陳　彬，譚建宇

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海) 汽車工程學(xué)院，山東　威?！?64209)

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艦船與海面紅外熱像仿真

陳彬，譚建宇

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海) 汽車工程學(xué)院，山東威海264209)

近年來，中國周邊海域局勢越來越復(fù)雜，增強(qiáng)海上軍事力量是維護(hù)國家利益的強(qiáng)大后盾。而艦船作為海上戰(zhàn)場的主要工具已成為重點(diǎn)研究對象。模擬紅外熱像可以直觀定性地分析艦船目標(biāo)與海面背景的對比特征，判別艦船目標(biāo)識別的特征部位。同時(shí)也能為紅外制導(dǎo)武器的研制降低成本，縮短研發(fā)周期，憑借其對實(shí)際軍事的強(qiáng)烈需求和應(yīng)用背景，成為各國海軍及國防部門的熱點(diǎn)課題。

國外對有關(guān)方面的研究開展較早，上世紀(jì)90年代以來，美國的ERIM(Environmental Research Institute of Michigan)將海洋背景和目標(biāo)結(jié)合，已經(jīng)建立了極為精確的紅外模擬方法[1]。1999年，加拿大的DAVIS工程公司(W R Davis Eng. Ltd)發(fā)布了與美國NRL(National Research Lab)一起開發(fā)的功能強(qiáng)大的艦船紅外特征管理軟件[2]。2013年，美國的Gray等人通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法模擬了艦船跟蹤識別系統(tǒng)，能夠有效排除紅外誘餌彈對艦船目標(biāo)的干擾[3]。國內(nèi)相關(guān)研究起步較晚，2007年，任海霞等利用實(shí)時(shí)海面艦船紅外熱像仿真平臺模擬了不同天氣狀況、不同觀測視角的艦船紅外熱像[3]。2014年，姜笛等提出了一種高效的艦船紅外特性建模方法，得到了比傳統(tǒng)方法精度更高的紅外仿真圖像[4]。

本文選擇某一型號的艦船，首先根據(jù)坐標(biāo)變換及投影法并結(jié)合大氣傳輸模型編寫程序模擬艦船的紅外熱像，然后使用Cox-Munk粗糙海面模型和遮蔽函數(shù)并結(jié)合蒙特卡洛方法編寫程序模擬不同條件下海面的紅外熱像，最后將艦船目標(biāo)與海面背景的紅外圖像進(jìn)行融合，分析不同探測距離條件下海面背景下艦船目標(biāo)的紅外熱像特征。

1艦船紅外熱像模擬

1.1　艦船溫度分布計(jì)算

通過合理簡化得到艦船的幾何模型如圖1所示。對艦船進(jìn)行網(wǎng)格劃分，每個(gè)網(wǎng)格面元需要考慮導(dǎo)熱、對流和輻射三種換熱形式。其中導(dǎo)熱形式較為簡單，可以用單元面與周圍相鄰面元的導(dǎo)熱方程進(jìn)行計(jì)算；對流包括兩部分，當(dāng)艦船表面與空氣接觸時(shí)，對流換熱的經(jīng)驗(yàn)公式[5]，當(dāng)艦船表面與海水接觸時(shí)，采用外掠等溫平板的對流換熱關(guān)聯(lián)式；輻射包括兩部分，太陽輻射利用太陽加載模型進(jìn)行計(jì)算，艦船動力艙與船體表面的輻射換熱利用Surface to Surface模型進(jìn)行計(jì)算。

圖1　艦船幾何模型

1.2　艦船輻射特性計(jì)算

在計(jì)算艦船表面溫度分布的基礎(chǔ)上分析目標(biāo)的輻射特性。艦船目標(biāo)的輻射包括自身的漫發(fā)射和太陽、天空及海面對目標(biāo)的反射兩部分。艦船的輻射亮度表示如下

(1)

式中Tt——目標(biāo)溫度;

ε——目標(biāo)發(fā)射率;

Eb(Tt)——溫度為Tt的黑體輻射出射度;

ρl、ρs——長波與短波的反射率;

