空中飞机动态图像的识别与生成.doc

题目编号 2

空中飞机动态图像的识别与生成

Recognition and Generation of
the Airplane's Dynamic Images

学科专业：电子与通信工程
班级学号： s120400552
姓 名： 白雪敏

二〇一三年六月

空中飞机动态图像的识别与生成

摘 要：介绍了空中飞机动态红外图像仿真的实现。从分析空中飞机的红外特性出发，综合考虑目标实际结构、太阳辐射、天空长波辐射、气动加热及周围环境辐射等因素的影响，运用等效热阻对内热源部分进行估算，并建立一种可靠实用的空中飞机红外成像仿真模型，并将计算结果量化，形成灰度值。最后，利用计算机图形学的方法生成动态红外图像。
关键词：红外辐射；等效热阻；量化；红外成像仿真；动态红外图像

Generation of the Airplane's Dynamic IR Images

Abstract ：The implementation of the dynamic IR image simulation on the plane is introduced. Based on the radiation characteristic of airplane，and meanwhile taking into account synthetic influence factors of the real configuration of object, sun radiation, space long-wave radiation and the environment radiation around airplane，we use equivalent resistance to estimate inner heat-resource and gave prominence to the influence on scarfskin radiation caused by engine heating-scattering. A logical and effective IR imaging simulation model for airplane is presented in this paper. The calculation results are quantized into gray-scale values. And the dynamic IR image is generated by using the computer graphics method according to gray-scale values.
Key words：infrared radiation; equivalent resistance; quantization; IR imaging simulation; dynamic IR image

夜战空袭与反空袭是现代战争的主要模式，红外成像装置是武器装备在夜间获取信息的必备手段之一。空中飞机的红外成像仿真技术，运用到飞行模拟器中，一方面可以评定机载红外武器系统的性能，另一方面由于不受场地和气象条件的限制，可以缩短特殊训练科目的周期，提高训练效率，具有节能、经济、安全、重复等特点。而仿真的关键环节是生成包含目标的动态红外图像。
凡绝对温度高于零度的任何物体都会向空间辐射不同波长、不同强弱的红外线。从广义上来说，常见物体都是红外线的辐射源，温度高的物体，红外线的峰值波长短而辐射强，随着物体温度升高，辐射强度迅速增大，红外线的峰值波长向短波方向移动。因为红外辐射与温度密切相关，所以红外辐射也叫热辐射。不同物体甚至同一物体不同部位的温度都是不一样的，利用物体或景物不同温度点发射的红外线波长不同、强弱不同的特性而形成可见图像的方法称为红外热成像技术。热成像系统探测的是景物表面的热辐射，由于目标本身各部分之间以及目标与背景之间存在温度差，所以其热辐射强度是不同的，热成像系统就是根据目标与背景的热辐射强度差，即热对比度来发现和识别目标的。实现红外热成像的仪器有多种，如红外熟像仪、红外夜视仪、红外摄像机等，这些成像仪器本质上就是一台红外线电视摄像机，不同温度点发射的红外线经过吸收小、衰减小的大气窗口传至红外锗镜头，完成把红外热图像变成电信号的热电转换。
在特定作战环境中，飞机多功能显示器中的红外图像中任一像素灰度值是实际场景中相应点的红外辐射到达成像面的红外辐射能量的反映。因此，红外成像仿真的基础是确定视场内像面的红外辐照度。在作战环境已知的情况下，成像面上的辐照度可通过计算场景中对应点的红外辐射亮度值经过传输路径上的衰减得到。场景中任意一点的亮度值确定后，结合目标、干扰的运动特性便可生成连续的动态仿真图像。以空中飞机为例，这种动态红外图像仿真包括空中飞机的红外特征分析、红外成像建模、红外辐射计算、量化及动态图像生成等几个步骤。
1 空中飞机的红外特征分析
对于一幅空中飞机的红外图像来说，影响它生成的因素包括飞机表面的温度、飞机表面的性质（如辐射率）、大气条件（雨、雾或雪对红外图像的传输产生有比较大的衰减）、红外探测器的灵敏度以及它的方位，这些对红外成像的生成都有一定的制约作用，但其中最主要的还是飞机表面的温度分布。
飞机表面的温度分布与许多因子有关：内热源与飞机表面的热交换；飞机表面气动加热；太阳、天空、背景影响等。
内热源与飞机表面的热交换主要考虑内热源的热扩散对飞机表面温度分布影响。内热源的热扩散与它的位置、热流密度、内热源的物理性质，如材料属性、热传导率、内热源的几何性质等很多因素有关。
飞机表面气动加热是空中飞机红外成像仿真必须要考虑的。当飞机以很高的速度在空气中飞行时，可以看成气体以同样的速度流过机体表面，气流的一部分动能将可逆或不可逆地转变成热能并使机表面温度升高。由于表层位置不同，附面层各部分温升机理也不尽相同。紧靠驻点附近的温度升高由气流压缩性引起，其它地方的温升则因摩擦产生。
太阳辐射包括太阳直接辐射和散射辐射两部分组成。太阳辐射经过大气层时，一部分被大气层中的水蒸气、二氧化碳和尘埃等物质吸收，导致低空大气层产生热辐射；一部分被云层中的尘埃、冰晶及微小水珠等反射和折射，形成散射辐射；而太阳辐射中的绝大部分是沿直线透过大气层到达地球表面，形成直接辐射。
天空背景辐射可分为晴空和有云两种。晴空时主要有气体分子及气溶胶粒子对太阳的散射和大气分子辐射组成；有云时要考虑云对阳光的散射和云本身的辐射。大气分子及气溶胶粒子对阳光的散射，分为Rayleigh散射和Mie散射，散射强度随波长的增大而减少。阳光经大气层后地平方向大气分子辐射可近似用一个T=300k的黑体辐射代表，理想化的天空可用阳光散射的天空亮度与大气辐射亮度叠加而成。
2 空中飞机的红外成像模型
对于主动运动的空中飞机，内热源（发动机）是它的重要红外特征。鉴于此，同时考虑到上述分析的影响飞机目标表面温度的多种因素，可以建立一个表面热平衡方程（影响飞机表面的各种热量示意图如图1所示）。

