红外导引头视景仿真中天空红外图像的生成*

王　彦,谢晓方,刘家祺,赵卫华,庞　威

(1　海军航空工程学院,山东烟台　264001;2　91960部队,广东汕头　515000)



红外导引头视景仿真中天空红外图像的生成*

王彦1,谢晓方1,刘家祺1,赵卫华2,庞威1

(1海军航空工程学院,山东烟台264001;291960部队,广东汕头515000)

摘要:针对红外导引头3D视景仿真中实时生成天空图像的应用需求,提出了一种天空红外图像的实时生成方法,具有一定的工程应用价值。首先使用MODTRAN分析并提出了红外仿真中影响天空红外辐射计算的关键因素。基于这些关键因素计算不同天顶角的天空辐亮度。采用辐亮度插值和图像列向量扩展的方法生成天空红外图像纹理。通过构建天空辐射轮廓线数据库在仿真系统中实现了红外天空图像的动态更新。实验表明,文中方法实时性强,仿真结果可信。

关键词:天空辐亮度;关键因素;插值计算;辐射轮廓线;数据库

0引言

天空背景仿真是红外导引头视景仿真中的重要组成部分。在三维场景建模中,天空场景大多通过建立天空红外图像实现[1]。天空红外图像生成的关键是大气红外辐射计算。天空的红外辐射主要包括:大气的路径辐射、热散射、地表反射、太阳散射等,因此天空红外图像生成是一项极为复杂的工作。Lvesque[2]采用射线跟踪法计算了不同天气下的红外天空图像,但计算量大,难以用于实时场景生成。刘世光等人[3]将天空视为黑体,开发了基于红外物理和硬件加速的天空红外实时生成模型,但天空黑体假设不够准确。

文中在分析并得到了影响天空红外辐射关键因素的基础上,提出了一种天空红外图像的动态生成方法。文中方法可应用于红外导引头三维视景仿真系统中天空图像的实时生成。

1天空红外建模的关键影响因素

大气红外辐射是红外天空图像生成的根本依据。大气模式、天气、经纬度、时间、气溶胶、探测器姿态因素等都可能对天空辐射造成影响[4]。三维红外场景仿真中,在对模型精度影响不大的前提下,尽量去除一些非关键的影响因素将有助于提高建模的效率和模型的实时性。本节基于MODTRAN[5],对以上影响天空辐射的因素进行了分析,并从中找出了天空红外计算中不可忽略的关键因素,为天空红外图像生成提供依据。文中研究对象为中波段(2 000～3 330cm-1)的红外天空。

大气模式对应了不同的季节、温度以及大气成分,进而影响大气的辐射特性。作为示例,图1给出了几种大气模式对应的天空辐射的影响。表1给出了这几种大气模式下中波段的辐射值。仿真条件为:6月20日中午12:00;无云晴朗天气;无气溶胶;辐射天顶角60°;探测高度50m。显然,不同大气模式对天空辐射的影响较大,是天空建模中必须考虑的因素。

图1　不同大气模式的天空辐射

大气模式中纬度夏季中纬度冬季1976美国标准辐亮度/(W·m-2·sr-1)1.126×10-41.345×10-48.871×10-4

图2给出了辐射天顶角、周向角以及经纬度对天空辐射的影响,仿真条件为:1976美国标准大气;无云晴朗天气;无气溶胶;高度50m。

图2　天顶角、周向角、经纬度的影响

根据图2,辐射天顶角相同时,不同周向角和经纬度的辐亮度曲线几乎重合,不同周向角和经纬度辐射曲线间的差值量级都为10-11。而天顶角的影响较大,图2中两组天顶角下的辐射曲线间的最小误差均值为1.37×10-5W·m-2·sr-1。

图3　不同日期和时刻的影响

日期是红外仿真中常常需要设定的参数。图3给出了不同日期和时刻下天空的辐射。图3中,不同日期间辐射差值的量级为10-11,白天与晚上的辐射差值的量级为10-9。显然,日期和时刻对天空辐射的影响较小。白天与晚上的辐射差异稍大,主要是由于昼夜温差的影响造成。

气溶胶和天气情况也是红外仿真中常常要考虑的环境因素。作为示例,表2和表3给出了不同类型气溶胶和天气条件下天空的辐射值。其中,大雨和特大雨的雨量分别为25mm/h和75mm/h。仿真条件为:中纬度夏季大气;6月20日12:00;辐射天顶角60°;高度50m。

表2　气溶胶影响

表3　气象条件影响

根据表2和表3,气溶胶和天气条件对于天空辐射具有一定的影响。晴朗无云和无气溶胶条件下的天空辐射最小。

由于地表对太阳光的反射、散射,以及对地表附近空域的升温作用,地表对近地空域的天空成像存在影响[7]。表4给出了几种地表条件下近地空域的天空辐射。仿真条件为:中纬度夏季大气;6月20日12:00;晴朗无云天气;天顶角90°;高度45m。由表4,地表反射对近地空域辐射值的影响不能忽略。

