紅外導(dǎo)引頭視景仿真中天空紅外圖像的生成*

王　彥,謝曉方,劉家祺,趙衛(wèi)華,龐　威

(1　海軍航空工程學院,山東煙臺　264001;2　91960部隊,廣東汕頭　515000)

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紅外導(dǎo)引頭視景仿真中天空紅外圖像的生成*

王彥1,謝曉方1,劉家祺1,趙衛(wèi)華2,龐威1

(1海軍航空工程學院,山東煙臺264001;291960部隊,廣東汕頭515000)

摘要:針對紅外導(dǎo)引頭3D視景仿真中實時生成天空圖像的應(yīng)用需求,提出了一種天空紅外圖像的實時生成方法,具有一定的工程應(yīng)用價值。首先使用MODTRAN分析并提出了紅外仿真中影響天空紅外輻射計算的關(guān)鍵因素。基于這些關(guān)鍵因素計算不同天頂角的天空輻亮度。采用輻亮度插值和圖像列向量擴展的方法生成天空紅外圖像紋理。通過構(gòu)建天空輻射輪廓線數(shù)據(jù)庫在仿真系統(tǒng)中實現(xiàn)了紅外天空圖像的動態(tài)更新。實驗表明,文中方法實時性強,仿真結(jié)果可信。

關(guān)鍵詞:天空輻亮度;關(guān)鍵因素;插值計算;輻射輪廓線;數(shù)據(jù)庫

0引言

天空背景仿真是紅外導(dǎo)引頭視景仿真中的重要組成部分。在三維場景建模中,天空場景大多通過建立天空紅外圖像實現(xiàn)[1]。天空紅外圖像生成的關(guān)鍵是大氣紅外輻射計算。天空的紅外輻射主要包括:大氣的路徑輻射、熱散射、地表反射、太陽散射等,因此天空紅外圖像生成是一項極為復(fù)雜的工作。Lvesque[2]采用射線跟蹤法計算了不同天氣下的紅外天空圖像,但計算量大,難以用于實時場景生成。劉世光等人[3]將天空視為黑體,開發(fā)了基于紅外物理和硬件加速的天空紅外實時生成模型,但天空黑體假設(shè)不夠準確。

文中在分析并得到了影響天空紅外輻射關(guān)鍵因素的基礎(chǔ)上,提出了一種天空紅外圖像的動態(tài)生成方法。文中方法可應(yīng)用于紅外導(dǎo)引頭三維視景仿真系統(tǒng)中天空圖像的實時生成。

1天空紅外建模的關(guān)鍵影響因素

大氣紅外輻射是紅外天空圖像生成的根本依據(jù)。大氣模式、天氣、經(jīng)緯度、時間、氣溶膠、探測器姿態(tài)因素等都可能對天空輻射造成影響[4]。三維紅外場景仿真中,在對模型精度影響不大的前提下,盡量去除一些非關(guān)鍵的影響因素將有助于提高建模的效率和模型的實時性。本節(jié)基于MODTRAN[5],對以上影響天空輻射的因素進行了分析,并從中找出了天空紅外計算中不可忽略的關(guān)鍵因素,為天空紅外圖像生成提供依據(jù)。文中研究對象為中波段(2 000～3 330cm-1)的紅外天空。

大氣模式對應(yīng)了不同的季節(jié)、溫度以及大氣成分,進而影響大氣的輻射特性。作為示例,圖1給出了幾種大氣模式對應(yīng)的天空輻射的影響。表1給出了這幾種大氣模式下中波段的輻射值。仿真條件為:6月20日中午12:00;無云晴朗天氣;無氣溶膠;輻射天頂角60°;探測高度50m。顯然,不同大氣模式對天空輻射的影響較大,是天空建模中必須考慮的因素。

圖1　不同大氣模式的天空輻射

大氣模式中緯度夏季中緯度冬季1976美國標準輻亮度/(W·m-2·sr-1)1.126×10-41.345×10-48.871×10-4

圖2給出了輻射天頂角、周向角以及經(jīng)緯度對天空輻射的影響,仿真條件為:1976美國標準大氣;無云晴朗天氣;無氣溶膠;高度50m。

圖2　天頂角、周向角、經(jīng)緯度的影響

根據(jù)圖2,輻射天頂角相同時,不同周向角和經(jīng)緯度的輻亮度曲線幾乎重合,不同周向角和經(jīng)緯度輻射曲線間的差值量級都為10-11。而天頂角的影響較大,圖2中兩組天頂角下的輻射曲線間的最小誤差均值為1.37×10-5W·m-2·sr-1。