图1 影响飞机表面的各种热量
(1)
式中：为周围环境辐射，=为太阳辐射，太阳辐射可视为一个6000k的黑体，对目标以平行的方式辐射，可以由斯蒂芬-玻耳兹曼定律计算出其辐射值，，qsky为大气长波辐射，为斯蒂芬-玻耳兹曼常数，Tsky 为天空温度，Ta 为室外空气温度(单位k)，ea 为空气水蒸气分子压力(单位kpa)，为接受辐射的表面对天空辐射角系数（垂直0.5/平面1），qground 为地面辐射的能量，地面辐射可忽略不计；为由内热源发出并到达物体内表面的热量； 为表面材料吸收的热量； 为辐射到环境中的热量，，为面片面积，为表面发射率，=5.67032×10-8W/m2·K4，Tamb为目标所处的环境温度，Ts为目标表面温度；qcdi为外界传导到目标的热量；qcv 为对流的热量，qcv=，是绝热壁温，它与环境温度有关，x是目标的特征长度，Re 是雷诺数，为空气的导热系数，Pr为空气的普朗克数。其中，和Pr与温度有关。飞机表层气动加热由速度v引起，详述见文献［1］。
由于考虑的是一个稳态过程，故表面材料吸收热量qabs 可视为零，而相比强烈的内热传导与气动加热辐射，外界传导到目标的热量qcdi 亦可忽略。
内热源向外表面传热有两种形式，即通过金属结构件的热传导和内热源辐射。但由于将内热源附近的表面取得较小，同时表面间存在热扩散使各部分的温度差别不大。做一个简化的考虑，统一将内热源附近的表面的热传递考虑为热阻的形式。将这种热传递过程视为稳态，并确定目标表面片相对于内热源的等效热阻［2］为：
（2）
（3）
式中：为表面片相对于内热源的有效面积；为距内热源处表面片的有效横截面积；为内热源中心到表面片中心的距离；k为导热系数。
在算法实际计算过程中，由于面片相对于内热源到它的距离非常小，所以可将面片沿内热源中心连线方向上的投影面积作为，将内热源中心到表面片中心的距离作为。结果证明，这种简化对红外图像没有影响，并可大大降低计算量。
由传热学傅里叶定律可得：

则 或 （4）
由公式（1）和（4）可以得到考虑了外界环境辐射内热源、表面热辐射以及运动速度等因素的运动飞机目标的红外成像模型：
（5）
式中：TS为表面片的温度。由式（5）可用牛顿迭代法得目标表面片的温度TS。那些不受内热源影响的面片可除去内热源的作用。式中各项可以随空中飞机的运动状态和实际环境因素的不同而进行取舍。
3 计算辐射出射度
由上述模型算得目标表面的温度分布后，再根据探测器的位置、探测的波段和大气传输等信息，计算出目标的辐射出射度。
不同波长的红外辐射在地球大气层中的传播特性不同，在实际运用中，3-5 、8-12 是两个最主要的大气窗口。因此，在绘制目标的红外图形时，可利用普朗克定律并取适当大气窗口，来计算目标表面的零视距辐射出射度。可用近似普朗克公式计算目标的每个三角面片的零视距辐射出射度：

在红外场景模拟过程中，红外成像仪所探测到的目标辐射，除了其自身的红外辐射外，还有探测点处的环境辐射，目标反射的太阳辐射、天空背景的大气长波辐射以及到达探测仪过程中传输介质的路径辐射，可由以下公式计算［3-4］：

