CN114692368A - 一种飞机尾焰红外图像光线跟踪优化仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种飞机尾焰红外图像光线跟踪优化仿真方法。步骤一、首先在某一像素区域内进行随机位置采样，确定需要计算尾焰出射辐射亮度的视线方向；步骤二、沿确定的视线方向进行跟踪，确定视线与飞机尾焰的相交位置，并随机采样视线与尾焰的相交路径深度，计算采样视线路径的辐射亮度贡献；步骤三、对步骤二得到的采样视线路径辐射亮度贡献进行蒙特卡洛积分，计算出整个视线方向的飞机尾焰出射辐射亮度；步骤四、重复步骤一到三，通过蒙特卡洛积分计算出每个像素对应的平均辐射亮度，生成飞机尾焰红外图像。本发明针对飞机尾焰发射能力强、吸收能力弱的问题。
Description
技术领域
本发明属于红外探测领域，具体涉及一种飞机尾焰红外图像光线跟踪优化仿真方法。
背景技术
红外成像仿真技术通过虚拟场景建模和数字成像计算生成红外相机的仿真探测图像，为红外成像探测系统的设计、研制、评估等工作提供测试与分析工具。随着红外成像探测系统的发展，对红外成像仿真技术的准确度和精细度提出了更高的需求。
红外成像仿真技术的发展主要经历了数值仿真、图形仿真和物理仿真三个阶段：数值仿真方法采用简化模型或经验模型，仅能够计算目标的整体辐射特性，对点或斑目标红外成像仿真时较为有效；图形仿真方法主要关注目标的图像形状和纹理特征，成像模型和仿真结果通常不具有实际辐射物理意义；物理成像方法对仿真场景的辐射特性进行物理建模，并采用数值方法对成像辐射传输过程进行解算，能够实现辐射能量与图形纹理的一致化高精度仿真，是目前红外成像仿真技术的重要发展方向。
传统光线跟踪计算方法在透光性介质图像仿真计算时主要适用于云、雾等吸收能力强、发射能力弱类型的介质，在对飞机尾焰等吸收能力弱、发射能力强的介质进行计算时存在计算效率低，方差收敛慢的问题。
发明内容
本发明提供一种飞机尾焰红外图像光线跟踪优化仿真方法，针对飞机尾焰发射能力强、吸收能力弱的问题，通过在光线跟踪计算过程中考虑整体采样路径的辐射贡献影响，提高了计算过程中的方差收敛速度，对不同辐射和消光特性的尾焰介质均有较好适用性。
本发明通过以下技术方案实现：
一种飞机尾焰红外图像光线跟踪优化仿真方法，所述优化仿真方法包括以下步骤：
步骤一、在某一像素区域内进行随机位置采样，确定需要计算尾焰出射辐射亮度的视线方向；
步骤二、沿确定的视线方向进行跟踪，确定视线与飞机尾焰的相交位置，并随机采样视线与尾焰的相交路径深度，计算采样视线路径的辐射亮度贡献LPM；
步骤三、对步骤二得到的采样视线路径辐射亮度贡献LPM进行蒙特卡洛积分，计算出整个视线方向的飞机尾焰出射辐射亮度LP；
步骤四、重复步骤一到三，通过蒙特卡洛积分计算出每个像素对应的平均辐射亮度，生成飞机尾焰红外图像。
进一步的，所述步骤二在进行采样视线路径的辐射亮度贡献时需要对采样路径上各点的辐射影响进行累加。
进一步的，所述步骤二具体为，将路径辐射亮度积分的被积函数替换为
的形式，定义线积分权重函数为wt(s)，
整个视线方向的出射辐射亮度Lom(p1,ωo)表示为，
其中Lme(s)为尾焰介质自发辐射亮度；d为成像视线穿过尾焰介质的路径长度；，t为路径线上距离为0～d范围内的线积分变量；τm(t)为路径线上距离为0～t范围内的介质透过率；τm(s)为路径线上距离为0～s范围内的介质透过率；μt(t)为路径线上距离为0～t范围内的介质消光系数；s为路径线上距离为0～t范围内的任意一点。
则视线采样路径的辐射亮度贡献LPM(t)表示为
进一步的，所述步骤三中整个视线方向的出射辐射亮度LP(p1,wo)表示为
其中Lme(t)为尾焰介质自发辐射亮度。
采用透过率路径采样的混合积分蒙特卡洛计算方程为
其中Nm为蒙特卡洛积分随机采样数量；n为随机采样序号；tn为第n个随机采样条件下的路径线积分变量。
进一步的，若飞机尾焰的辐射特性空间分布状态采用三维轴向均匀网格进行建模，则每个网格基元内部的辐射特性参数相同。
本发明的有益效果是：
相比于传统透过性介质光线跟踪图像仿真方法仅通过采样位置点出辐射亮度贡献估计整个视线路径出射辐射亮度的方案，本发明针对飞机尾焰辐射能力强、吸收能力弱的特点，对采样路径上各点的辐射影响进行累加，能够使辐射亮度估计结果更加准确，提高了计算过程中的方程收敛速度。在进行整个视线方向的飞机尾焰出射辐射亮度积分计算时，引入透过率权重函数提高本方法对不同类型介质的适应性。
附图说明
图1本发明的方法流程图。
图2本发明的仿真成像辐射能量传递关系模型示意图。
图3是整个视线方向尾焰出射辐射亮度计算方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种飞机尾焰红外图像光线跟踪优化仿真方法，所述优化仿真方法包括以下步骤：
