4.615=×10 J / kgK ,T 为绝对温度。 P H O r 0.622 2 (2-30 ) H P P H O r 0.622 2 (2-31 ) M P −P H O 2 式中 P 为大气压力,显然,大气中的水汽含量越大,对红外系统的作用距离的影 响也越大。 3 )大气压力 大气压力一般不作为实验条件直接给出,但在进行大气透射计算时则是必需的参 数。大气压力对红外成像系统的作用距离影响很大。大气压力越大,空气的密度也越 大,气体分子对红外辐射的吸收、散射作用也就越大。 4 )水平能见度 水平能见度是指视力正常的人在当时天气条件下,能从天空背景中看到和识别出 目标的最大水平距离。一般将能见度划分为从0 到 9 共 10 个等级,9 级最高,能见度 与气象条件密切相关[49] 。 5 )云、雾、霭、霾 云、雾中的水滴尺寸、分布和浓度对红外辐射的传播影响极大,因云、雾中水滴 尺寸等于或大于中波、长波红外的波长。在温度较低时,云、雾的水滴尺寸较小,中 波、长波红外辐射特别是长波红外辐射具有较强的穿透能力。霭是能见度在 4~6 级之 间的雾,也称为轻雾[55] 。在这种气象条件下,红外系统具有比可见光系统明显的优越 性。可见光的波长短,霾对其传播有很大影。但长波红外辐射比可见光具有更好的穿 透气溶胶和霾的能力。 16 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2.4 本章小结 本章主要介绍了红外辐射在大气中的传输特性,首先简单描述了大气层的结构和 各层分布特点,接着阐述了大气成分以及各组分对红外传输的影响;然后具体分析了 红外辐射与地球大气的相互作用,主要描述地球大气对红外辐射的吸收和散射以及如 何定量的计算地球大气对红外辐射的消光作用;最后给出了影响红外辐射传输的几种 重要气象条件。 17 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 红外多光谱图像仿真方法 随着计算机技术的发展和各国对红外技术的重视,红外成像仿真已经取得飞速的 发展,出现了许多红外仿真平台,但由于该技术的重大应用价值,国外发达国家对先 进的红外仿真平台进行了封锁,而有关红外多光谱图像仿真资料更是缺乏,至于红外 多光谱仿真的应用价值,前面绪论已详细介绍,这里就不再赘述。本章主要根据红外 多光谱成像原理和参考国内外红外仿真思路及方法的基础上,提出了本文红外多光谱 图像仿真方法。 红外成像仿真是对场景红外辐射能量分布、红外辐射在介质中传播过程和红外传 感器对辐射能量响应等过程的模拟。按照红外仿真原理可知:目前使用计算机进行红 外仿真时,均需要考虑场景中各物体的几何特征、各目标材质红外辐射特性、相应地 理环境下的气象条件、红外传感器的光学系统和红外探测器效应等对场景红外图像的 影响,在对目标进行红外辐射特性分析时须考虑目标与背景热交换,所有这些环节决 定了红外图像仿真的计算复杂度和仿真的逼真程度。 根据红外成像仿真原理可知,一般的红外成像仿真过程是基于等效原理实现的, 模拟某种条件下(包括地理及气象条件)红外目标与背景在红外成像系统中生成等效 目标与背景特征图像。第一章中介绍了一般红外成像仿真流程,并提到相关关键过程。 红外多光谱图像仿真是在红外仿真基础上添加了红外光谱信息,考虑到地物在不同红 外波段辐射能量和大气对不同红外波长的影响,以及红外传感器对不同红外波段的响 应不同,从而使得红外多光谱图像比单波段图像具有更丰富信息,便于后面的识别与 跟踪等应用,本文红外仿真工作主要是基于 Vega 仿真平台,为此首先简单介绍该平 台,然后重点论述红外多光谱图像仿真中的关键过程和相应的实现方法。 3.1 Vega 简介 Vega 是美国 MultiGen-Paradigm 公司研发出的先进视景仿真软件环境,Vega 软件 包中还包括 TMM 和 MAT 等工具,它们是使用 Vega 红外模块进行红外仿真过程中必 不可少的两款工具[39] 。Vega 平台还使用了配套的模型工具 MultiGen Creator ,它负责 构造个场景具体结构。MultiGen Creator 所建立起来的模型文件导入到 Vega 中,然后 可以很方便地建立仿真模型,同时可以按照客户的意愿调整各种参数[40] :显示通道(视 角大小)、视点(观察方向)、观察者(观察位置)、特殊效果、系统配置、时间尺度、 18 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 模型(确定场景中物体)和数据库(空间坐标)等功能,程序执行时会驱动导入场景 中的各对象物,进行实时控制并采用动画形式显示出来。 Vega 通过将高级仿真功能和软件工具(如 MultiGen creator 、MAT 和 TMM )结合 起来进行红外仿真,这样可以大大降低仿线] 。由于 Vega 对各种功能模块进 行了完好的封装,并且采用图形界面来设定参数,这样使用 Vega 可以大幅度地减少 了源代码开发工作量,从而大大提高了仿真工作效率,能让用户按照自己的需求迅速 的创建各种实时交互三维环境[42] 。Vega 软件提供各功能完整的 C 语言应用程序接口 API ,并通过友好的图形软件界面来设定这些接口输入参数,这样可以满足不同仿真 工作者多种仿线 TMM 软件简介 TMM 是 Vega 平台自带的纹理材质映射工具,可将纹理图与材质数据库中的材质 对应,从而将 MultiGen 三维模型赋予相应的材质属性参数[45] 。在使用Vega 进行红外 图像仿真时,Sensor Vision 模块通过将 TMM 映射的结果进行红外辐射纹理渲染,也 就是完成可见光纹理与红外纹理转换,红外图像纹理是通过图像来描述场景辐射能量 分布。也就是在基于 Vega 红外仿真时,模型材质属性需要通过 TMM 来设定,这样 红外模块才能调用相应的材质红外发射光谱计算其辐射能量。在 Vega 平台中自带的 材质库有几大类:金属、水、雪、植被和各种建筑材料等 150 余种材质,默认的材质 属性包含热导率、密度、反射光谱以及雷达散射系数等数据。Vega 平台中材质数据库 的材质文件(“.mlt”)默认是二进制的,平台提供了spabba 工具来完成文件格式转换, 将其转为文本格式后可以进行修改等操作。 3.1.2 MAT 软件简介 MAT 软件是大气传输模型计算软件,通过输入经纬度、湿度、气温、时间日期

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