CN106210567A - 一种红外目标辐射场计算方法 - Google Patents

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钱芸生
张瑜
范梦萍
徐华
吴宇婧
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Nanjing University of Science and Technology
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Nanjing University of Science and Technology
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N5/00—Details of television systems
    • H04N5/30—Transforming light or analogous information into electric information
    • H04N5/33—Transforming infrared radiation

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Abstract

本发明提供一种红外目标辐射场计算方法，包括以下步骤：获取目标零视距红外辐射亮度分布，获取目标反射的背景红外辐射亮度，获取目标总的红外辐射亮度及亮度分布，将接收的目标总的红外辐射亮度分布进行灰度量化，并通过灰度图的形式呈现。本发明不仅提高了计算红外目标辐射亮度分布的准确性和便捷性，还为红外成像系统评估测试提供了可靠的原始红外仿真图像。

Description

一种红外目标辐射场计算方法
技术领域
本发明涉及一种红外目标成像技术，特别是一种基于ANSYS和PCModWin的红外目标辐射场计算方法。
背景技术
红外成像系统仿真中，计算到达红外探测器的辐射亮度分布，涉及以下几个步骤：(1)由目标的物理特征计算目标的红外辐射分布，即目标零视距红外辐射模型；(2)由太阳、天空、地面辐射理论模型，计算入射到目标表面的背景辐射，即背景红外辐射模型；(3)按照目标与视点间的大气条件，计算目标红外辐射分布经过大气到达视点过程中的衰减，即大气红外传输特性模型。在目前的工作中，由于大气成分的复杂性、目标自身红外辐射分布计算的困难性以及背景红外辐射随环境变化的不可控性，对目标红外辐射特性模型的建立造成很大的困难，使得目标红外成像仿真的真实性受到了很大的干扰。
发明内容
本发明的目的在于提供一种红外目标辐射场计算方法，包括以下步骤：
获取目标零视距红外辐射亮度分布，
获取目标反射的背景红外辐射亮度，
获取目标总的红外辐射亮度及亮度分布，并将各亮度值进行灰度量化转换为不同灰度值，最终通过灰度图的形式呈现。
采用上述方法，所述目标零视距红外辐射亮度通过下述步骤获取：建立被测目标3D模型，对模型利用ANSYS有限元分析软件获取目标模型温度场分布，根据普朗克公式将温度场转化为辐射场，得到目标零视距红外辐射亮度分布。
采用上述方法，所述目标反射的背景红外辐射亮度通过下述步骤获取：以太阳、天空和地面的辐射特性理论为依据，基于VS2012编程获取背景红外辐射亮度，背景红外辐射亮度与目标自身反射率相乘获得目标反射的背景红外辐射亮度。
采用上述方法，所述目标总的红外辐射亮度为：
Lsensor＝τatm×(Lthermal+Lbackground)+Lpath
其中，Lthermal为目标零视距红外辐射亮度，Lbackground为目标反射的背景红外辐射亮度，τatm为大气红外传输透过率，Lpath为大气红外传输程辐射，其中τatm和Lpath通过PCModWin软件获取。
采用上述方法，将各亮度值转换为不同灰度值的过程为：
设置灰度的上下限Gmax、Gmin，
获取每帧图像的最大辐射亮度值和最小辐射亮度值Rmax、Rmin，
获取每级灰度对应的辐射间隔Grange＝Gmax-Gmin，
获取各辐射亮度值对应的量化灰度级
本发明利用ANSYS软件计算温度场分布的目标零视距红外辐射特性模型、基于VS2012软件编程环境计算目标反射的背景红外辐射亮度的背景红外辐射特性模型和调用PCModWin软件实时计算大气红外传输透过率和程辐射的大气红外传输特性模型，更准确、便捷的模拟红外目标辐射特性，生成置信度更高的红外仿真图像。
下面结合说明书附图对本发明做进一步描述。
附图说明
图1为本发明实施例中目标(坦克)零视距红外辐射特性模型示意图。
图2为本发明实施例中背景红外辐射特性模型示意图。
图3为本发明实施例中大气红外传输特性模型示意图。
图4为本发明实施例中目标(坦克)红外仿真灰度图。
图5是本发明的方法流程图。
具体实施方式
本发明中涉及的ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析(FEA)软件，是世界范围内增长最快的计算机辅助工程(CAE)软件，能与多数计算机辅助设计(CAD，computerAided design)软件接口，实现数据的共享和交换，如Creo、NASTRAN、Alogor、I－DEAS、AutoCAD等，是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。
PCModWin软件是一种获取大气传输模型软件，是由美国空军菲利普斯实验室在以LOWTRAN模式系列为基础而发展的Windows环境下运行的程序包，包含LOWTRAN等低分辨率和MODTRAN中等分辨率辐射模式，可以进行大气投射比、辐射传输计算等。
VS2012即Visual Studio 2012，是微软公司推出的开发环境，是Windows平台应用程序开发环境。
结合图5，一种红外目标辐射场计算方法，包括以下步骤：
S1：建立目标零视距红外辐射特性模型获取目标零视距红外辐射亮度分布；
S2：建立背景红外辐射特性模型获取目标反射的背景红外辐射亮度；
S3：建立大气红外传输特性模型获取大气红外传输透过率和大气红外传输程辐射；
S4：根据上述亮度和大气红外传输透过率、大气红外传输程辐射，获取目标总的红外辐射亮度及亮度分布；
S5：并将各亮度值转换为不同灰度值，将接收的目标总的红外辐射亮度分布进行灰度量化，并通过灰度图的形式呈现。
对于S1，基于VS2012软件编程环境，通过OpenGL图形接口建立目标3D模型，利用ANSYS软件对目标3D模型进行有限元热分析，在工程误差允许条件下，对目标3D模型进行简化，求解目标温度场分布，根据普朗克公式计算目标零视距红外辐射亮度分布，如图1所示。
对于S2，基于VS2012编程环境，分析太阳、天空和地面的辐射特性理论，建立背景红外辐射特性模型，完成计算不同时间、地点条件下的太阳、天空和地面的辐射亮度，并根据目标自身反射率求得目标反射的背景红外辐射亮度，如图2所示。参考《基于气象学和传热学的城市建筑物红外成象模型》一文作者：王章野、陆艳青、彭群生、江照意、朱华；刊于《系统仿真学报》，2000年9月版。
对于S3，基于VS2012软件编程环境，利用MFC框架编程实现PCModWin与目标模型的接口，完成PCModWin软件的调用，实时计算大气红外传输透过率和程辐射，读取并显示文件的存储结果，如图3所示。
对于S4，红外探测器接收到总的红外辐射亮度计算公式如下：
Lsensor＝τatm×(Lthermal+Lbackground)+Lpath
其中，Lthermal为目标零视距红外辐射亮度，Lbackground为目标反射的背景红外辐射亮度，τatm为大气红外传输透过率，Lpath为大气红外传输程辐射。
对于S5，具体过程如下：
步骤S501，设置灰度的上下限Gmax、Gmin；
步骤S502，获取每帧图像的最大辐射亮度值和最小辐射亮度值Rmax、Rmin；
步骤S503，确定灰度范围Grange＝Gmax-Gmin；
步骤S504，获取每级灰度对应的辐射间隔
步骤S505，获取各辐射亮度值对应的量化灰度级
步骤S506，按照上述辐射亮度-灰度转换公式，将红外探测器接收的辐射亮度分布进行灰度量化，最终将结果以灰度图的形式呈现，如图4所示。