Esky、Esea、Esun——天空、海洋和太陽的輻照度。

由于大氣中微粒和云雨等氣象條件的影響，光譜輻射亮度透過大氣會被吸收和散射，沿傳遞行程的衰減規(guī)律用布格定律表示，即

Lλ,R=Lλ,0·exp(-μ(λ)R)=Lλ,0·τa(λ)

(2)

式中μa(λ)——衰減系數(shù)；

τa(λ)——光譜透過率;

R——目標(biāo)與紅外系統(tǒng)之間的距離；

Lλ,R——距離探測器R時(shí)目標(biāo)的輻射亮度；

Lλ,0——零視距時(shí)目標(biāo)的輻射亮度。

1.3　艦船紅外熱像模擬結(jié)果

模擬艦船紅外成像即將三維場景圖轉(zhuǎn)化為二維平面圖，可以用光學(xué)幾何投影的方法將艦船模型沿探測方向投影到探測器平面上。具體示意圖見圖2。設(shè)艦船坐標(biāo)系為XYZ，探測器平面坐標(biāo)系為X*Y*Z*，將小面元位置集中在面元中心點(diǎn)，根據(jù)投影定理求出艦船表面點(diǎn)M在探測器平面的投影點(diǎn)M*坐標(biāo)。并將艦船坐標(biāo)系下投影點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成探測器坐標(biāo)系，從而確定探測器每個(gè)像素覆蓋的面元數(shù)N。并對每個(gè)小面元的輻射強(qiáng)度進(jìn)行疊加求和，再除以N個(gè)小面元在探測方向上的投影面積，則可得到每個(gè)像素輻射強(qiáng)度的平均值為

圖2　計(jì)算投影坐標(biāo)示意圖

(3)

式中Lk,r——面元k的輻射強(qiáng)度;

Sk——面元k的面積;

θs——面元法向與探測方向的夾角。

在計(jì)算艦船目標(biāo)紅外熱像時(shí)，有關(guān)背景的數(shù)據(jù)皆為0。模擬8~12 μm波段艦船紅外熱像見圖3，圖中明亮的部位表示輻射強(qiáng)度大，可以看出，行進(jìn)中的艦船煙囪出口的輻射強(qiáng)度最大，這是因?yàn)榕艧煖囟雀?，輻射亮度大，因此煙囪出口是艦船探測最主要的識別部位。

圖3　艦船紅外熱像(單位：W/(m2sr))

2海面背景紅外熱像模擬

2.1　粗糙海面模型建立

海面粗糙程度可以用海面雙向反射分布函數(shù)(BRDF)表示。BRDF的表達(dá)式為[6]

(4)

式(4)表示沿(θs,φs)方向的散射亮度dLr(W/(m2·sr))與沿(θi,φi)方向入射的輻照度dEi(W/m2)之比，其幾何示意圖如圖4所示。

圖4　BRDF幾何示意圖

這種粗糙性可以認(rèn)為是由許多小波面構(gòu)成的。本文利用Cox-Munk海譜模型并結(jié)合蒙特卡羅方法計(jì)算粗糙海面BRDF。利用隨機(jī)射線來模擬能量離散量。利用Frensel定律計(jì)算小波面反射率，判斷光線是否被吸收，如果該光線被吸收，則跟蹤結(jié)束；如果該光線被反射，則繼續(xù)跟蹤直至被探測器吸收。設(shè)θn和φn分別為海面小波面法向量的天頂角和方位角。各項(xiàng)異性海面坡度分量概率分布模型為[7]

(5)

σ2=0.003+0.00512U

(6)

其中，σ2為小波面的斜坡方差，該公式是風(fēng)速U的函數(shù)。由式(5)和式(6)可得

(7)

其中,q=1-P(θn)和q1為[0,1]的隨機(jī)數(shù)。

2.2　海面輻射亮度計(jì)算

海面紅外輻射由海面本身的紅外輻射和對環(huán)境輻射的反射組成。海面輻射亮度可表示為

Lsea=εθsLb(Tsea)+frcosθi[Esky+Esun]

(8)

