基于擴散模型的水霧紅外圖像仿真研究*

徐東翔 胡云安

(1.海軍航空工程學院研究生管理大隊 煙臺 264001)(2.海軍航空工程學院控制工程系 煙臺 264001)

基于擴散模型的水霧紅外圖像仿真研究*

徐東翔1胡云安2

(1.海軍航空工程學院研究生管理大隊 煙臺 264001)(2.海軍航空工程學院控制工程系 煙臺 264001)

現(xiàn)有紅外仿真軟件處進行人造水霧圖像仿真時,均無法體現(xiàn)出水霧的擴散特性,使仿真圖像真實度較低。針對這一問題,基于高斯擴散模型與MIE散射理論,將水霧空間劃分為多個子空間,通過計算不同子空間內(nèi)的水霧特性參數(shù),建立一種新型水霧仿真模型。根據(jù)所建模型,利用Matlab編程得到的仿真圖像與現(xiàn)有軟件仿真結(jié)果相比,圖像真實程度有很大提高。

紅外圖像; 水霧; 擴散模型

Class Number TP391.9

1 引言

隨著紅外制導技術(shù)的快速發(fā)展,紅外制導武器對未來戰(zhàn)爭中的重要目標構(gòu)成了極大的威脅。人造水霧不僅具有經(jīng)濟,環(huán)保等優(yōu)勢,而且能夠有效衰減紅外輻射的傳輸,所以水霧作為一種有效的光電對抗手段有效地衰減目標發(fā)出的紅外輻射,使敵方光電偵查設(shè)備無法正確捕捉目標,在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中有著廣泛的應(yīng)用。越戰(zhàn)期間,美軍執(zhí)行轟炸河內(nèi)安康發(fā)電廠任務(wù)時,越軍僅僅靠水汽煙幕,使幾十枚激光炸彈沒有有效命中攻擊目標。俄羅斯現(xiàn)代級驅(qū)逐艦、美國杜魯門號航母和英國海幽靈護衛(wèi)艦等就采用了水霧隱身技術(shù),一旦需要,系統(tǒng)立刻產(chǎn)生細密水霧,幾秒鐘內(nèi)將艦艇籠罩在薄霧之中,與海天背景渾然一體,使敵方的可見光和紅外探測器難以探測到[1]。

紅外成像仿真對紅外制導武器的研發(fā)具有重要的推進作用,為提高紅外導引頭的抗水霧干擾能力,就需要更加逼真的水霧紅外仿真圖像進行模擬測試,近年來諸多學者專家都對水霧的紅外偽裝性能進行了研究分析[2～6]。VEGA、LOWTRAN等軟件雖然都具有專用的紅外仿真模塊,但是這些模塊都是針對自然形成的霧氣而設(shè)計[7]。自然形成的水霧與人造水霧的最大區(qū)別就是影響范圍,人造水霧相比較而言,范圍較小,不同空間位置水霧特性差異較大。若是使用這些模塊處理人造水霧的圖像仿真問題,仿真過程中往往都是將水霧看作均勻整體處理,無法體現(xiàn)出水霧因擴散而產(chǎn)生的消光特性差異,因而會使仿真圖像與真實圖像差生巨大偏差。本文主要針對水霧的擴散特性,結(jié)合MIE散射理論,建立水霧的衰減模型,并計算了水霧的消光系數(shù)。最后利用以上計算數(shù)據(jù)進行了圖像仿真。

2 水霧的衰減模型

2.1 MIE散射理論

根據(jù)Beer-Lambert定律可知[8],經(jīng)過霧區(qū)后,入射輻射強度為I0的電磁波衰減后輻射強度I為

I=I0e-G·L

(1)