表4　地表的影响

在3D红外场景仿真中,探测器和背景及目标之间并不真实存在大气,天空是由映射在天空穹顶模型上的纹理表现的。显然,天际线与视点连线的天顶角是天空辐射计算的临界天顶角。当探测器高度变化时,由于视距变远,天际线到视点的辐射路径变长,天际线某点的灰度将发生变化,但其对应的仍是天空穹顶上同一纹理坐标点。因此,探测器高度的变化将影响天空图像天际线附近区域的灰度值。而临界天顶角则是天空图像生成时的下边界参数。表5给出了探测器不同高度时的临界天顶角及辐射值。仿真条件为:中纬度夏季大气;6月20日12:00;晴朗天气;海洋地表。

表5　探测器高度对辐射的影响

结论:在3D红外视景的天空红外建模中,应该重点考虑的因素为大气模式、天顶角、气溶胶类型、气象条件、地表材质和探测器高度。周向角、经纬度、日期和时刻等因素的影响较小。

2单幅天空背景红外图像生成方法

MODTRAN虽然可以较精确的计算天空辐射,但由于源代码解析困难,将其整合到红外仿真系统中比较困难。并且逐像素的计算每个探测器像元的接收辐射再生成红外图像将难以保证系统的实时性。根据红外探测器焦平面像元的基本成像原理,提出了一种新的单幅天空红外图像的生成方法。

导引头的焦平面成像原理如图4所示。图4中,θ是入射辐射的天顶角,只有在视场角范围内的直射辐射才能够进入探测器像元。可以认为,每个像元对应了一个探测器视场空间中的一个辐射点。

图4　像元成像示意图

根据第2节内容,由于周向角对天空辐射影响不大,认为天空图像的水平像素一致。单幅红外天空图像采用如下生成方法:

1)根据仿真条件,以一定的角度间隔计算多个入射天顶角对应的入射辐射。

2)根据辐亮度与灰度的映射关系得到像素灰度值。

3)根据像元行数目在垂直方向上进行灰度插值计算,得到红外图像的列向量。

4)假设天空背景红外图像在水平方向上具有一致性,根据图像尺寸需要,扩展列向量从而生成天空图像矩阵。

由辐亮度映射灰度级如式(1)所示:

(1)

式中:Gmax和Gmin为红外图像中灰度上限和下限;Lmax和Lmin为红外图像中辐亮度最大值和最小值。这样,像素的最终灰度值为:

(2)

3红外天空的动态生成

在3D红外视景仿真中,天空的红外图像作为纹理映射在3D天空穹顶模型上。因此,天空的动态效果由天空图像的动态变化实现。基于导引头的使用特点,在一次仿真中,可以认为大气模式、气溶胶、气象条件等都是不变的。在一些应用背景下,地表条件也可认为是固定的。在仿真过程中,天空纹理的动态更新主要由探测器的高度变化引起。

分别在不同大气模式、气溶胶类型、天气、地表材质和探测器高度条件下,计算天空的辐亮度,并建立天空辐射与天顶角的轮廓线,如图5所示。基于该轮廓线和探测器视场角,根据第3节内容,即可生成单幅天空红外图像。

图5　天空辐射轮廓线

为在仿真系统中实现天空的红外动态效果,构建了天空辐射轮廓线数据库。根据仿真条件的变化,通过查询数据库中的天空辐射数据,动态生成并更新天空穹顶的红外纹理。数据库由一个条件表(CLIST)和一个辐射值表(RLIST)组成,如图6所示。

图6　数据库结构

系统通过大气模式、气溶胶类型、气象和地表等条件,在CLIST表中得到唯一的条件编号标志。根据条件编号和探测器高度,在RLIST表中查找与真实高度值相邻的两个高度及其对应的天空辐射轮廓线。最终得到的天空辐射由线性插值计算。

4实验与分析

对基于文中方法开发的红外天空软件包进行时间效率分析。计算机配置为:IntelCore2 2.4GHz,2GB内存。表6给出了MODTRAN逐像素计算法[7]和文中方法更新一次天空图像所需的时间。由表6,文中方法可以满足实时仿真要求。

表6　时间效率分析

图7给出了文中方法生成的红外天空纹理以及同条件下实拍红外天空的对比。图8中给出了像素行向量灰度均值与对应的入射光天顶角的关系曲线。仿真条件为:中纬度夏季大气;探测器的天顶角为82°。实拍时间为2014年8月1日上午10:00,图像的灰度级为256级。

图7　仿真与真实天空对比

由图7,仿真天空图像纹理与实拍红外天空纹理在主观上比较接近。两幅纹理图像灰度的绝对均方误差为2.025,图像灰度误差较小。

图8　像素灰度与入射光天顶角的关系

图8中,图像灰度随天顶角变化的趋势具有较高的一致性。图中像素行向量灰度均值的平均误差为1.761,仿真结果可信。

5结论

文中针对红外导引头3D视景仿真中需实时生成天空图像的应用背景,提出了一种中波段天空红外图像的实时生成方法。在分析并提出了红外天空辐射计算的关键影响因素的基础上,采用辐亮度插值和像素列向量扩展的方法生成天空图像矩阵。采用天空辐射轮廓线数据库实现了动态红外天空渲染。本方法算法简单,实时性强,仿真结果可信,已用于导引头红外视景仿真项目的研制,并取得了良好的效果。

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[7]娄树理, 周晓东. 海洋战场环境下天空的红外图像生成研究 [J]. 激光与红外, 2011(2): 229-332.

*收稿日期:2015-04-01

作者简介:王彦(1982-),男,湖北襄阳人,工程师,博士研究生,研究方向:红外成像技术。

中图分类号:TP79,P407

文献标志码: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