其中，εθs為海面的定向發(fā)射率，在海面紅外輻射實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)針對具體的仿真要求，在滿足精度要求的基礎(chǔ)上選擇較為簡單的發(fā)射率計(jì)算模型，以減小計(jì)算負(fù)荷并提高計(jì)算時(shí)間。因此，本文將海面當(dāng)做黑體處理，同時(shí)考慮海浪遮蔽因子s*對發(fā)射率的影響

(9)

(10)

(11)

2.3　海面紅外熱像模擬結(jié)果

模擬海面的紅外熱像，需要計(jì)算探測器上的紅外輻射總量，首先要計(jì)算出探測器上每個(gè)像素的平均紅外輻射。對于海面背景可以看成是有許多小面元構(gòu)成的。因此，將這些小波面的輻射值進(jìn)行簡單的統(tǒng)計(jì)平均則可得到該像素的平均紅外輻射值，在特定探測方向上，探測器每個(gè)像素對應(yīng)的輻射亮度值可表示為[8]

(12)

其中，探測器上每個(gè)像素所覆蓋的面元的個(gè)數(shù)n=Nh×Nν個(gè)，Nh和Nν分別為垂直探測器視線平面內(nèi)水平方向和垂直方向所覆蓋的小面元的數(shù)量。

圖5　不同風(fēng)速下海面紅外熱像(單位：W/(m2sr))

本節(jié)計(jì)算8~12 μm波段，風(fēng)速分別為3 m/s、5 m/s、7 m/s、8 m/s、9 m/s、10 m/s、11 m/s和13 m/s時(shí)的海面熱像，太陽入射角度φ=90°，θ=18°，探測天定角為45°。其中四個(gè)風(fēng)速條件下的海面紅外熱像如圖5所示，海面輻射亮度平均值隨探測天頂角的變化如圖6所示?？梢钥闯觯?/p>

(1)海面紅外熱像呈現(xiàn)隨機(jī)性，明暗相間;

(2)海面平均輻射亮度隨風(fēng)速的增大而減小。

圖6　海面輻射亮度平均值隨風(fēng)速的變化

3海面與艦船紅外熱像融合

利用已經(jīng)完成的計(jì)算模塊進(jìn)行目標(biāo)與背景融合的紅外熱像，主要方法為：根據(jù)模擬場景的時(shí)間日期、地理位置和環(huán)境條件，確定太陽輻照和天空輻照，并根據(jù)大氣傳輸模型，模擬相應(yīng)環(huán)境下的海面紅外熱像，然后將與海面背景相同觀測方向、觀測距離和探測器視場角的艦船目標(biāo)紅外熱像鑲嵌到背景圖像中。

本節(jié)計(jì)算的條件為：大氣環(huán)境20℃，相對濕度Hr=20%，大氣壓p=1.012×105 Pa，視能見距離為20 km，相應(yīng)的衰減系數(shù)如表1所示。計(jì)算波段8~12 μm，探測器空間分辨率為0.32 mRad，探測天頂角為20°，探測方位角為90°，不同高度下的融合圖像見圖7。不同探測高度下融合圖像最高輻射亮度隨探測距離的變化趨勢見圖8。

表1不同高度的衰減系數(shù)

探測高度/km衰減系數(shù)透過率20.0640.87930.0620.8350.0610.737100.0580.559150.060.406200.0560.3262

圖7　不同高度下紅外融合圖像(單位：W/(m2sr))

圖8　不同探測高度下融合圖像最高輻射亮度變化趨勢

可以看出，隨著探測距離的增大，艦船相對海面的幾何尺寸減小，艦船整體輻射亮度減小，主要是由于大氣衰減的影響，隨著探測距離的增大，大氣透過率減小，艦船輻射亮度減小。煙囪出口輻射亮度隨距離的增大迅速減小，主要是由于探測距離的增大，每個(gè)像素探測的實(shí)際面積增大，覆蓋的面元輻射強(qiáng)度差異很大，使得每個(gè)像素的平均值減小。