式中:L(m)為入射輻射所經(jīng)過的路程;G(/m)為消光系數(shù)。

在電磁波傳播理論中,通常把霧滴作為圓球處理,當電磁波穿過霧區(qū)時,霧滴會引起電磁波的能量衰減。其中發(fā)生的折射、透射、散射和吸收等現(xiàn)象中,散射是能量衰減的最主要原因。特別是在電磁波長小于或相當于圓球直徑時,利用MIE理論,可以求出消光截面和消光系數(shù)[9]。

(2)

式中:N(個/m-3)為霧滴密度;N(r)是霧滴半徑r(μm)的分布函數(shù),本文采用正態(tài)分布模型[10];Qext為霧滴截面消光系數(shù)。正態(tài)分布函數(shù)的表達式為

(3)

式中:σ為霧滴半徑標準差;rm為霧滴平均半徑。

消光系數(shù)Qext可由式(4)計算:

(4)

式中:x=2πr/λ,λ(μm)為電磁波波長;an、bn、n與電磁波波長λ和霧滴半徑r有關(guān)。另外由于霧滴半徑與紅外輻射波長相當,所以可以采用MIE理論進行計算。

2.2 高斯擴散模型

假設(shè)地面無吸收和吸附作用,水霧本身是無沉降的被動成分,地面對污染物的作用猶如一個全反射體,風速大于,風向恒定,地面水平均一,由梯度傳送理論及統(tǒng)計理論推導出高斯(正態(tài))型濃度模式[11]:

(5)

式中:C(x,y,z,H)為(x,y,z)點處的水霧濃度;Q(g/s)為水霧釋放速率;u(m/s)為釋放水霧時噴嘴口的霧滴噴出平均速度;H(m)為水霧對紅外輻射衰減的有效高度;σy、σz為y方向和z方向的大氣擴散方差,與大氣穩(wěn)定度及地形參數(shù)有關(guān)。本文針對草地背景的地面目標,故查表可得相應(yīng)參數(shù)。

表1 Briggs穩(wěn)定度等級

表2 草地的Briggs內(nèi)插值

由高斯擴散公式可知,處于不同位置的水霧會因為霧滴擴散作用發(fā)生水霧濃度不均的現(xiàn)象。而且根據(jù)式(2)可知,處于相同戰(zhàn)場環(huán)境對抗特定的紅外波段時中,由同一設(shè)備產(chǎn)生的人造水霧霧滴的平均半徑等參數(shù)不發(fā)生巨大變化,因而導致不同位置處水霧消光性能差異的最主要原因就是霧滴密度的變化,所以建立霧滴密度與水霧空間位置的關(guān)系也就成了水霧擴散模型的關(guān)鍵點。結(jié)合高斯擴散公式及球的幾何與密度公式,可以建立高斯(正態(tài))型濃度與霧滴密度的關(guān)系,如式(6)所示:

(6)

式中:N(x,y,z)為坐標為(x,y,z)處的水霧霧滴密度數(shù)(個/m3);ρ為霧滴密度(g/cm3)。

2.3 水霧紅外輻射透過率的計算

由高斯擴散模型可以計算出處于霧區(qū)中不同位置,相應(yīng)的水霧消光系數(shù)G也是不同的。為了精確計算水霧的紅外輻射透過率e-G·L,不妨把霧區(qū)平均分成多個體積相同的正方體,每個正方體內(nèi)部水霧霧滴密度等參數(shù)不再發(fā)生變化,而每個正方體內(nèi)的水霧參數(shù)由正方體中心點的水霧特性參數(shù)決定。因此式(1)可以改寫為

(7)

