基于Vega的红外图像仿真

介绍了红外成像仿真的基本理论,讨论了利用Vega传感器模块将输入的可见目标图像生成红外图像的技术。该技术使用Creator软件进行三维几何建模和纹理映射,使用TMM软件进行红外材质建模;然后,用Mat软件进行大气衰减的计算;最后,用SensorWorks软件进行传感器特性建模,通过光电转换生成红外图像。以阿帕奇AH6直升机为例进行了红外图像仿真,结果表明,利用Vega传感器模块进行传感器建模,建模效果较好,成本低,易于工程实现。     

基于Vega的红外图像仿真

介绍了红外成像仿真的基本理论,讨论了利用Vega传感器模块将输入的可见目标图像生成红外图像的技术。该技术使用Creator软件进行三维几何建模和纹理映射,使用TMM软件进行红外材质建模;然后,用Mat软件进行大气衰减的计算;最后,用SensorWorks软件进行传感器特性建模,通过光电转换生成红外图像。以阿帕奇AH6直升机为例进行了红外图像仿真,结果表明,利用Vega传感器模块进行传感器建模,建模效果较好,成本低,易于工程实现。     

基于亮度先验的星图杂散光噪声去除方法

针对地基可见光观测图像中存在的杂散光干扰问题,提出了一种基于星图亮度先验的杂散光噪声去除方法。首先,通过分析杂散光形成的原因及其在星图中的空间分布特征,建立星图在杂散光干扰下的退化模型;然后利用星图的亮度先验,估计大气的深度信息并去除分布不均的杂散光噪声;最后,在地基光学望远镜拍摄的实际星图上进行验证。与现有的算法相比,对于受不同程度杂散光干扰的目标,该方法在背景抑制和目标信杂比提升上均获得了更好的实验效果。其中,针对序列星图中信杂比为2.05以上的空间目标,处理后能够获得7.39以上的信杂比增益和1.92以上的背景抑制因子。     

大气传输特性对目标与背景红外辐射特性的影响

本文对影响大气红外辐射透过率和大气自身的红外辐射因素及计算方法进行了讨论，利用大气传输特性分析软件－LOWTRAN7分析计算了大气红外辐射的透过率和大气自身的红外辐射，并讨论了大气辐射与吸收对目标与背景红外辐射特性的影响，对利用理论模型得到的目标与背景红外辐射图像进行了修正，获得了比较接近实际的红外模拟热图像。     

基于高阶统计特征的FY-2气象卫星全视场杂散光估计

在分析FY 2VISSR杂散光成因的基础上,对其中的主要部分,即折镜直接反射形成杂散光的物理过程进行了建模。提取了特定区域目标的高阶统计特征,通过对地球圆盘外区域杂散光特征的学习,得出了系统杂散光作用矩阵A的总体最小二乘解,并将其推广到地球圆盘区域内,得到了在该模型下对全视场杂散光的有效估计。分析结果表明:对于红外和水汽通道而言,地球圆盘区域外的杂散光反演误差均值小于1bit,可见光通道反演出的杂散光日变化相对稳定,且各通道去除杂散光后图像的目视效果有了很大的改观。该估计方法有望在近期进入FY 2B及其后续卫星的业务运行中。     

遮光罩内壁蜂窝结构单元的双向反射特性

内壁蜂窝结构是决定遮光罩杂散光抑制性能的主要因素,掌握其各向异性辐射传输特性对遮光罩的杂散光分析和优化设计具有重要意义.针对蜂窝结构单元,建立辐射传输模型,导出了表面双向反射分布函数的离散表达式;通过蒙特卡罗法模拟蜂窝结构单元的辐射传输过程,分析了几何参量和涂层反射率对等效面反射特性的影响;根据模拟所得双向反射分布函数数据库,建立了用于遮光罩杂散光分析的蜂窝结构等效面的反射特性概率模型.分析结果表明,蜂窝结构对杂散光呈现很强的后向散射特征,等效面的反射特性概率模型与直接模拟结果符合很好,可用于遮光罩杂散光分析和设计.     

