基于大氣傳輸模型的動態(tài)目標紅外成像仿真

1基于大氣傳輸模型的動態(tài)目標紅外成像仿真張智豐,李向新,彭群生〔浙江大學CAD&CG國家重點實驗室杭州310027〕摘要：本文在建立目標熱模型的根底上，考慮了紅外輻射的大氣吸收模型，進而提出了在動態(tài)目標紅外仿真中大氣透射率的計算方法。利用計算機實現(xiàn)了汽車的三維造型，汽車外表紅外輻射的計算，大氣衰減量的計算，得到了經(jīng)過大氣衰減的紅外模擬熱像。關(guān)鍵詞：大氣傳輸；大氣透射率；紅外輻射；模擬熱像TheInfraredSignatureofaMovingTargetsBasedonAtmosphericPropagationModelingZhangZhifeng，LiXiangxin，PengQunsheng(CAD&CGStateKeyLab.ZhejiangUniversity,Hangzhou310027)AbstractBasedonthethermalmodelofatarget,theatmosphericpropagationmodelofinfraredradiationisdiscussedinthispaper.Then,themethodofcalculatingtheatmospherictransmissionrateispresented.Usingsolidmodelingtechniqueoncomputer,theinfraredradiation,thentheatmospherictransmissionrateofacariscalculated.Asaresult,theinfraredimageincludingatmospheretransmissionisobtained.Keywords:atmosphericpropagation,atmospherictransmissionrate,infraredradiation,simulatingthermalimage斑一、變引診言努紅外參成像忙仿真蝕是根瓶據(jù)目考標的賊紅外霞輻射摘特性雙，采觀用合脹適的緊數(shù)學鞭模型爭，用諷計算卸機算楊出紅視外目真標的炎熱輻黑射，茄然后什通過丹量化得等手棕段，醒將輻可射數(shù)獻據(jù)轉(zhuǎn)抱換為燃亮度匠來顯暑示的象一種叫技術(shù)唐。揮紅外飯成像延仿真蛾的理柴論研雜究及句其實倡現(xiàn)，舟具有批強烈忘的需菜求和躺應用繳背景成。由卷于它泡在軍掌事上妹的港個確贊修慎攝洲占請垂兄撤住敬梁異竟璃宅本文邪受國胳家自今然科桿學基振金項瘋目粘“殲動態(tài)賤目標縣的紅億外仿篩真模牌型與赴實時內(nèi)繪制旨技術(shù)現(xiàn)的研尿究壞〞遠的資齒助。符工程環(huán)編號桑：6馳98區(qū)73致03漠9青應用伍，目憑前已她成為倒國內(nèi)扮外有欲關(guān)研偏究機便構(gòu)的永重要狂研究筆課題綱。而價通過萍理論爬研究獸的方漁法，魄建立乳物體遼的紅詞外物夏理模詢型，昂得到腸物體西的模循擬熱添像，都將為罩紅外珍系統(tǒng)票的研還制提蜘供極坡為經(jīng)雷濟和銳有效導的手黨段。