CN106570253B - 一种实时天基红外视景仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种实时天基红外视景仿真方法，该方法通过仿真计算得到目标辐射强度数据、地球背景辐射强度数据和大气路径辐射强度数据，然后利用卫星传感器仿真模型将上述三种辐射强度数据映射为红外成像数据，可以实时模拟预警卫星探测系统的成像过程，输出目标、场景的红外辐射对应的灰度图像，便于对运载火箭、导弹、飞行器等红外目标特性，以及卫星探测性能进行评估。

Description

一种实时天基红外视景仿真方法

技术领域

本发明涉及航天图像处理技术领域，特别涉及一种实时天基红外视景仿真方法。

背景技术

红外视景仿真技术多应用于对敏感目标的红外辐射特性分析，以及针对红外探测系统的性能评估。其现有应用场景多为大气层内、局部地形、模拟工作在大气透过波段的红外导引头或侦察设备，而针对天基应用的场景为大气层外对地观测、全球地形、模拟工作在吸收波段的卫星传感器。应用场景的巨大差异使得现有技术手段难以满足天基应用需求。如从局部的平面地形扩展到全局的球面地形后，仿真场景中的物体不再处于同一时刻，环境温度随着经度、纬度、仿真时间而动态变化；传统适用于平面的大气辐射及传输模型不再适用，需定制开发适用于球面的大气辐射及传输模型。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种实时天基红外视景仿真方法，可以实时模拟预警卫星探测系统的成像过程，输出目标、场景的红外辐射对应的灰度图像，便于对运载火箭、导弹、飞行器等红外目标特性，以及卫星探测性能进行评估。

本发明的上述目的通过以下方案实现：

一种实时天基红外视景仿真方法，包括以下步骤：

(1)、构建大气红外传输仿真模型，仿真计算得到大气路径红外辐射强度数据和大气透过率；

(2)、计算在设定的仿真路径上观测到的目标红外辐射强度数据；其中，所述目标红外辐射强度数据包括尾焰红外辐射强度数据和本体红外辐射强度数据，具体计算方法如下：

(2a)、采用反演建模法，以设定的尾焰红外成像实测数据为输入数据源，根据得到实测数据的传感器的光学传递函数，以及实测路径和仿真路径上的大气透过率，计算得到在仿真路径上观测得到的尾焰红外辐射强度数据；

(2b)、根据设定的本体工作温度和本体材料特性参数，搭建目标本体红外辐射仿真模型，仿真计算得到本体红外辐射强度数据；

(3)、构建地球背景红外辐射特性仿真模型，仿真计算得到地球背景辐射强度数据；

(4)、构建卫星成像传感器仿真模型，计算目标红外辐射强度数据、大气路径红外辐射强度数据和地球背景辐射强度数据对应的红外成像数据。

上述的实时天基红外视景仿真方法，在步骤(1)中，构建大气红外传输仿真模型，仿真计算得到大气路径红外辐射强度数据和大气透过率，具体实现过程如下：

(1a)、构建大气红外传输仿真模型，并设定仿真条件集合；在所述仿真条件集合中包括若干组仿真条件，每组仿真条件包括仿真日期、仿真时间、观测路径、天气条件；

(1b)、在仿真条件集合设定的仿真条件下，对大气红外传输仿真模型进行遍历计算，得到各组仿真条件下的大气路径辐射特性数据和大气透过率。

上述的实时天基红外视景仿真方法，在步骤(3)中，地球背景辐射强度数据包括地表红外辐射强度数据、云层红外辐射强度数据、临边红外辐射强度数据和星空红外辐射强度数据，具体仿真计算过程如下：

建立三维地球几何模型，在所述几何模型中导入卫星云图和地表温度分布数据；然后设定各区块的地物类型，并根据地物类型设定各区块的辐射材料类型，得到地表背景子模型；对所述地表背景子模型进行仿真计算得到地表红外辐射强度数据；