遮光罩内壁蜂窝结构单元的双向反射特性

内壁蜂窝结构是决定遮光罩杂散光抑制性能的主要因素,掌握其各向异性辐射传输特性对遮光罩的杂散光分析和优化设计具有重要意义.针对蜂窝结构单元,建立辐射传输模型,导出了表面双向反射分布函数的离散表达式;通过蒙特卡罗法模拟蜂窝结构单元的辐射传输过程,分析了几何参量和涂层反射率对等效面反射特性的影响;根据模拟所得双向反射分布函数数据库,建立了用于遮光罩杂散光分析的蜂窝结构等效面的反射特性概率模型.分析结果表明,蜂窝结构对杂散光呈现很强的后向散射特征,等效面的反射特性概率模型与直接模拟结果符合很好,可用于遮光罩杂散光分析和设计.     

红外光学系统的污染镜面杂散辐射分析

以卡塞格伦结构为例,利用ASAP光学分析软件,建立了红外光学系统的三维仿真模型,在光学元件表面存在均匀分布和非均匀分布的微粒污染情况下,对红外光学系统的杂散辐射特性进行了仿真和比较分析,对影响系统杂散辐射特性的主要因素进行了讨论,并对系统中机械元件的杂散辐射路径进行了分析。在此基础上,采用有效发射率对系统的杂散辐射性能进行了评价,讨论了镜面污染程度对红外光学系统杂散辐射性能的影响。     

目标表面发射率对红外辐射偏振特性的影响分析

偏振探测不仅可以获得目标的光谱、强度、偏振态以及空间几何形状等参数,还可以获得更丰富的目标信息,有利于改善对目标的探测和识别能力。红外辐射偏振成像是近年来发展起来的一种新的红外探测技术,主要通过目标与场景的红外辐射偏振特性差异进行目标探测与识别。但由于红外辐射偏振信息在传输过程中,其偏振态会受到传输介质的影响,而通常基于实验分析总结目标红外偏振特性的方法难以对偏振传输过程中的影响因素进行估计,也不能定量描述各相关参数对于红外偏振信息的影响。通过微面元理论的双向反射分布函数模型,建立了基于偏振双向反射分布函数的红外辐射偏振传输方程, 推导分析了目标表面发射率对红外辐射偏振度的影响,结果表明：目标表面发射率对目标红外偏振度影响可以忽略;在理论分析基础上,有针对性的开展红外光谱偏振探测试验,试验数据分析与理论推导结论吻合。这表明：材料表面发射率的变化不影响目标表面的红外辐射偏振度。该研究成果有利于提高红外伪装探测的目标识别效率,可为进一步提高红外偏振成像系统的伪装目标探测提供新的途径和方法,如在伪装目标探测识别中,通过探测其表面的红外辐射偏振特性的改变实现伪装目标识别探测。     

多角度偏振成像仪杂散光校正方法研究

多角度偏振成像仪是一种超广角画幅式的偏振成像传感器,杂散光是影响其辐射偏振测量精度的重要因素之一。为了避免杂散光影响高精度定量参数的反演,需要在实验室对其进行专门的分析、测量和校正。根据多角度偏振成像仪的光学系统特点,将影响仪器的杂光分为局部杂光和全局杂光,重点分析了这两种杂光的成因和表现特性,并以此为基础构建了仪器的杂散光模型,提出了通过分区域照明获取杂光系数矩阵并对待校图像进行分块校正的方法。在未饱和及过饱和两种情况下,通过分矩形区域、分视场二维转动扫描成像的方式,建立了目标区辐射量和其他非目标区杂光量的关系,最终获得11×11区域的杂散光系数矩阵。最后根据实测得到的杂散光系数矩阵对图像进行了校正,结果表明,此校正方法可以消除至少90%的杂散光。     

基于单站地基望远镜的空间目标姿态估计方法

为实现从单站光测图像中估计出已知3D模型的空间目标姿态,利用Vega Prime提出了一种采用仿真图像进行相关度局部最优搜索的姿态估计方法,该方法无需建立2D-3D特征投影关系和大量的模型匹配库。首先,对输入图像进行图像预处理,获得目标原始图像。然后,利用Vega Prime加载目标3D模型生成仿真匹配图像,并进行图像预处理获得目标匹配图像,计算两幅图像相关度。最后,更新3D目标模型姿态,直至仿真匹配图像与目标原始图像的相关度值取得局部最优,输出目标模型姿态。仿真实验结果表明,采用本文所提方法的观测仿真图像姿态平均估计误差为3.85°,仿真原图可实现姿态准确估计,表明该方法是一种空间目标姿态估计的有效方法。     

