红外成像仿真是根据目标的红外辐射特性, 采用合适的数学模型, 用计算机算出红外目标的热辐射, 然后通过量化等手段, 将辐射数据转换为亮度来显示的一种技术。红外成像仿真的理论研究及其实现, 具有强烈的需求和应用背景。而通过理论研究的方法, 建立目标的红外物理模型, 得到物体的模拟热像, 将为红外系统的研制仿真设计以及人员培训等大量应用提供极为经济和有效的手段。
1 目标的红外辐射及数字建模
1.1 红外光谱
红外线是电磁波谱的一个部分, 红外系统是用于红外辐射探测的仪器。红外通常指波长从0.75至1000μm的电磁波, 红外波段的短波端与可见光红光相邻, 长波端与微波相接。红外与电磁频谱的其他波段一样以光速传播, 遵守同样的反射、折射、衍射和偏振等定律。彼此差别只是波长、频率不同而已。
1.2 基本辐射定律
1.2.1普朗克热辐射定律
根据普朗克辐射定理, 凡是绝对温度大于零度的物体都能辐射电磁能, 物体的辐射强度与温度及表面的辐射能力有关, 辐射的光谱分布则与物体温度密切相关。普朗克定理可表示为:
1.3 材料的比辐射率
从基尔霍夫定律可得出结论:在给定温度下, 任何材料的比辐射率在数值上等于该温度时的吸收率。
根据能量守恒定律, 入射的辐射能等于吸收、反射、透过能量之和, 即:
对于不透辐射材料τ=, 0α=ε, 所以有
由于直接测量比辐射率比较困难, 可通过测量反射率来间接测量比辐射率。
1.4 目标和观察者之间倾角的计算
根据电磁波的传播原理, 传播中的电磁波的能量为:
如图1所示:当观察者与目标的距离为R, 目标宽为1l, 高为l2, 若图像某点的像素位置为 (i, j) , 图像的像素尺寸为 (m, n) 时, 则
2红外辐射的大气衰减
2.1大气中辐射衰减的物理基础
3红外图像生成
3.1图像生成
红外图像是利用红外热像仪接受来自目标和景物的红外辐射, 经过光电转换, 将不可见的辐射转变成可见的图像, 图像的各像素点的明暗 (亮度) 变化对应着目标和景物的辐射能量强弱的变化。
3.2图像仿真
用电脑生成楼房模型:在特定的比辐射率, 观察者距离目标100m, 在衰减情况下设定距离为2km。图2 (c) 中楼房的温度高于图 (a) 。 (a) (c) 是不考虑大气衰减时楼房的仿真图像, (b) (d) 是对应条件下经过2km水平路径的大气衰减后得到的图像。
4结语
本文针对远距离点目标探测仿真技术的研究, 主要有以下几个工作部分。
(1) 针对远距离目标探测而言, 大气衰减的效果是不容忽略的。本文通过计算红外辐射大气透过率, 在红外模型当中引入大气衰减的影响, 使结果更接近于真实情况。
(2) 考虑了观察者对目标视角, 使各点的像素有明显的过度, 从而仿真结果更为逼真。
(3) 通过软件系统的设计, 实现了不同温度, 波段, 距离等参数下目标探测的红外仿真图像生成。
摘要：本文进行了红外图像仿真技术研究, 主要解决了以下问题: (1) 分析了目标红外辐射特性, 主要从普朗克辐射定律入手, 考虑了目标对观察者倾角的影响, 最后得出目标各点得辐射度。 (2) 利用气象学知识, 对大气红外辐射透过率计算方法进行了讨论 (3) 介绍灰度量化方法, 完成软件编程, 实现红外图像的仿真。最终得到了与真实红外图像相比较为相近的红外仿真结果。
关键词：红外图像仿真,图像处理,目标模拟,灰度量化
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