在云层子模型中，基于云层的平均光学散射特性数据，通过求解云层体内以太阳为辐射源的单次散射或者多次散射的辐射传输方程，计算得到云层在不同观测角度下的红外辐射强度数据；

在临边子模型中，计算临边背景红外辐射几何观测关系，确定不同纬度、不同季节对应的大气辐射计算参数，将几何观测关系和对应的大气辐射计算参数代入MODTRAN大气辐射计算软件，得到不同纬度、季节在不同切向高度条件下的临边背景红外辐射强度数据；

在星空背景子模型中，基于LRS星表对天空中较亮的5425颗恒星进行观察与测量的结果记录，选取恒星位置、辐照度的有效数据信息，建立星空背景子模型，仿真计算得到星空红外辐射强度数据。

上述的实时天基红外视景仿真方法，在步骤(4)中，红外成像数据的具体计算过程如下：

(4a)、在卫星成像传感器仿真模型中设定卫星成像传感器的光学传递函数；

(4b)、接收外部设定的卫星轨道参数和姿态参数，以及卫星成像传感器的视场参数，确定所述卫星成像传感器的观测区域；

(4c)、读取观测区域内的目标红外辐射强度数据、大气路径红外辐射强度数据和地球背景辐射强度数据；

(4d)、根据卫星成像传感器的光学传递函数，对步骤(4c)中的目标红外辐射强度数据、大气路径红外辐射强度数据和地球背景辐射强度数据进行映射计算，得到相应的红外成像数据。

上述的实时天基红外视景仿真方法，在步骤(4a)中，根据卫星成像传感器的成像性能和成像系统噪声数据，设定所述卫星成像传感器的光学传递函数。

附图说明

图1为本发明的实时天基红外视景仿真方法的处理示意图；

图2为本发明中目标辐射强度数据计算示意图；

图3为本发明中地球背景辐射强度数据计算示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明作进一步详细的描述：

本发明提供了一种实时天基红外视景仿真方法，如图1所示，该方法通过仿真计算得到目标辐射强度数据、地球背景辐射强度数据和大气路径辐射强度数据，然后利用卫星传感器仿真模型将上述三种辐射强度数据映射为红外成像数据，可以实时模拟预警卫星探测系统的对运载火箭、导弹等飞行器进行红外成像的过程。

以下以天基预警卫星探测系统对运载火箭进行红外成像的过程为例，对本发明的实现过程进行说明。

(一)、大气红外传输效应的计算过程

运载火箭与地球背景的红外辐射在传输过程中，大气中的分子、粒子会对辐射产生吸收和散射等衰减效应；同时大气自身也在对外进行红外辐射。因此，本发明在红外成像计算过程中，通过构建大气红外传输仿真模型，仿真计算得到大气路径红外辐射强度数据和大气透过率，其中大气路径红外辐射强度数据用于模拟大气自身的红外辐射性能，而大气透过率用于模拟大气衰减效应。

本发明中，大气路径红外辐射强度数据和大气透过率的具体计算过程如下：

(1a)、构建大气红外传输仿真模型，并设定仿真条件集合；在所述仿真条件集合中包括若干组仿真条件，每组仿真条件包括仿真日期、仿真时间、观测路径、天气条件；

(1b)、在仿真条件集合设定的仿真条件下，对大气红外传输仿真模型进行遍历计算，得到各组仿真条件下的大气路径辐射特性数据和大气透过率。

在具体仿真实现时，可以采用大气辐射传输计算软件MODTRAN实现上述计算。在计算软件MODTRAN中具有大气红外传输仿真模型，而且可以在该软件中设定季节、时段、天气条件、距离和方向等仿真参数，通过这些参数的组合，可以形成仿真条件集合，然后对该仿真条件集合进行遍历仿真，就可以离线计算得到不同条件下的大气路径辐射特性数据和大气透过率。

(二)、目标红外辐射强度的计算过程

在该步骤中，需要对运载火箭发动机喷焰、空间冷目标红外辐射强度进行计算，仿真火箭发动机在不同飞行高度处喷焰的红外辐射特性，以及飞行中段的冷目标在光照、阴影条件下的红外辐射特性。