步骤一、采用光线跟踪方法进行飞机尾焰红外图像仿真计算，在对每个像素的辐射亮度进行计算时可以使用本发明进行优化计算；首先在某一像素区域内进行随机位置采样，确定需要计算尾焰出射辐射亮度的视线方向；仿真成像中的辐射能量传递关系模型如图2所示；
步骤二、沿确定的视线方向进行跟踪，确定视线与飞机尾焰的相交位置，并随机采样视线与尾焰的相交路径深度，计算采样视线路径的辐射亮度贡献LPM；
步骤三、对步骤二得到的采样视线路径辐射亮度贡献LPM进行蒙特卡洛积分，计算出整个视线方向的飞机尾焰出射辐射亮度LP；
在进行整个视线方向的飞机尾焰出射辐射亮度积分计算时，引入透过率权重函数提高积分计算方法的适应性，提高方差收敛速度；
步骤四、重复步骤一到三，通过蒙特卡洛积分计算出每个像素对应的平均辐射亮度，生成飞机尾焰红外图像。
进一步的，所述步骤二在进行采样视线路径的辐射亮度贡献时需要对采样路径上各点的辐射影响进行累加。通过权重函数避免路径点的重复计算问题，最终计算出采样视线路径的辐射亮度贡献LPM。
进一步的，所述步骤二具体为，将路径辐射亮度积分的被积函数替换为
的形式，定义线积分权重函数为wt(s)，
整个视线方向的出射辐射亮度Lom(p1,ωo)表示为，
其中为Lme(s)为尾焰介质自发辐射亮度；d为成像视线穿过尾焰介质的路径长度；，t为路径线上距离为0～d范围内的线积分变量；τm(t)为路径线上距离为0～t范围内的介质透过率；τm(s)为路径线上距离为0～s范围内的介质透过率；μt(t)为路径线上距离为0～t范围内的介质消光系数；s为路径线上距离为0～t范围内的任意一点。
则视线采样路径的辐射亮度贡献LPM(t)表示为
进一步的，所述步骤三中通过设置透过率相关权重分配函数使采样点辐射亮度贡献计算结果在消光系数较大区域具有更大的贡献，使采样视线路径辐射亮度贡献计算结果在消光系数较小区域具有更大的贡献；则整个视线方向的出射辐射亮度LP(p1,wo)表示为
其中Lme(t)为尾焰介质自发辐射亮度。
采用透过率路径采样的混合积分蒙特卡洛计算方程为
其中Nm为蒙特卡洛积分随机采样数量；n为随机采样序号；tn为第n个随机采样条件下的路径线积分变量。
进一步的，若飞机尾焰的辐射特性空间分布状态采用三维轴向均匀网格进行建模，则每个网格基元内部的辐射特性参数相同；则本方法的计算流程如图3所示。
Claims (5)
1.一种飞机尾焰红外图像光线跟踪优化仿真方法，其特征在于，所述优化仿真方法包括以下步骤：
步骤一、在某一像素区域内进行随机位置采样，确定需要计算尾焰出射辐射亮度的视线方向；
步骤二、沿确定的视线方向进行跟踪，确定视线与飞机尾焰的相交位置，并随机采样视线与尾焰的相交路径深度，计算采样视线路径的辐射亮度贡献LPM；
步骤三、对步骤二得到的采样视线路径辐射亮度贡献LPM进行蒙特卡洛积分，计算出整个视线方向的飞机尾焰出射辐射亮度LP；
步骤四、重复步骤一到三，通过蒙特卡洛积分计算出每个像素对应的平均辐射亮度，生成飞机尾焰红外图像。
2.根据权利要求1所述一种飞机尾焰红外图像光线跟踪优化仿真方法，其特征在于，所述步骤二在进行采样视线路径的辐射亮度贡献时需要对采样路径上各点的辐射影响进行累加。
3.根据权利要求2所述一种飞机尾焰红外图像光线跟踪优化仿真方法，其特征在于，所述步骤二具体为，将路径辐射亮度积分的被积函数替换为
的形式，定义线积分权重函数为wt(s)，
整个视线方向的出射辐射亮度Lom(p1,ωo)表示为，
其中Lme(s)为尾焰介质自发辐射亮度；d为成像视线穿过尾焰介质的路径长度；，t为路径线上距离为0～d范围内的线积分变量；τm(t)为路径线上距离为0～t范围内的介质透过率；τm(s)为路径线上距离为0～s范围内的介质透过率；μt(t)为路径线上距离为0～t范围内的介质消光系数；s为路径线上距离为0～t范围内的任意一点；
则视线采样路径的辐射亮度贡献LPM(t)表示为
4.根据权利要求1所述一种飞机尾焰红外图像光线跟踪优化仿真方法，其特征在于，所述步骤三中整个视线方向的出射辐射亮度LP(p1,wo)表示为
其中Lme(t)为为尾焰介质自发辐射亮度；
采用透过率路径采样的混合积分蒙特卡洛计算方程为
其中Nm为蒙特卡洛积分随机采样数量；n为随机采样序号；tn为第n个随机采样条件下的路径线积分变量。
5.根据权利要求4所述一种飞机尾焰红外图像光线跟踪优化仿真方法，其特征在于，若飞机尾焰的辐射特性空间分布状态采用三维轴向均匀网格进行建模，则每个网格基元内部的辐射特性参数相同。
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