基于IR-SFS算法空间目标红外影像3D重建

在利用单幅影像的明暗恢复形状（Shape From Shading,SFS）三维重构算法的基础上,提出同时考虑外界辐射源和目标自身红外辐射的IR-SFS（infrared-SFS）算法。首先通过分析SFS算法原理和空间目标的红外成像特性,建立IR-SFS辐射方程并进行了仿真研究,然后利用温度场估计获得红外差值图,在人工合成的理想半球体、半圆柱体卫星红外影像上进行算法测试,并以美国STS107真实红外影像作为实验目标进行三维重建。实验结果表明,所提出IR-SFS算法经过参数优化后,与原SFS算法相比,重建模型的峰值信噪比更高,对STS107顶部舱门、尾翼、机舱、机舱内方形部件具有更佳显示度,整体效果得到明显改善。     

多波段红外图像的海面舰船目标检测

现有的基于单个红外宽波段的海面舰船目标探测系统在面对复杂海天背景、岛岸背景、恶劣天气、亮带干扰或诱饵弹干扰等情况时,系统的探测率、虚警率、探测距离等性能指标均会受到严重的影响;为此,开展了基于多波段红外图像的海面舰船目标检测方法的研究。通过中波红外多波段数据采集系统实际采集107组五个中波红外波段的图像;波段1-5分别为3.7～4.8,3.7～4.1,4.4～4.8,3.7～3.9和4.65～4.75 μm;对多波段图像进行手动标注构建样本数据集,其中,正样本舰船目标298个,负样本非舰船目标353个。对于多波段红外图像,首先进行PCA降维并采用选择性搜索算法生成初始目标候选区域;针对候选区域中存在大量明显的非舰船目标区域的问题,利用积分图像计算候选区域的局部对比度,依据红外舰船目标的几何和灰度特征从初始目标候选区域中筛选出舰船目标可能性大的区域作为舰船目标候选区域。然后对舰船目标候选区域进行拓展以融入局部上下文信息,对于候选区域对应的5波段红外图像,分别提取每个波段图像的稠密SIFT特征,并将128维SIFT特征向量降为64维,融入SIFT特征的空间和波段位置分布信息得到新的特征向量,基于高斯混合模型对候选区域的特征向量集合进行编码融合得到舰船目标候选区域的费舍尔向量表示,最后利用线性SVM分类器识别出舰船目标。对多波段图像进行舰船目标候选区域生成实验,所提出的基于红外舰船目标的几何和灰度特征的约束方法可以有效地克服选择性搜索算法的不足,从初始目标候选区域中快速定位出舰船目标候选区域,对25组多波段图像进行实验,舰船目标候选区域生成的整体耗时为0.353 s,定位舰船目标区域耗时0.005 s。对100个正负样本进行目标识别测试,所提出的目标识别算法融合了目标的多波段图像特征信息,通过引入费舍尔向量挖掘了多波段图像梯度统计特征的深层次信息,算法的识别率达到了0.97,显著高于单波段红外图像的目标识别率。对25组多波段图像进行舰船目标检测实验,所提出的舰船目标检测方法能够在海天背景、岛岸背景以及亮带干扰等不同场景下完成海面舰船目标的检测工作,舰船目标定位准确,舰船目标召回率达到了0.95,每组多波段图像的平均检测耗时为1.33 s。研究结果表明,充分考虑海面舰船目标在红外图像中与局部海洋背景的辐射差异以及有效地融合舰船目标在多个红外波段图像中的辐射特征,可以增强舰船目标的可分性,提高舰船目标的识别率以及检测率,为基于多波段红外图像的海面舰船目标检测提供了新的技术支持。     

Infrared imaging characteristics of space-based targets based on bidirectional reflection distribution function