根据上述计算需求，如图2所示，本发明将运载火箭红外辐射强度数据划分为尾焰红外辐射强度数据和本体红外辐射强度数据，其中，尾焰红外辐射强度数据用于表征喷焰的红外辐射特性，而本体红外辐射强度数据用于表征飞行中段的冷目标在光照、阴影条件下的红外辐射特性。根据以上两种目标红外辐射强度数据的特点，本发明采用两种不同的计算方法，计算得到尾焰红外辐射强度数据和本体红外辐射强度数据。

本发明采用反演建模法，以尾焰红外成像实测数据为输入数据源，反演计算得到尾焰红外辐射强度数据。其中，如果尾焰红外成像实测数据由第一传感器通过第一观测路径得到，则可以根据第一传感器的光学传递函数、第一观测路径的大气透过率，以及待仿真的观测路径上的大气透过率，计算得到该仿真路径上的可以观测到的尾焰红外辐射强度数据。以上的尾焰红外成像实测数据可以在发射场近距离观测得到，也可以采用天基卫星红外传感器观测得到。

本发明采用仿真计算得到本体红外辐射强度数据，具体仿真计算过程如下：首先根据设定的本体工作温度和本体材料特性参数，搭建运载火箭本体红外辐射仿真模型，然后通过该仿真模型计算得到运载火箭的本体红外辐射强度数据。

在主动段以及主动段之前，运载火箭的红外辐射强度数据以尾焰红外辐射强度数据为主，而在主动段以后则可以仅考虑本体红外辐射强度数据。

(三)、地球背景辐射强度数据的计算过程

预警卫星探测系统所覆盖的范围包括了地球背景、临边背景、深空背景，而且运载火箭全程运动过程中投影到成像探测器的视场内，不同阶段图像中背景将涉及到地球大气云层和地物背景、临边背景和深空背景。因此，如图3所示，本发明将整个地球背景划分为四个层面：地表、云层、临边和星空。另外，由于每个层面几何形态和辐射散射场分布将存在明显区别，因此需要分别进行建模，即构建相应的地表背景子模型、云层子模型、临边子模型和星空背景子模型，用于仿真计算地表红外辐射强度数据、云层红外辐射强度数据、临边红外辐射强度数据和星空红外辐射强度数据。

以下分别对以上所述的四种子模型构建方法及红外辐射强度数据的计算进行说明：

(1)、地表背景子模型

建立三维地球几何模型，在所述几何模型中导入卫星云图和地表温度分布数据；然后设定各区块的地物类型，并根据地物类型设定各区块的辐射材料类型，得到地表背景子模型；对所述地表背景子模型进行仿真计算得到地表红外辐射强度数据。

(2)、云层子模型

基于云层的平均光学散射特性数据，通过求解云层体内以太阳为辐射源的单次散射或者多次散射的辐射传输方程，计算得到云层在不同观测角度下的红外辐射强度数据。

(3)、临边子模型

计算临边背景红外辐射几何观测关系，确定不同纬度、不同季节对应的大气辐射计算参数，将几何观测关系和对应的大气辐射计算参数代入MODTRAN大气辐射计算软件，得到不同纬度、季节在不同切向高度条件下的临边背景红外辐射。

(4)、星空背景子模型

基于LRS星表对天空中较亮的5425颗恒星进行观察与测量的结果记录，选取恒星位置、辐照度等有效数据信息，建立星空背景子模型。

(四)、卫星成像传感器的成像过程仿真

在该步骤中，对卫星成像传感器的成像过程进行仿真，即通过卫星成像传感器仿真模型，将三维观测区域内的红外辐射强度数据映射为二维灰度图像数据，具体实现过程如下：

(a)、根据卫星成像传感器的成像性能和成像系统噪声数据，设定卫星成像传感器的光学传递函数；

(b)、接收外部设定的卫星轨道参数和姿态参数，以及卫星成像传感器的视场参数，确定卫星成像传感器的观测区域；

(c)、读取观测区域内的目标红外辐射强度数据、大气路径红外辐射强度数据和地球背景辐射强度数据；

(d)、根据卫星成像传感器的光学传递函数，对步骤(c)中的目标红外辐射强度数据、大气路径红外辐射强度数据和地球背景辐射强度数据进行映射计算，得到相应的红外成像数据。