訂生成暗一幅喜與用原紅外劑探測妄器得絞到的葉信息鏡一致吐的模殼擬紅感外圖變像，獲涉及遵以下旋幾個埋步驟險：1閣〕由簽目標頁的物兆理模誘型計飾算目庭標的矛紅外竿輻射請分布質(zhì)，即掩所謂汁零視憑距的適輻射腸分布享；2量〕按絕照目犧標與激視點終間的父大氣乓條件酒，計摘算目印標紅井外輻舊射分喜布經(jīng)血過大由氣到膜達視維點過槳程中卸的衰巧減，薦即大誼氣衰范減；觀3〕彼模擬秘紅外鐵探測勵器的翁特性丑，做揀光電鼠轉(zhuǎn)換嘗仿真肯，生在成紅循外圖皇像。拉在目痰前的身工作躲中，枕僅考召慮第弱一步射驟的籮較多偶，對玩于第主三個診步驟眼，即囑傳感肉器的途模擬跪，一策般都就簡化腔成仿手真噪?yún)⒙暤撵o疊加伐。對無于第咬二個圖步驟堂，即侵紅外稿輻射迎分布皇的大眼氣衰郵減，悔討論伸得相躁對較量少。泊本文宮在考盛慮目禮標紅季外輻酷射分盯布計乏算的撒根底姥上，毅考慮猶了大炊氣傳尺輸?shù)南闼p敬，得疫到了羅較為織真實妨的仿輕真結(jié)瓦果。換二、盯目標稿的熱育模型椅本文設(shè)在具傳體討跡論中詳，以睛汽車艙的紅桑外成使像為寇例。仆汽車救的紅來外圖壞像是次由其狼外表伴溫度拾，幾膽何結(jié)鳴構(gòu)，輩汽車銅外表洋的性羞質(zhì)，腸大氣推條件和等因萍素決葉定。株對于輔行駛孟中的凱汽車柄來說榮，發(fā)屑動機描是它沸的重趟要內(nèi)成熱源漫，而聞從探洪測器拍測到怕的直泰接輻感射是丘來自乎于車農(nóng)輛外畏表的針，因華此，良先要行分析膜汽車礦的散鉤熱過寄程。住在分修析發(fā)功動機炊向汽買車表缸面的磁熱輻雀射時合，采取用面姿元分昨析是讓比擬啞適宜痕的?？貫榇藖G，我窩們將練汽車愛分為在車頂偵、底鞏盤兩另大部垮分，廚建立講汽車奮的熱撲模型艦。徑〔一民〕車般頂?shù)娜袩崮Ｒ娦屯馔獗韺α骺諝馓柟鈭D1面元的熱交換示意圖掌先分橋析車態(tài)頂與方環(huán)境端及車桿頂表醋面各誦局部葛之間虎的各亞種傳著熱過誰程。溫任取砌第畝個面珍元，誠其熱茂交換毛示意最圖如近圖1躲所示偉，其截中考洞慮熱酸輻射花和對先流兩擾種熱曠交換廢。輻落射部彩分主素要考扁慮了洽發(fā)動倘機表杏面對迎車頂燈外表謀的輻厘射傳軋熱和喬車頂腿外表除對環(huán)商境的膊輻射患。圖昨1中剝，面銹元面刺積為表，溫呼度為權(quán)，表罩面的屑紅外合發(fā)射劍率為死，際為入旱射到妹面元閑的能腦流密墳度，捎為由飽面元螺出射誓的能外外表對流空氣太陽光圖1面元的熱交換示意圖污同時露考慮辨內(nèi)外馬面元焦的輻堂射交賀換，位內(nèi)表孟面的瀉凈輻絡能流辱為稍鵲慮掘卵圓經(jīng)醬肚片引湊叮每閉箏凳團鎮(zhèn)〔1階〕闊式中澆為發(fā)邪動機親的表澆面溫勸度，俊是發(fā)失動機齡的表動面面沃積，鎖是發(fā)逗動機莫外表似到面芝元婚之間煩的幾已何形緒狀因偏子，旨為斯覆蒂芬裳—胃波爾級茲曼削常數(shù)阻。宇面元考外表錄面的過凈輻姓射為槽：螺虹鬧皆衛(wèi)擺臉尖辛注籠拐洋川臘天諒禍腳〔錘2〕闖為汽孩車所禁處位社置的佛環(huán)境達溫度濕。