式中：Edetector 为到达探测器成像面上的辐射；H()为探测器光谱响应；Edetect为进入探测器的光谱辐射，故可用下式表示：

比起目标表面的总红外反射辐射强度Erad 和红外路径辐射强度Epath(1)，红外环境辐射强度Eenvion要小得多，故可忽略不计。因而红外衰减图像各点辐射强 ，和零视距红外图像各点辐射强度，的对应关系为：

式中：Random(x，y)为图像平面的正态分布随机函数； 为随距离变化的大气透过率；a为噪声幅度系数。沿同一视线方向且视距为1 的红外衰减图像，可简单地看成零视距红外图像乘路径红外衰减透过率，再叠加路径辐射强度得到。
4 量化
由于红外图象最后还是以可见的图像形式显示，故还需要按照辐射出射度计算其灰度分布，两者是线性关系，这是一个均匀量化的过程［5］。
首先，确定上下限。对于Grange 个灰度等级来说，分别用最大和最小的辐射出射度来对应。一般地，Emax对应于灰度Gmax=255，Emin对应于灰度Gmin=0，则Grange=256。
其次再计算每级灰度对应的辐射间隔:

最后，计算各个三角面片的辐射出射度E对应的量化灰度值G：

5 空中飞机红外图像的绘制与动态生成
5.1 空中飞机红外图像的绘制
计算出每个表面片的灰度后，按光能辐射度法，计算出每个表面片各个顶点的灰度，最后用Gouraud Shading 绘制出每个表面片。在计算过程中，基本上是针对三角面片在进行。因此，三角面片的大小和剖分的好坏直接影响到仿真红外图象的质量。若三角面片三边长度极不均匀，则称为狭长三角形。对于狭长三角形，就有必要进行剖分。

图2 狭长三角形剖分
对三维飞机模型中两种狭长三角形剖分过程示意图如图2所示。
其中：(a)是两条边的长度都大于第三边的两倍；(b)是其中一边的长度大于另两边的1.5倍。对应的剖分方法是：(a)中取较长的两条边的中点为剖分点，形成新的三个三角形；(b)中取最长边的中点为剖分点，形成两个新的三角形。
在第一次剖分完之后，再对剖分形成的三角形进行检测，看是否需要再次剖分，如此递归下去。剖分过程中止的条件是所有的三角形都已均匀化，或者已经被剖分得很小（三边之和小于某个值）。
5.2 动态图像的生成
整个空中飞机动态红外图像的生成是用Visua Studio 2008为平台加OpenGL来进行交互绘制。仿真场景确定后，从红外成像装置方向对场景投影，便可得出一幅二维的场景图像。根据目标的运动特性，生成多功能显示器在各时刻显示的二维图像，从而形成一个图像序列，生成一段动态红外图像。

（a） （b）
图3 某型号飞机两个不同时刻不同状态下模拟仿真结果
从最初始的参数到动态图像的生成，中间包括目标的温度场、辐射出射度、量化等计算，这些计算完成后，再根据最终结果生成动态红外图像。图3为某型号飞机两个不同时刻不同状态下模拟仿真结果，从仿真图中可以看出飞机外部结构形状因素造成了机体表面温度分布的不均匀。图3的计算条件为春季正午，飞机的飞行速度为0.3~0.6Ma，接受波段为8-12 µm，其中图a为飞机处于平飞状态，发动机额定状态，发动机温度为800K的红外仿真图像，图b为飞机处于爬升状态，发动机最大转速状态，发动机温度1000K的红外仿真图像。
通过比较(b)和(a)可知，发动机周围的红外图像亮度变亮，即随着目标飞行速度的加快，发动机产生的能量急剧增加，发动机周围的蒙皮辐射亦愈加强烈。同时，由于速度加快，表层气动加热对整个飞机的蒙皮辐射的影响更趋明显。
6 结束语
本文通过对空中飞机的红外辐射特性进行分析，进而建立了空中飞机的红外成像模型。以某型号飞机为蓝本，通过热平衡方程的解算得到飞机表面温度场分布，根据红外物理学知识得到目标辐射出射度分布，经量化得灰度分布。采用辐射度方法绘制出飞机在特定飞行状态下的红外图像，较好地模拟了由内热源引起的目标的红外图像，真实感较强。并进行了动态图像生成，导入到飞行模拟器视景系统中，可以用来飞行员搜索目标和制导训练。

参考文献
［1］于伟杰，涂红明，彭群生.高速运动物体的计算机红外成像仿真［J］. 系统仿真学报，2000，12（5）：560- 564.
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［3］于伟杰，彭群生．基于红外物理与传热学的空中飞行目标红外成像模型［J］．系统仿真学报，1998，l0（6）：7- 12.
［4］王学伟，张卫国，沈同圣．飞机目标动态红外图像的计算机生成［J］．红外与激光工程，1999，28（2）：21- 24．
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［6］杨玉兰，孙金霞，付国柱.长距离红外激光照明主动成像系统仿真［J］.长春理工大学学报，2009，32（1）：18- 21.