(五)、红外成像数据渲染

在具体工程实现时，可以将步骤(一)～(四)的计算过程在四个计算模块中实现，并将这四个计算模块集成在渲染引擎平台内，实现四个计算模块的并行计算和数据传递，最后输出红外成像数据对应的红外视景图像。

本发明以OSG(Open Scene Graph)渲染引擎为平台，采用基于GPU可编程渲染管线来加速不同像素的辐射方程的并行计算，可以实现多波段、多视角、多节点的仿真图像实时输出。

红外场景实时渲染是通过CPU与GPU合作实现的，其中CPU端主要负责数据的I/O与加载/释放，以及需要较高的交互性或灵活性的运动计算，而GPU端则利用glsl(openGLshader language)编写的顶点着色程序与片段着色程序，高并行地完成坐标与几何计算、辐射方程计算、大气与成像系统效应计算等工作。具体实现过程如下：

(1)、OSG渲染引擎启动后，载入地球、运载火箭的几何网格，以及目标辐射强度数据、地球背景辐射强度数据、大气路径辐射强度数据对应的运载火箭、地球、大气的红外纹理；

(2)、根据设定的卫星运动参数，实时计算并更新卫星成像传感器的位置和视轴指向，或是接收外部输入的卫星成像传感器的位置和视轴指向；同时根据外部输入的运载火箭的运动参数，实时计算并更新运载火箭的位置和姿态；

(3)、根据卫星成像传感器的位置、视轴指向、视场参数，确定卫星成像传感器的观测区域；并将该观测区域内的所有景象的位置与姿态数据传入GPU的顶点着色器；顶点着色器遍历整个观测区域，以顶点为单位进行目标顶点坐标、法线方向等数据从物体自身坐标系到世界坐标系的变换；

(4)、变换后的顶点流在GPU内自动进行图元装配、光栅化和插值等处理，连同纹理坐标等传入片段着色器；片段着色器同时还接收了卫星成像传感器与光源的相关信息；利用所传入的数据，在片段着色器中进行观察距离、光源距离、反射方向、各种夹角余弦等几何参数的计算；

(5)、以步骤(4)得到的计算结果为索引参数，对辐射方程物理量查找表纹理进行查找；部分运算简单的物理量则直接计算。最终获得如黑体辐亮度、太阳辐照度等物理量。以黑体辐亮度为例，片段程序首先根据红外纹理采样坐标对表面的红外物理纹理进行采样，从温度通道读取该片段对应的温度；再以为索引变量，对黑体辐亮度查找表纹理进行采样，即可获得辐射项；

(6)、根据观察距离、时间等相关参数，对该片段的辐射精度进行动态评估，决定实时计算时在保障辐射精度的前提下计算最简单的本征辐射方程；根据该辐射方程进行片段的辐亮度计算。

(7)、根据完整的红外成像全链路仿真需求，本征辐射亮度还会继续参与红外传输效应、红外反射散射效应等仿真模块的计算，生成该片段最终的辐亮度；

(8)、利用量化标尺，将辐亮度量化为8～24位的灰度值后赋值给R、G、B通道，将当前帧的灰度图像的输出到帧缓存对象中；

(9)、根据当前场景的时间和位置信息，读取导弹目标仿真模块预先生成的目标在传感器像面上的目标运动轨迹和辐亮度数据，利用相同的量化方式将目标叠加到帧缓存的背景中；

(10)、利用成像传感器模型建立的渐晕效应模型，MTF效应模型，噪声模型，虚拟样机模型等模型和仿真方法，利用片段处理器，为输出到帧缓存中的红外场景添加各类传感器效应；