Claims (7)

1.一种红外目标辐射场计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取目标零视距红外辐射亮度分布，
获取目标反射的背景红外辐射亮度，
获取目标总的红外辐射亮度及亮度分布，并将各亮度值转换为不同灰度值，将接收的目标总的红外辐射亮度分布进行灰度量化，并通过灰度图的形式呈现。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标零视距红外辐射亮度通过下述步骤获取：
建立被测目标3D模型，
对模型进行有限元稳态热分析获取目标模型温度场分布，
根据普朗克公式将温度场转化为辐射场，得到目标零视距红外辐射亮度分布。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标反射的背景红外辐射亮度通过下述步骤获取：
以太阳、天空和地面的辐射特性理论为依据，基于VS2012编程获取目标背景红外辐射亮度，
目标背景红外辐射亮度与目标自身反射率相乘获得目标反射的背景红外辐射亮度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标总的红外辐射亮度为：
Lsensor＝τatm×(Lthermal+Lbackground)+Lpath
其中，Lthermal为目标零视距红外辐射亮度，Lbackground为目标反射的背景红外辐射亮度，τatm为大气红外传输透过率，Lpath为大气红外传输程辐射。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将各亮度值转换为不同灰度值的过程为：
设置灰度的上下限Gmax、Gmin，
获取每帧图像的最大辐射亮度值和最小辐射亮度值Rmax、Rmin，
获取每级灰度对应的辐射间隔Grange＝Gmax-Gmin，
获取各辐射亮度值对应的量化灰度级
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，利用ANSYS有限元分析软件获取目标模型温度场分布。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，τatm和Lpath通过PCModWin软件获取。
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