式中:n為所穿過的正方體個數(shù),Gi表示第i個正方體內(nèi)水霧的消光系數(shù),Li表示在第i個正方體內(nèi)目標紅外輻射穿過的距離。

3 實驗仿真

3.1 仿真假設(shè)與說明

1) 紅外輻射波長取λ=10.6μm(m=1.178+0.071j),霧滴平均半徑r=7μm,霧滴半徑標準差取σ=1.10,霧滴密度取ρ=1g/cm3。

2) 水霧釋放速率Q=25g/s;釋放水霧時噴嘴口的霧滴噴出平均速度u=0.5m/s;水霧對紅外輻射衰減的有效高度h=0m。

3) 由于大氣消光系數(shù)遠遠小于水霧的消光系數(shù),仿真中對大氣消光影響忽略不記。

4) 大氣穩(wěn)定度為A,風速沿x軸正向,設(shè)每個小正方體邊長為1m。

5) 水霧釋放點源為坐標軸原點,觀察者坐標為(50,0,0)。

圖1 坐標示意圖

圖2 仿真圖像

3.2 仿真結(jié)果分析

根據(jù)以上假設(shè),可以利用Matlab軟件編程進行計算機仿真。將計算結(jié)果灰度化之后,可以得到圖2。

圖2(a)表示在未加干擾時,目標車輛的紅外圖像;圖2(b)表示使用水霧擴散模型進行數(shù)據(jù)計算,經(jīng)過灰度處理后生成的水霧紅外偽裝效果圖;圖2(c)表示使用LOWTRAN軟件計算數(shù)值后,經(jīng)過灰度處理后的的仿真圖像。對比可以發(fā)現(xiàn),無論是傳統(tǒng)模型,還是擴散模型均能夠較好地體現(xiàn)出水霧對于紅外輻射的衰減作用。但是仔細對比觀察圖2(b)與圖2(c)就不難發(fā)現(xiàn),前者更符合實際情況。這是因為在實際戰(zhàn)場環(huán)境中,由一點源產(chǎn)生的人造水霧很難做到完全遮蔽目標,且產(chǎn)生的水霧能夠均勻分布,對紅外輻射的衰減作用處處相等也是不可能實現(xiàn)的。

若改變風向,使風向沿y軸正方向,其他條件不變,我們可以得到圖2(d)。對比圖2(b)與圖2(d)可以看出,盡管風速比較低,但是風向?qū)τ谒F的消光系數(shù)的影響依舊是十分嚴重的。在風向沿y軸正向時,即觀察者與目標連線垂直于風向時,人工水霧幾乎已經(jīng)失去了紅外偽裝能力,目標車輛很容易被光電偵查設(shè)備所偵測到。風向的影響也是現(xiàn)有紅外仿真軟件難以實現(xiàn)的問題之一,但是使用所建立的新型模型,各個風向條件下的仿真圖像都能夠通過計算得到,這也是擴散模型的優(yōu)點之一。

4 結(jié)語

針對現(xiàn)有紅外仿真軟件處理水霧紅外圖像時所遇到的問題,結(jié)合高斯擴散模型與MIE散射理論,建立了新型水霧紅外衰減模型。通過計算機仿真,得到的紅外圖像的真實性較傳統(tǒng)仿真方法有較大提高。水霧的擴散模型同時可以模擬不同戰(zhàn)場環(huán)境,可以模擬如風速、風向等對水霧消光性能的影響,而這也是現(xiàn)有仿真軟件難以實現(xiàn)的?？偟膩碚f,這種建模方法對今后開發(fā)新型光電對抗模擬軟件具有一定的參考價值。

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Simulation of Water Mist Infrared Image Based on the Diffusion Model

XU Dongxiang1HU Yun’an2

(1. Graduate Students’ Brigade, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001) (2. Department of Control Engineering, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001)

The simulation image could not display the scattering of water mist using the existing infrared simulation software, which makes the image unreliable. In order to solve this problem, the water mist space is divided into multi-subspace. A new type of water simulation model is established using the calculation of water mist of different subspace parameters, based on Gaussian diffusion model and MIE scattering theory. According to the new model, simulation image through Matlab is compared with existing software simulation results to show that reliability of the infrared image has been greatly improved.

infrared image, water mist, diffusion model

2014年6月3日,

2014年7月17日

徐東翔,男,碩士研究生,研究方向:紅外仿真。胡云安,男,教授,研究方向:光電對抗。

TP391.9

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.027