(11)、若需继续仿真，则可返回第(2)步，循环渲染每帧图像，直至仿真结束。

以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种实时天基红外视景仿真方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)、构建大气红外传输仿真模型，仿真计算得到大气路径红外辐射强度数据和大气透过率；

(2)、计算在设定的仿真路径上观测到的目标红外辐射强度数据；其中，所述目标红外辐射强度数据包括尾焰红外辐射强度数据和本体红外辐射强度数据，具体计算方法如下：

(2a)、采用反演建模法，以设定的尾焰红外成像实测数据为输入数据源，根据得到实测数据的传感器的光学传递函数，以及实测路径和仿真路径上的大气透过率，计算得到在仿真路径上观测得到的尾焰红外辐射强度数据；

(2b)、根据设定的本体工作温度和本体材料特性参数，搭建目标本体红外辐射仿真模型，仿真计算得到本体红外辐射强度数据；

(3)、构建地球背景红外辐射特性仿真模型，仿真计算得到地球背景辐射强度数据；

(4)、构建卫星成像传感器仿真模型，计算目标红外辐射强度数据、大气路径红外辐射强度数据和地球背景辐射强度数据对应的红外成像数据；其中，红外成像数据的具体计算过程如下：

(4a)、在卫星成像传感器仿真模型中设定卫星成像传感器的光学传递函数；

(4b)、接收外部设定的卫星轨道参数和姿态参数，以及卫星成像传感器的视场参数，确定所述卫星成像传感器的观测区域；

(4c)、读取观测区域内的目标红外辐射强度数据、大气路径红外辐射强度数据和地球背景辐射强度数据；

(4d)、根据卫星成像传感器的光学传递函数，对步骤(4c)中的目标红外辐射强度数据、大气路径红外辐射强度数据和地球背景辐射强度数据进行映射计算，得到相应的红外成像数据。

2.根据权利要求1所述的一种实时天基红外视景仿真方法，其特征在于：在步骤(1)中，构建大气红外传输仿真模型，仿真计算得到大气路径红外辐射强度数据和大气透过率，具体实现过程如下：

(1a)、构建大气红外传输仿真模型，并设定仿真条件集合；在所述仿真条件集合中包括若干组仿真条件，每组仿真条件包括仿真日期、仿真时间、观测路径、天气条件；

(1b)、在仿真条件集合设定的仿真条件下，对大气红外传输仿真模型进行遍历计算，得到各组仿真条件下的大气路径辐射特性数据和大气透过率。

3.根据权利要求1所述的一种实时天基红外视景仿真方法，其特征在于：在步骤(3)中，地球背景辐射强度数据包括地表红外辐射强度数据、云层红外辐射强度数据、临边红外辐射强度数据和星空红外辐射强度数据，具体仿真计算过程如下：

建立三维地球几何模型，在所述几何模型中导入卫星云图和地表温度分布数据；然后设定各区块的地物类型，并根据地物类型设定各区块的辐射材料类型，得到地表背景子模型；对所述地表背景子模型进行仿真计算得到地表红外辐射强度数据；

在云层子模型中，基于云层的平均光学散射特性数据，通过求解云层体内以太阳为辐射源的单次散射或者多次散射的辐射传输方程，计算得到云层在不同观测角度下的红外辐射强度数据；

在临边子模型中，计算临边背景红外辐射几何观测关系，确定不同纬度、不同季节对应的大气辐射计算参数，将几何观测关系和对应的大气辐射计算参数代入MODTRAN大气辐射计算软件，得到不同纬度、季节在不同切向高度条件下的临边背景红外辐射强度数据；

在星空背景子模型中，基于LRS星表对天空中较亮的5425颗恒星进行观察与测量的结果记录，选取恒星位置、辐照度的有效数据信息，建立星空背景子模型，仿真计算得到星空红外辐射强度数据。

4.根据权利要求1所述的一种实时天基红外视景仿真方法，其特征在于：在步骤(4a)中，根据卫星成像传感器的成像性能和成像系统噪声数据，设定所述卫星成像传感器的光学传递函数。