外填外表悶對流滴是指癥面元芽外表毀面與范空氣插的對奇流換欄熱，棋由牛影頓冷屑卻公瀉式可喂表示銜為：纖旅問羨螺堪朗幟步甜田抹甲殘存凳夠黎瘦嘴鑄壤來執(zhí)〔態(tài)3〕獸公式叨中的廢對流啟換熱警系數(shù)扣按文缺獻[誘5刷]給貪出的僚公式聽計算奶，即疊：織，耐為待步求的湊外表畢溫度濾；屑為環(huán)笑境氣膜流的良溫度略；胡為車躁輛行測駛速財度與歪風速初的矢乞量和騎；套為面胸元接懼受到顛的太詠陽輻紫射，頓本文慢取獎，盡為入惑射的階太陽豪輻射云能，屆其值惕基于洋經(jīng)驗買模型盼得到盾；閑是該乓面元供被直滋接照委射到流的面棕積；符是面既元法示向與倒太陽傘光方揚向的閉夾角灰；茂為太羊陽光虧吸收括率。謠綜合恭上面蒜的公塞式，塊可得振到面陜元在抓平衡閑狀態(tài)斷的能沖流平復衡方親程為泰：寺以南〔什4〕謠式中類的形元狀因五子突是一嘩個關(guān)抄于兩閉個表促面微嬌元的羞曲面往積分讓，計暖算較裕為復糧雜，怕本文咸采用跨將其蜘轉(zhuǎn)化懸為曲毛線積摧分的申方法狠，使品得問偏題得攏以解膽決。負〔二腐〕底袖盤的捕熱模匙型饅先把顆底盤罷外表晶面分快割成桿面片稈形式天，根摸據(jù)發(fā)龍動機萬的位步置，前可以違標識果出那士些與那發(fā)動貧機通引過金貼屬結(jié)漆構(gòu)件連相連蘭的面拉片，倦我們很首先毯計算賓這一竟局部懸面片尸的表川面溫鵝度。議對于晝其余良面片恐，那么堂通過佛熱擴憐散方億法來兄求得王其溫提度分腰布。愚對底僅盤面腸片進待行傳純熱分產(chǎn)析，售其熱猴交換址示意恥圖如牢圖2犁所示摸。分寨別考寸慮了載通過惡金屬事結(jié)構(gòu)漫件傳撿導的胞熱量罪，周國圍環(huán)聞境輻同射的辜能量袖，環(huán)泰境空孩氣的始對流搞換熱嫁，及顏其輻軌射到獄環(huán)境之中的壩熱量駝。暗在平疏衡態(tài)照下，左每一油個面挎片可掘以得處到如腎下的按能量岡平衡訂式：咬穗怎舉茫小紐別部盼罰謙腳址況筆別沙鹽及拳攝辱壁友泛〔5泥〕圖2，底盤面片的熱交換示意圖滅式中焰：森為周博圍環(huán)張境輻比射的艙熱量澇，如袋太陽收、地蘿面等恒的輻賭射。匙在本指文中愉僅考辜慮了洞太陽絞的輻鑼射，圖2，底盤面片的熱交換示意圖；毛為由挪發(fā)動琴機傳刮導而哨來的適熱量缸；渴為輻炎射到絡環(huán)境轎中的村熱量眠，嗽，斃是發(fā)稼射率辭；都為對傘流的性熱量須，，曬是對境流換悔熱因彈子；推為汽睜車所序處的拿環(huán)境翼溫度密；溝為底朱盤表宇面溫泥度。蒙對于忘通過對金屬眼結(jié)構(gòu)戲構(gòu)件匙傳導刻的熱師量，騙可以賄由傅決立葉犧定律毅求得愿：及織抽鋤勢姐咽謠揭著渣湊豈襲序遵旱屢槳趙擱顯信賓稈身伴〔6桐〕弄式中鳳，矩是發(fā)溝動機研的導去熱熱棗量，絕，慢是表灣面片半相對衛(wèi)于發(fā)怨動機降的有睛效面臨積；險為發(fā)襲動機蒙的溫錦度，販為為柜底盤默面片姜的溫同度。場為傳澤導熱躁阻。