CN111829666B - 一种目标红外成像仿真模型的四级验证方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种目标红外成像仿真模型的四级验证方法。其特征在于：分别对应红外成像仿真过程的四个阶段，将各阶段模型的输出数据与实测数据进行对比，确定该阶段模型的准确性；采用的测量工具分别为：目标表面温度场模型验证环节采用气象测量装置和高精度多节点测温装置，零视距辐出度模型验证环节采用光谱辐射计，大气传输模型验证环节采用红外热像仪，验证方法包括：表面温度场模型的验证、零视距辐出度模型的验证、红外成像器模型的验证、大气传输模型的验证、将各特征点位经过大气传输后的辐射能量仿真数据与辐射能量实测数据进行比对，计算大气传输模型的误差。同现有技术相比，采用测量装置进行外场实验对红外成像仿真模型的整体或者某单一环节的精度进行验证，易于准确定位并确定误差来源，导致无法进行有效的模型优化。
Description
技术领域
本发明属于红外成像仿真技术领域，涉及一种目标红外成像仿真模型的验证方法，特别涉及一种目标红外成像仿真模型的四级验证方法。
背景技术
近年来，随着相关理论方法和技术手段的迅速发展，红外辐射成像技术正在许多领域得到越来越重要的应用，如民用领域的红外监控、高温预警、火灾防控、有害物检测和医疗辅助等应用，军事领域的红外制导、红外侦察、红外夜视、红外监视、红外隐身和伪装等应用。
红外辐射成像技术通过红外热像仪或红外相机来获取目标及其周边背景的红外辐射能量，将辐射能量转换成电信号，经过一系列信号处理后输出为红外图像。基于这种红外波段的成像原理，红外辐射成像技术在夜间也能正常应用，具有抗干扰能力强、探测距离远和全天候的优点。
随着计算机仿真技术的发展，红外成像仿真技术可以用于模拟生成目标与背景在不同的红外波段、观测距离和天气条件下的各类红外图像，有效节省时间、人力物力。红外成像仿真技术首先生成目标及其周围环境的温度场，而后计算其零视距辐出度，接着考虑大气传输衰减，计算到达红外成像器的红外辐射能量，最终通过红外成像器模型模拟生成目标在周围环境下的红外图像。
这种红外成像仿真技术生成红外图像的过程，包括四个环节：目标的表面温度场仿真、零视距辐出度仿真、大气传输仿真和红外成像器仿真。上述过程涉及到表面温度场模型、零视距辐出度模型、大气传输模型和红外成像器模型四类模型，任一模型的误差都会影响红外成像仿真的精度，导致最终仿真生成的红外图像与真实的红外图像存在偏差。
近年来，相关学者针对红外成像仿真模型的精度验证问题开展了一系列的研究，取得了一定进展。2012年武汉理工大学计算机学院的胡海鹤等在《光学学报》上发表论文《零视距地物长波红外特征场景仿真研究》，对零视距辐出度模型进行了仿真，并完成了精度验证；2016年中国人民解放军海军航空工程学院的娄树理等申请了专利《一种红外成像传感器典型效应仿真的验证方法》，针对红外成像器模型的精度验证问题，提出了基于全参考图像质量评价的验证方法；2017年上海机电工程研究所的洪泽华等申请了专利《一种基于小子样的红外目标辐射特性仿真模型校核验证方法》，针对红外成像仿真模型的整体精度问题，提出了基于小子样的模型精度校核验证方法；2018年中国科学院安徽光学精密机械研究所的提汝芳等在《红外与激光工程》上发表论文《近地面水平方向大气偏振辐射传输仿真与验证》，针对大气传输模型的精度验证问题，提出了基于偏振测量装置的外场实测大气传输数据的验证方法；2019年保定天威保变电气股份有限公司的武卫革等申请了专利《一种验证变压器温度场仿真计算的实验装置及方法》，针对温度场模型的精度验证问题，提出了温度场模型的验证装置和验证方法。