圖3　不同日期和時刻的影響

日期是紅外仿真中常常需要設(shè)定的參數(shù)。圖3給出了不同日期和時刻下天空的輻射。圖3中,不同日期間輻射差值的量級為10-11,白天與晚上的輻射差值的量級為10-9。顯然,日期和時刻對天空輻射的影響較小。白天與晚上的輻射差異稍大,主要是由于晝夜溫差的影響造成。

氣溶膠和天氣情況也是紅外仿真中常常要考慮的環(huán)境因素。作為示例,表2和表3給出了不同類型氣溶膠和天氣條件下天空的輻射值。其中,大雨和特大雨的雨量分別為25mm/h和75mm/h。仿真條件為:中緯度夏季大氣;6月20日12:00;輻射天頂角60°;高度50m。

表2　氣溶膠影響

表3　氣象條件影響

根據(jù)表2和表3,氣溶膠和天氣條件對于天空輻射具有一定的影響。晴朗無云和無氣溶膠條件下的天空輻射最小。

由于地表對太陽光的反射、散射,以及對地表附近空域的升溫作用,地表對近地空域的天空成像存在影響[7]。表4給出了幾種地表條件下近地空域的天空輻射。仿真條件為:中緯度夏季大氣;6月20日12:00;晴朗無云天氣;天頂角90°;高度45m。由表4,地表反射對近地空域輻射值的影響不能忽略。

表4　地表的影響

在3D紅外場景仿真中,探測器和背景及目標之間并不真實存在大氣,天空是由映射在天空穹頂模型上的紋理表現(xiàn)的。顯然,天際線與視點連線的天頂角是天空輻射計算的臨界天頂角。當探測器高度變化時,由于視距變遠,天際線到視點的輻射路徑變長,天際線某點的灰度將發(fā)生變化,但其對應(yīng)的仍是天空穹頂上同一紋理坐標點。因此,探測器高度的變化將影響天空圖像天際線附近區(qū)域的灰度值。而臨界天頂角則是天空圖像生成時的下邊界參數(shù)。表5給出了探測器不同高度時的臨界天頂角及輻射值。仿真條件為:中緯度夏季大氣;6月20日12:00;晴朗天氣;海洋地表。

表5　探測器高度對輻射的影響

結(jié)論:在3D紅外視景的天空紅外建模中,應(yīng)該重點考慮的因素為大氣模式、天頂角、氣溶膠類型、氣象條件、地表材質(zhì)和探測器高度。周向角、經(jīng)緯度、日期和時刻等因素的影響較小。

2單幅天空背景紅外圖像生成方法

MODTRAN雖然可以較精確的計算天空輻射,但由于源代碼解析困難,將其整合到紅外仿真系統(tǒng)中比較困難。并且逐像素的計算每個探測器像元的接收輻射再生成紅外圖像將難以保證系統(tǒng)的實時性。根據(jù)紅外探測器焦平面像元的基本成像原理,提出了一種新的單幅天空紅外圖像的生成方法。

導(dǎo)引頭的焦平面成像原理如圖4所示。圖4中,θ是入射輻射的天頂角,只有在視場角范圍內(nèi)的直射輻射才能夠進入探測器像元。可以認為,每個像元對應(yīng)了一個探測器視場空間中的一個輻射點。

圖4　像元成像示意圖

根據(jù)第2節(jié)內(nèi)容,由于周向角對天空輻射影響不大,認為天空圖像的水平像素一致。單幅紅外天空圖像采用如下生成方法:

1)根據(jù)仿真條件,以一定的角度間隔計算多個入射天頂角對應(yīng)的入射輻射。

2)根據(jù)輻亮度與灰度的映射關(guān)系得到像素灰度值。

3)根據(jù)像元行數(shù)目在垂直方向上進行灰度插值計算,得到紅外圖像的列向量。

4)假設(shè)天空背景紅外圖像在水平方向上具有一致性,根據(jù)圖像尺寸需要,擴展列向量從而生成天空圖像矩陣。

由輻亮度映射灰度級如式(1)所示:

(1)

式中:Gmax和Gmin為紅外圖像中灰度上限和下限;Lmax和Lmin為紅外圖像中輻亮度最大值和最小值。這樣,像素的最終灰度值為:

(2)