朋底盤誕面片撓相對桶于內(nèi)堪熱源略的等病效傳框?qū)嵯鹱铻閸{：中墓案廁流猾螞圓顧惜導壞崖咱豪紙捎毒赴繁茶影桶畜狀滋奔館體桐羽〔濁7〕糖腐決瘋吼浩贏茫板瓣事乞昆豈倆塞吉櫻受同抽雷嶼貝揚循撓狀堵湖樸〔8賺〕搬式中卻：嘩為表傻面片壩面積鼓；圓為表振面片廈相對溝于發(fā)芹動機段的有有效面檔積；支為內(nèi)盾熱源狠中心隔到表惕面片晨中心逆的距抖離；挖為表駕面片招法向書與發(fā)娘動機暢外表民法向輸?shù)膴A證角；彈為金鉛屬結(jié)蓬構(gòu)件首的導裳熱系惰數(shù)?？s由斯韻蒂芬林—背波爾叨茲曼線定律筋和熱船平衡練方程宮〔6?！常孜覀兏嗫梢砸m得出澇一個呆基于這內(nèi)熱歡源得吊導熱獄模型白：田上炮加〔9腳〕暫由于強實際昌目標液并不買是理貼想的婦黑體榨，而憑是灰何體，杜此時畜用喚表示農(nóng)目標珍的黑制度，坊它與播目標持外表疏材料御屬性驚有關(guān)宮。疤由〔軋9〕麗式即趙可確裝定與躬發(fā)動沃機通末過金拐屬結(jié)北構(gòu)件起相連另的表屢面片濫的溫雀度值階，然陣后它值們沿凈底盤敗外表嘉向周假設(shè)圍面吊片進誕行熱權(quán)擴散屈。檢三、彩紅外伸輻射幸的大爹氣吸類收模不型隊由文孤獻[貌2]琴可知險，在辨對紅菜外分屠子光構(gòu)譜的廁研究堆中，耀已經(jīng)騙測得敗多種漁分子息吸收洽〔發(fā)屋散〕絡光譜狹譜線梢和譜夫帶的李強度捎及波申數(shù)，象根據(jù)溉氣體巨分子跑吸收掌譜線列的波紹數(shù)和溫強度如，可崇以從澤理論暴上計今算大庭氣傳歡輸中顫氣體富分子羨對紅走外輻鉛射的駕吸收言。假費設(shè)以乖表示某波長漏，那么小功率是為熄的單宋色輻搜射在惰大氣辭中傳鵝輸時丙，因問氣體控分子慮的吸全收和綁散射牢導致孤衰減共，由暮于吸皮收和左散射冒對輻賀射衰少減的挖相對霞值都掌與輻左射所標通過腹的距蛙離馬成正敏比，底因此黎有：袍苗獨潛資炭嚇鍋糕午轉(zhuǎn)誦甜構(gòu)燭蟲霧手半〔1儀0〕篇其中鋒是大部氣的抹吸收爭系數(shù)攤，述是散幣射系標數(shù)，賞而惕稱為慌衰減到系數(shù)轟。淚餐脅將〔描10差〕積淚分，喚可得室謙旨京牙版塘霸錢黃卡沃近剪銅婚桌帳株述弄乘剃帖拳烘〔改11濤〕殲式中協(xié)，識是坑處的過輻射古功率培，而宅是輻吼射在借大氣魄中傳晴輸距泊離知后的爽功率罷。因醫(yī)此我塵們只禁要知吩道了氏大氣今的吸示收系夏數(shù)庭和散西射系練數(shù)鍛，就線可以漢計算宅紅外公輻射梯在大但氣中易傳輸托距離溝后的糾衰減業(yè)量。棋由〔構(gòu)11碗〕式色兩邊替同時瓶處以閉時的東輻射營功率已，那么儉可得擴〔轉(zhuǎn)12顏〕鍋稱為遮大氣啟的透診射率士，而呢和殲分別堅是在填波長埋為刑時，濱由大瑞氣吸臂收和居大氣掉散射罩所產(chǎn)端生的理透射顧率。卸不同船波長猴的紅雷外輻狡射在咐大氣逝中的宣透射少率有鋼很大什的差礙異，筒大氣送中對爐幾個其波段盾具有都較高召的透煩射率困。這躍些高秧透射事區(qū)通迅常稱魚為大仔氣窗擊口，慎目前遞在討團論紅枯外成舉像時軍，一瘦般討鎮(zhèn)論斗和正兩個殺紅外楊窗口退。妖透射環(huán)率除車了和席波長屆有關(guān)甲外，兆還和務季節(jié)妖、氣歌象條殲件有娛關(guān)。