上述现有技术，普遍存在的缺陷在于，采用测量装置进行外场实验对红外成像仿真模型的整体或者某单一环节的精度进行验证，难以准确定位并确定误差来源，导致无法进行有效的模型优化。
发明内容
针对上述现有技术普遍存在的问题，本发明的目的在于，从目标红外成像的过程中所涉及的目标表面温度场、零视距辐出度、大气传输衰减和红外成像器成像四个阶段出发，提供一种红外成像仿真模型的四级验证方法。
现将本发明的构思及技术解决方案叙述如下：
本发明的基本构思是，根据目标红外成像的过程中所涉及的目标表面温度场、零视距辐出度、大气传输衰减和红外成像器成像四个阶段，分四级对模型的准确性和精度进行验证。将实测数据与各级模型的输出结果进行比对，定量确定各级模型的偏差。比对结果可用于模型的校准，从而提高目标红外成像仿真模型的成像准确性和精度。
本发明一种目标红外成像仿真模型的四级验证方法，其特征在于：分别对应红外成像仿真过程的四个阶段，将各阶段模型的输出数据与实测数据进行对比，确定该阶段模型的准确性；四级模型验证方法各阶段所采用的测量工具分别为：目标表面温度场模型验证环节采用气象测量装置和高精度多节点测温装置，零视距辐出度模型验证环节采用光谱辐射计，大气传输模型验证环节采用红外热像仪，红外成像器模型验证环节采用红外热像仪。
具体步骤如下：
步骤1：采用气象测量装置测量目标及背景所在区域的环境气象参数，将其输入到目标表面温度场模型中，得到表面温度场仿真数据；同时，采用高精度多节点测温装置测量目标表面各特征点位处的表面温度数据；将各节点测量的表面温度场数据与相应点位的表面温度场仿真数据进行比对，计算表面温度场模型的误差，实现对表面温度场模型的验证；
所述环境气象参数是指目标表面温度场模型中所需要的各类气象参数，通常包括环境温度、湿度、风速、风向、太阳辐射；
步骤2：将各节点测量的表面场温度数据输入到零视距辐出度模型中，得到零视距辐出度仿真数据；同时，采用光谱辐射计测量各特征点位处的表面辐射能量数据；将测量的各特征点位表面辐射能量数据与相应点位的零视距辐出度仿真数据进行比对，计算零视距辐出度模型的误差，实现对零视距辐出度模型的验证；
步骤3：将光谱辐射计测量的各特征点位表面辐射能量数据输入到红外成像器模型中，设定为近距离条件，得到各特征点位的红外成像仿真数据；同时，采用红外热像仪近距离拍摄获取各特征点位的实拍红外图像数据；将近距离条件下各特征点位的实拍红外图像数据与红外成像仿真数据进行比对，计算红外成像器模型的误差，实现对红外成像器模型的验证；
步骤4：将红外热像仪拍摄的各特征点位的实拍红外图像数据与光谱辐射计测量的各特征点位表面辐射能量数据进行比对，计算实拍红外图像的灰度值与辐射能量的对应关系；
步骤5：将光谱辐射计测量的各特征点位表面辐射能量数据输入到大气传输模型中，设定传输距离，得到各特征点位经过大气传输后的辐射能量仿真数据；通过架设在所设定传输距离处的红外热像仪拍摄获取红外图像，提取实拍红外图像的灰度值，获取各特征点位经过大气传输后的辐射能量实测数据；将各特征点位经过大气传输后的辐射能量仿真数据与辐射能量实测数据进行比对，计算大气传输模型的误差，实现对大气传输模型的验证。
附图说明
图1：目标红外成像仿真模型的四级验证方法基本流程；
图2：气象测量装置、高精度多节点测温装置的数据传输方法；
图3：光谱辐射计、红外热像仪架设示意图。
具体实施方式
现结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细的描述。