A modeling method of infrared imaging characteristics of a space-based target was presented. Background radiation environment of a space-based target was analyzed and the background radiation mainly consists of direct radiation of the sun, thermal radiation and reflected radiation of the earth. The target surface was divided into regions based on geometrical shape and surface material characteristics and a surface equation of each region was built based on its body coordinate system. Each region was divided into meshes supposing that each mesh is a micro-plane. A bidirectional reflection distribution function (BRDF) model considering the characteristics of surface Gauss statistics and self-shadow was introduced to describe reflected infrared of each mesh of the target surface. The emitted infrared radiation of each mesh of the target surface was described according to its thermal equilibrium temperature. Then a mathematical model on infrared radiation imaging characteristics of the space-based target was built in terms of the given infrared detector. The relative positions of the space-based target, the background radiation sources and the detector are determined by orbital parameters based on coordinate conversion. Visual surfaces of the target to observation system were determined by vector coordinate method. Simulation of optical imaging characteristics of the target in orbit was achieved according to its given geometrical dimensions and physical parameters. The results show the method is feasible and robust for infrared characteristics of the space-based target when single reflection is considered and its surface is regular and can be described in a surface equation. It can provide a facility to real-time analysis of infrared imaging characteristics of the space-based targets.     

空间目标可见光散射特性建模方法研究

针对空间目标的可见光散射特性提出一种建模方法.在分析空间目标所处的背景辐射环境基础上建立了空间目标背景辐射物理模型.对目标表面进行面元划分后,基于辐射理论引入双向反射分布函数模型来描述目标表面面元的光散射特性,将目标各个表面所有面元散射分量叠加建立了目标可见光散射特性的数学模型.建立目标本体坐标系,通过坐标变换确定目标、背景辐射源与探测器的相对位置关系,利用矢量坐标法确定目标对观测系统的“可视表面”.根据给定的目标几何结构尺寸和物性参量仿真获得了目标在轨光学特性.计算结果验证了建模的有效性.     

Establishment and experimental verification of infrared BRDF model in rough surface

Because of the thermal radiation from materials, the influence of spontaneous radiation on infrared-material—BRDF could not be neglected. In this paper, the spatial distribution characteristics of the material spontaneous radiation energy are analyzed. Then a full infrared BRDF semi-physical model in rough surface is developed by incorporating the characteristic parameters of the material spontaneous radiation into the five-parameter BRDF model. Finally, the model is verified using experimental data. Experimental results demonstrate that the proposed model error is less than 1%. The semi-physical model is more suitable for describing real physical process, and can be applied to analyze stray radiation of infrared optical system and target infrared characteristics.     

空中目标多波段红外辐射特性描述与仿真分析

针对空中目标在复杂背景下的探测需求,根据实际目标的运动特性,分析目标在飞行高度、飞行姿态角改变时的辐射特点,基于MODTRAN计算得到大气辐射和衰减数据,建立目标的三维模型、热辐射和反射模型,搭建空中目标的红外成像仿真系统.分析和仿真结果表明:在中波波段,目标尾焰的红外辐射比蒙皮强很多,在长波波段,蒙皮的红外辐射比较强,仿真图像的细节比较多,尾焰的红外辐射虽然有所减弱,红外成像效果依旧很好;相同探测条件下,由于位置越高大气越稀薄,探测器的可探测距离会变得比较远.目标红外辐射特性的分析和红外仿真系统的搭建对缩短红外探测器的研制周期和进一步确定探测器波段和系统分辨率等指标提供了参考依据.     

基于MODIS数据的卫星辐射特性研究

本文提出了一种结合MODIS数据产品和MODTRAN模型的典型地形条件空间目标红外辐射特性计算方法。考虑了地形条件和大气环境对空间目标的红外辐射特性影响,应用MODIS 3级陆地,海洋,冰雪圈数据产品得到全球温度分布,地形特征分布,将温度及地形条件代入MODTRAN计算得到地表-目标的辐亮度,进而计算目标的外热流以及表达目标的红外辐射特性。之后以全年第189天为例,计算卫星在某一时刻下的各表面的自身辐射、反射辐射、有效辐射。最后计算目标在不同天顶角下辐射强度随方向角的变化趋势。结果表明,空间目标的红外辐射特性与其运行姿态、所在位置的地形条件、表面材料、观测角度均有关系。