激許多銳研究鋤者把央氣象孔情況裙歸并往為六嚴種大彼氣模惡式，晌即標祥準大構(gòu)氣，挪熱帶均大氣遙，中將緯度拌夏季蜂大氣湊，中看緯度巖冬季債大氣悔，高宗緯度陪夏季依大氣泊，高姻緯度欲冬季絞大氣殊，以吉及兩濫種氣綁溶膠報模式描，即影“鍋晴朗燕〞同大氣爭和鞋“嗽霧融霾擠〞縱大氣蛙?？驮诠垒x算紅飲外系汽統(tǒng)的座性能虛指標藝時，夾為使停問題定進一豐步簡黎化，香常采筋用大徑氣窗鋒口通攝帶的蘋平均筆透射洞率來友進行攔計算歐，表燃1蹦~榮表3駱是中尼緯度小“雅晴朗挎〞咽大氣他的三學種計掏算結(jié)根果。鑒表1喘己水平畜路程挨的平驚均透躺射率無荷谷每公伴里平右均槽交嘆旱代遺尸透射專率〔材%〕規(guī)看歲裕窗口伯海拔趙高度舍〔搞km咸〕拋2.抽0~槍2.快5篩(薄)市3.街2~集5.五0載(瘡)監(jiān)8.聞0~掛13另.0束(訊)當0襯74隙.0蘋56悼.0石67堵.4嘆5瞇95陳.5劇78嶺.1虹96挖.6跑10麥99饞.5植85達.9撤98穩(wěn).8詠20掃10角0.待0倆92屑.5蔽98協(xié).7敬30漫10酒0.銀0麗97估.9裕99轎.6烏表2裙密垂直抱路程舞的平棚均透奶射率哈抖棗季尚馳平篩均透暮射率杏身窗特口般自海嚇平面碼椅煙柴潤〔%聰〕區(qū)閑張鞭起的美垂直雜距離嫩〔羊km悔〕避2.纖0~旱2.宇5癢(圈)墊3.移2~賓5.雜0海(藏)闊8.竹0~張13插.0撲(黃)腦5琴72驚.4刺49壤.1榮58鈴.0吧10腔7致0.桶7者48降.8兔53予.4釋20候69秋.4饑47充.5層52外.0幣30咳68初.2端44端.2浩49槍.4另表3碗古傾斜云路程要〔從西海平嗽面到雹10弄km順高度研〕的爽平均王透射遙率皮歷暢攜歸醋廈荷平均備透射籠率〔芹%〕攪宣窗口畫天頂漁角羨〔周°沙〕寺2.回0~捉2.碗5憶(涂)貿(mào)3.戰(zhàn)2~略5.苗0猛(為)斷8.傾0~緊13對.0陵(河)鴉0形70廢.7較48借.疫8芬53葛.4晌30嚇66紐.0浩46亡.3旋50殘.8轎45忘62辛.5敘40棚.2兩46睜.3蹄60遠53受.5隆34擊.6藏36買.0嫌85具17劇.6烤8.課1頃1.岸4午四、棋動態(tài)打目標棒的紅娃外輻懸射大懸氣吸牌收模蓄型呢按照斑前節(jié)樂討論址的模舟型，票大氣選的透航射率丸是波避長訓及視霜點至勸目標婦的距倘離投的函潛數(shù)，吼因此棕，對瘦于一撒個確候定的母紅外俱大氣化窗口陷，我校們可董以用魯下式漂來計描算該頁窗口四的透遣射率容，設(shè)檢大氣貝窗口距為常，那么胞該窗上口的滋透射控率為糊僚錫蜂次槽〔辜13論〕傲假設(shè)目研標的占紅外筋輻射著分布草為盤，那么丙在距腰目標撲為磁處的仰紅外專輻射訓為贈詢庸慧示撕箱霉村菜枕仗左滑朱密體腎閥就食催汽陰算桶〔廳14主〕業(yè)林街但公貿(mào)式〔殖13衡〕在指計算蛋時由某于滾的復郊雜性謠而使毯得積殺分不握易計孝算且薪費時緩。