如图1所示，本发明通过气象测量装置、高精度多节点测温装置、光谱辐射计和红外热像仪作为主要工具来完成红外成像仿真模型的四级验证过程，为减少各装置本身的系统误差可能造成的影响，需提前对各装置校准。可以但不限于采用恒温浴箱对高精度多节点测温装置进行校准，可以但不限于通过标准黑体对光谱辐射计和红外热像仪进行校准。
各装置校准完成后，本发明的具体实施通过以下步骤逐步完成。
步骤1：表面温度场模型的验证。
(1)气象测量装置、高精度多节点测温装置的测试数据传输方法如图2所示，将气象测量装置放置到目标附近，测量红外成像仿真所需的环境气象参数，并能够通过有线传输方式传输数据；
(2)高精度多节点测温装置由多个高精度测温节点组成，各高精度测温节点分别安装于目标表面的各个特征点位，同时内置无线模块，高精度测温节点测量的相应点位的表面温度场数据能够通过无线传输方式传输数据；
(3)测试主机具有有线传输数据接收能力和无线传输数据接收能力，测试主机中安装有待验证的目标表面温度场模型；
(4)通过测试主机来接收上述环境气象参数和各个特征点位的表面温度场数据，其中环境气象参数通过有线方式传输到测试主机，表面温度场数据通过无线方式传输到测试主机；
(5)将测试主机接收到的环境气象参数输入到目标表面温度场模型中，得到目标表面温度场仿真数据；
(6)将测试主机通过无线方式接收到的各高精度测温节点测得的表面温度场数据与相应点位的表面温度场仿真数据进行比对，计算表面温度场模型的误差，完成表面温度场模型的验证。
步骤2：零视距辐出度模型的验证。
(1)如图3所示，将光谱辐射计放置于与目标较近的间距h1处，h1的选择方式是满足光谱辐射计能够观察到整个目标条件下使光谱辐射计尽可能靠近目标，间距的少量变化不影响模型的验证效果；
(2)通过光谱辐射计测量目标的零视距辐出度，得到间距h1处的辐射能量实测数据，由于间距h1很小，可以近似为实际的零视距辐出度；
(3)将步骤1测试主机接收到的各特征点位处的表面温度场数据输入到目标红外成像仿真的零视距辐出度模型中，得到零视距辐出度仿真数据；
(4)将间距h1处的辐射能量实测数据与相应点位的零视距辐出度仿真数据进行比对，计算零视距辐出度模型的误差，完成零视距辐出度模型的验证。
步骤3：红外成像器模型的验证。
(1)将红外热像仪放置于与目标间距h1处，如图3所示；
(2)通过红外热像仪拍摄目标的红外图像，得到目标的近距离红外图像实拍数据；
(3)将步骤2中间距h1处的辐射能量实测数据输入到红外成像器模型中，得到红外成像仿真数据；
(4)将目标各点位的近距离红外图像实拍数据与红外成像仿真数据进行比对，计算红外成像器模型的误差，完成对红外成像器模型的验证。
步骤4：大气传输模型的验证。
(1)将步骤3中目标的近距离红外图像实拍数据进行灰度值提取，并与步骤2中间距h1处的辐射能量实测数据进行比对，计算红外热像仪的图像灰度值与辐射能量大小的对应关系；
(2)将红外热像仪根据实际应用需要放置于与目标间距h2处，如图3所示。由于实际应用中通常h2很远，必须考虑大气传输衰减；
(3)通过红外热像仪拍摄间距h2的目标的红外图像，得到目标红外图像实拍数据；
(4)根据步骤4(1)得到的红外热像仪的图像灰度值与辐射能量大小的对应关系，得到各特征点位的辐射能量经过大气传输后的辐射能量实测数据；
(5)将步骤2中间距h1处的辐射能量实测数据输入到目标红外成像仿真的大气传输模型中，设定传输距离h2，得到各特征点位的辐射能量经过大气传输后的辐射能量仿真数据；