4結(jié)論

本文首先根據(jù)坐標(biāo)變換及投影法則并結(jié)合大氣傳輸模型編寫程序模擬了8~12 μm波段艦船的紅外熱像。然后使用Cox-Munk粗糙海面模型和遮蔽函數(shù)并結(jié)合蒙特卡洛方法模擬了不同風(fēng)速條件下海面的紅外熱像。最后將艦船目標(biāo)與海面背景的紅外圖像進(jìn)行融合，分析不同探測距離條件下海面背景下艦船目標(biāo)的紅外熱像特征。主要得到以下結(jié)論：

(1)對于運(yùn)動中的艦船，煙囪出口處最明亮，是艦船探測最主要的識別部位;

(2)海面紅外熱像呈現(xiàn)隨機(jī)性，明暗相間，并且隨著風(fēng)速的增大海面平均輻射亮度減小;

(3)對于海面背景下的艦船紅外熱像，隨著探測高度的增大，艦船相對海面的幾何尺寸減小，艦船整體輻射亮度減小。

參考文獻(xiàn)

[1]Vaitekunas D A, Fraedrich D S. Validation of the NATO-standard ship signature model (SHIPIR). International Society for Optics and Photonics,1999:103-113.

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[3]任海霞,任海剛,徐杲.實(shí)時(shí)海面艦船紅外熱像仿真平臺[J].紅外與激光工程,2007,36(2):202-206.

[4]姜笛,張科,呂梅柏.一種高效的艦船紅外輻射特性建模方法[J].電光與控制,2014,21(6):94-98.

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[8]Wilf I, Manor Y. Simulation of sea surface images in the infrared[J].Applied optics,1984,23(18):3174-3780.

摘要：模擬艦船與海面紅外熱像可以直觀定性地分析艦船目標(biāo)與海面背景的對比特征，判別艦船目標(biāo)識別的特征部位，具有強(qiáng)烈的實(shí)際軍事需求和應(yīng)用背景。本文首先根據(jù)坐標(biāo)變換及投影法并結(jié)合大氣傳輸模型編寫程序模擬了8~12 μm波段艦船的紅外熱像?？梢钥闯鰺焽璩隹谑桥灤綔y最主要的識別部位。然后使用Cox-Munk粗糙海面模型和遮蔽函數(shù)并結(jié)合蒙特卡洛方法編寫程序模擬不同風(fēng)速條件下海面的紅外熱像，得到海面平均輻射亮度隨風(fēng)速增大而減小的結(jié)論。最后將艦船目標(biāo)與海面背景的紅外圖像進(jìn)行融合，分析不同探測距離條件下海面背景下艦船目標(biāo)的紅外熱像特征，計(jì)算結(jié)果表明，隨著探測距離的增大，艦船整體輻射亮度減小。

關(guān)鍵詞：海面目標(biāo)；輻射特性；粗糙海面；紅外熱像

Simulation of Infrared Imagery of Ship and Sea CHEN Bin,TAN Jian-yu

(School of Harbin Institute of Technology, Weihai 264209, China)

Abstract：The simulation of ship and sea infrared thermal imaging can visually compare the characteristics between ship targets and sea background, it also can recognize the feature parts of ship and be the key issues because of the strong background and actual military needs and applications. This paper simulates the 8~12 μm wavelength infrared thermal image of ship according to the coordinate transformation and projection method combined with atmospheric transport model programming, as a result the ship chimney outlet is the most important recognition site. Then use the Cox-Munk rough sea surface model and masking function combined Monte Carlo Simulation prepared under different wind conditions of the sea surface infrared image, obtained conclusions that an average sea surface radiance decreases with the wind speed increase. Finally, fuse the ship target with sea background infrared image, analysis of infrared thermal imaging characteristics under different conditions detection range sea background ship targets, the results show that with the increase of the detection range the ship radiance radiance decreases

Key words：ship target;radiation characteristics;imaging infrared;rough sea

作者簡介：陳彬(1990~)，女，碩士研究生,研究方向?yàn)榧t外熱像模擬與計(jì)算。

收稿日期2015-05-06修訂稿日期2015-05-22

中圖分類號：U675.79

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-6339 (2015) 06-0535-04