并褲且，覺此處怨的談是指忌視點黑至目然標的板距離四，但皇是實黨際上列在不貸同的妙海拔堪高度腎，大肉氣的勻透射浸率是列不同翅的，墻海拔顯越高征透射忠率越讀大。時例如虎，對輩于上誓節(jié)所碑給出厚的表糕1，皺我們?？梢孕皩Υ蟪獯疤J口膚8.趴0~燭13往.0傻描出酷如圖達3所鋒示的頑關(guān)系效，從孫圖中晃點的葉分布唐，我排們可醋以看響出隨賺著海理拔高佩度的源增加據(jù)，每這公里星的平籠均粗圖3功膏3.酬2~著5.帖0掛紅外類大氣胡窗口猾的每販公里概透射謠率與灰海拔欺高度侄的關(guān)勉系圖全才套糊戴奉誘訊橫戶坐標富h掘表示較海拔疊高度裳，縱穿坐標戴R言表示型透射向率。云透射喬率并宣不是碌線性茶地改摩變，斥其關(guān)引系比斧較復轟雜，氏但我璃們可狠以用解一個嬸二次恰函數(shù)墨來擬拔合這味些數(shù)賣據(jù)，泡得到旺如下芝的關(guān)鏟系式撲：忙涼碗史牛太干堪楚句享故找障籠〔1紗5〕璃或用蚊一個熟三次促函數(shù)防來擬冠合，撞得到貌如下戶的關(guān)增系式喚：當須漢挪拿包苦薪雜防笨(見16俗)海由〔勤15什〕或永〔1杯6〕針可計渠算得控到高應度為碑時，兵每公倉里距偷離的陸平均浸透射貴率〔憂%〕景。當榨視點近與目截標的括距離促為著米，之而目趨標與宿視點巧的高搬度不喘一致丹時，猴我們柴可以峽由視肆點與足目標泊的落哀差，斑計算北出每芹隔1峽米的酸平均登透射葡率，繭從而安用下靈式計納算出井總的靜透射淡率〔巨%〕案：儉者合施并盞誦款墾辱饅花顏優(yōu)箱捆昨非升玻隸襖縣后讓梳約〔撲17悅〕怖紛問類似市地，銅我們陰也可帳以得裂到3唐~5爽的計謹算公駛式。乘五、診模擬隨結(jié)果沒在計惡算了孤目標玩的紅代外輻缸射以愧后，追將得烤到的刃輻射掌數(shù)據(jù)幼按照銹將最蜂大的且輻射忍度對崇應于矩25紐5，監(jiān)最小配的輻滅射度捧對應固于0教的原版那么，翅將各開個數(shù)刊值的沫映射惱到0為~2悠55被間的輪顯示熄灰度背值，雅從而莊生成倡一個反灰度酬圖像拼，或綠將各抽個數(shù)掠量的累輻射畫度分濁別對燥應到今不同嗽色彩嚷，將桃紅外狠目標脊按照跡輻射痰度的寧不同坐顯示記為一鍵幅偽物彩色令圖。植本文皮用的賠是灰哀度圖孝。液圖4瞇是本懶文所椒用的遵汽車練模型推，在伐本文適中，漏汽車污行駛撇的時憶間是陵8月發(fā)1日疲上午殖10漿點至射12爆點；潮環(huán)境榆溫度倉設(shè)為塔；最舒大風莖速為嗚；風串向為握正南筍；汽犧車向昂正南秒方向旨行駛湊；導洋熱系比數(shù)炊為狀；黑亂度棋為緊。圖趴5至經(jīng)圖7哈是不卻考慮腔大氣曠衰減預時汽夢車的菌仿真蔬圖像鋪，其鋼中圖視5至虹圖7堅的發(fā)之動機江溫度曠分別接設(shè)為牽，蛋，潛；行側(cè)駛速諒度分達別為置，遭，輩；接莖收波咽段為格。圖姑8至咬圖1朋0是棗對應沉條件葵下經(jīng)川過耽水平熔路徑移的大澆氣衰桃減后擦得到太的圖胸像。六海拔煙高度坡假定圖為0辭，故楚從表堆1可徹得每霜公里焦的平斜均透身射率求約為炊67閉%，狗因此花經(jīng)過言5端km湖的衰糾減后嘗，紅朽外輻撈射量徑僅為本原來訓的1稈3館.5淹%，逼衰減處量是腐很大佳的，閑