(6)将各特征点位经过大气传输后的辐射能量仿真数据与经过大气传输后的辐射能量实测数据进行比对，计算大气传输模型的误差，完成对大气传输模型的验证。
Claims (6)
1.一种目标红外成像仿真模型的四级验证方法，其特征在于：分别对应红外成像仿真过程的四个阶段，将各阶段模型的输出数据与实测数据进行对比，确定该阶段模型的准确性；四级模型验证方法各阶段所采用的测量工具分别为：目标表面温度场模型验证环节采用气象测量装置和高精度多节点测温装置，零视距辐出度模型验证环节采用光谱辐射计，大气传输模型验证环节采用红外热像仪，红外成像器模型验证环节采用红外热像仪，包括：
步骤1：表面温度场模型的验证；
步骤2：零视距辐出度模型的验证；
步骤3：红外成像器模型的验证；
步骤4：大气传输模型的验证；
步骤5：将各特征点位经过大气传输后的辐射能量仿真数据与辐射能量实测数据进行比对，计算大气传输模型的误差。
2.根据权利要求1所述的一种目标红外成像仿真模型的四级验证方法，其特征在于：步骤1中所述的“表面温度场模型的验证”是采用气象测量装置测量目标及背景所在区域的环境气象参数，将其输入到目标表面温度场模型中，得到表面温度场仿真数据；同时，采用高精度多节点测温装置测量目标表面各特征点位处的表面温度数据；将各节点测量的表面温度场数据与相应点位的表面温度场仿真数据进行比对，计算表面温度场模型的误差，实现对表面温度场模型的验证；所述环境气象参数是指目标表面温度场模型中所需要的各类气象参数，包括环境温度、湿度、风速、风向、太阳辐射。
3.根据权利要求1所述的一种目标红外成像仿真模型的四级验证方法，其特征在于：步骤2中所述的“零视距辐出度模型的验证”是将各节点测量的表面场温度数据输入到零视距辐出度模型中，得到零视距辐出度仿真数据；同时，采用光谱辐射计测量各特征点位处的表面辐射能量数据；将测量的各特征点位表面辐射能量数据与相应点位的零视距辐出度仿真数据进行比对，计算零视距辐出度模型的误差，实现对零视距辐出度模型的验证。
4.根据权利要求1所述的一种目标红外成像仿真模型的四级验证方法，其特征在于：步骤3中所述的“红外成像器模型的验证”是将光谱辐射计测量的各特征点位表面辐射能量数据输入到红外成像器模型中，设定为近距离条件，得到各特征点位的红外成像仿真数据；同时，采用红外热像仪近距离拍摄获取各特征点位的实拍红外图像数据；将近距离条件下各特征点位的实拍红外图像数据与红外成像仿真数据进行比对，计算红外成像器模型的误差，实现对红外成像器模型的验证。
5.根据权利要求1所述的一种目标红外成像仿真模型的四级验证方法，其特征在于：步骤4中所述的“大气传输模型的验证”是将红外热像仪拍摄的各特征点位的实拍红外图像数据与光谱辐射计测量的各特征点位表面辐射能量数据进行比对，计算实拍红外图像的灰度值与辐射能量的对应关系。
6.根据权利要求1所述的一种目标红外成像仿真模型的四级验证方法，其特征在于：步骤5中所述的“计算大气传输模型的误差”是将光谱辐射计测量的各特征点位表面辐射能量数据输入到大气传输模型中，设定传输距离，得到各特征点位经过大气传输后的辐射能量仿真数据；通过架设在所设定传输距离处的红外热像仪拍摄获取红外图像，提取实拍红外图像的灰度值，获取各特征点位经过大气传输后的辐射能量实测数据；将各特征点位经过大气传输后的辐射能量仿真数据与辐射能量实测数据进行比对，计算大气传输模型的误差，实现对大气传输模型的验证。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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