3紅外天空的動態(tài)生成

在3D紅外視景仿真中,天空的紅外圖像作為紋理映射在3D天空穹頂模型上。因此,天空的動態(tài)效果由天空圖像的動態(tài)變化實現(xiàn)。基于導(dǎo)引頭的使用特點,在一次仿真中,可以認為大氣模式、氣溶膠、氣象條件等都是不變的。在一些應(yīng)用背景下,地表條件也可認為是固定的。在仿真過程中,天空紋理的動態(tài)更新主要由探測器的高度變化引起。

分別在不同大氣模式、氣溶膠類型、天氣、地表材質(zhì)和探測器高度條件下,計算天空的輻亮度,并建立天空輻射與天頂角的輪廓線,如圖5所示。基于該輪廓線和探測器視場角,根據(jù)第3節(jié)內(nèi)容,即可生成單幅天空紅外圖像。

圖5　天空輻射輪廓線

為在仿真系統(tǒng)中實現(xiàn)天空的紅外動態(tài)效果,構(gòu)建了天空輻射輪廓線數(shù)據(jù)庫。根據(jù)仿真條件的變化,通過查詢數(shù)據(jù)庫中的天空輻射數(shù)據(jù),動態(tài)生成并更新天空穹頂?shù)募t外紋理。數(shù)據(jù)庫由一個條件表(CLIST)和一個輻射值表(RLIST)組成,如圖6所示。

圖6　數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)通過大氣模式、氣溶膠類型、氣象和地表等條件,在CLIST表中得到唯一的條件編號標志。根據(jù)條件編號和探測器高度,在RLIST表中查找與真實高度值相鄰的兩個高度及其對應(yīng)的天空輻射輪廓線。最終得到的天空輻射由線性插值計算。

4實驗與分析

對基于文中方法開發(fā)的紅外天空軟件包進行時間效率分析。計算機配置為:IntelCore2 2.4GHz,2GB內(nèi)存。表6給出了MODTRAN逐像素計算法[7]和文中方法更新一次天空圖像所需的時間。由表6,文中方法可以滿足實時仿真要求。

表6　時間效率分析

圖7給出了文中方法生成的紅外天空紋理以及同條件下實拍紅外天空的對比。圖8中給出了像素行向量灰度均值與對應(yīng)的入射光天頂角的關(guān)系曲線。仿真條件為:中緯度夏季大氣;探測器的天頂角為82°。實拍時間為2014年8月1日上午10:00,圖像的灰度級為256級。

圖7　仿真與真實天空對比

由圖7,仿真天空圖像紋理與實拍紅外天空紋理在主觀上比較接近。兩幅紋理圖像灰度的絕對均方誤差為2.025,圖像灰度誤差較小。

圖8　像素灰度與入射光天頂角的關(guān)系

圖8中,圖像灰度隨天頂角變化的趨勢具有較高的一致性。圖中像素行向量灰度均值的平均誤差為1.761,仿真結(jié)果可信。

5結(jié)論

文中針對紅外導(dǎo)引頭3D視景仿真中需實時生成天空圖像的應(yīng)用背景,提出了一種中波段天空紅外圖像的實時生成方法。在分析并提出了紅外天空輻射計算的關(guān)鍵影響因素的基礎(chǔ)上,采用輻亮度插值和像素列向量擴展的方法生成天空圖像矩陣。采用天空輻射輪廓線數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)了動態(tài)紅外天空渲染。本方法算法簡單,實時性強,仿真結(jié)果可信,已用于導(dǎo)引頭紅外視景仿真項目的研制,并取得了良好的效果。

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*收稿日期:2015-04-01

作者簡介:王彥(1982-),男,湖北襄陽人,工程師,博士研究生,研究方向:紅外成像技術(shù)。

中圖分類號:TP79,P407

文獻標志碼:A

SkyIRImageGenerationinSceneSimulationofInfraredSeeker

WANGYan1,XIEXiaofang1,LIUJiaqi1,ZHAOWeihua2,PANGWei1

(1NavalAeronauticalandAstronauticalUniversity,ShandongYantai264001,China;2No.91960Unit,GuangdongShantou515000,China)

Abstract:For meeting the demand of generating IR sky image in real-time in 3D scene simulation of IR seeker, a method of generating IR sky image was proposed in this paper. Firstly, the key factors that affect sky radiation in IR simulation was analyzed by MODTRAN and IR radiation with different zeniths was calculated according to these factors. The IR sky image was created by method of interpolation to radiance of different zenith and expanding the column vector of IR image. The database of sky radiation profile was constructed to dynamically update sky image in simulation system. According to experiments, instantaneity of the method in this paper is good, and the result of simulation is credible.

Keywords:sky radiance; key factors; interpolation; radiance profile; database