一种深空红外微动目标模型构建方法及成像仿真系统

1.本发明涉及红外目标成像系统仿真技术领域，更具体的说是涉及一种深空红外微动目标模型构建方法及成像仿真系统。


背景技术：

2.红外成像是研究如何有效地探测景物的红外辐射，并将其转换为可被感知的图像信号的技术科学。红外探测器接收景物(包括目标和背景)的红外辐射，将其转化为电压或电流输出到显示系统，显示系统根据信号的强弱呈现相应的灰度或伪彩色图像。
3.红外成像探测具有对目标背景温差的高敏感性、探测手段隐蔽性、作用距离短、抗干扰性好、可全天候工作等优点，是一种非常理想的空间目标探测手段。随着世界各国航天技术的迅猛发展，发射进入太空的空间目标的数量不断增加。为了加强空间监视，作为重要的光学探测手段之一，红外成像探测技术得到了广泛的应用与发展。但是空间目标的探测会受到外场试验时的地理位置、气象条件等因素的影响，且空间目标表面辐射会随着目标所处环境的改变而改变，因此外场试验不容易根据应用需求获得各种条件下的目标的红外图像。进行外场试验人力、物力和财力耗费大，试验效率不高，所得结果不容易重复。相比较之下，利用红外成像仿真系统获取大量红外图像是一种极为经济、有效的途径。
4.随着计算机仿真技术和硬件设备性能的不断提高，根据预先建立的目标与场景的几何模型、运动模型以及探测器模型，利用计算机可以逼真地生成各种复杂环境和干扰条件下目标与背景的红外图像。仿真生成的图像为红外成像系统的性能评价和改进提供依据，也可为目标检测识别算法提供测试场景。红外成像仿真技术在国内外正在迅速发展，并在各种相关领域特别是空间探索领域获得了广泛的使用。将大量的红外成像仿真试验与有限次外场试验相结合，是高效率、高可信度地设计评估红外成像探测系统的最佳途径。
5.因此，如何较为全面地模拟深空环境中微动目标红外辐射特性，实时且逼真地生成某时刻探测器视场内场景的红外灰度图像是本领域技术人员亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供了一种深空红外微动目标模型构建方法及成像仿真系统，综合考虑环境、目标及红外传感器等多种因素，可为在轨试验、地面测试、探测方法研究提供可靠、便利的数据支撑，解决了对空间目标实测耗费巨大的痛点。
7.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.一种深空红外微动目标模型构建方法，包括以下步骤：
9.对包括目标参数、探测器参数及背景环境参数在内的仿真参数进行设置，并根据设置的仿真参数，模拟目标和探测器所处环境；
10.对目标微动及其在运动过程中表面的红外辐射特性进行仿真计算，获得微动目标表面温度场及红外辐射强度序列；
11.计算探测器处的辐照度，获得探测器视场内微动目标及背景的红外灰度图像；
12.根据用户需要，将用户所需数据按照指定格式输出。
13.上述技术方案达到的技术效果为：综合考虑多种因素影响，可得到较为精准的空间目标红外辐射特性及较为逼真的红外目标仿真图像，为研究微动目标红外辐射特性、基于红外图像的目标检测识别提供依据，具有较高的应用价值。
14.可选的，仿真参数包括：目标的材料参数、结构参数，目标的初始姿态，目标初始运动状态，探测器特性参数，目标和探测器的位置以及背景环境等。
15.可选的，所述方法还包括：
16.基于规范统一的参考标准，构建坐标系，描述目标的运动、目标与探测器之间的位置关系以及背景天体的位置。
17.上述技术方案达到的技术效果为：建立规范统一的参考标准，可为定位目标和探测器的位置以及描述目标的姿态提供极大地便利。
18.可选的，对目标微动及其在运动过程中表面的红外辐射特性进行仿真计算，具体包括以下步骤：
19.根据设定的目标参数，生成目标几何模型并将目标表面进行面元划分，得到给定坐标系下目标表面面元位置以及表面面元的单位法向量；
20.结合目标几何模型，构建目标微动模型，通过仿真计算得到目标在微动过程中任意时刻目标上某点的坐标，即微动目标的瞬时位置；
21.基于生成的目标和探测器所处环境、构建的目标几何模型以及得到的微动目标的瞬时位置，分析目标表面的热平衡状态，建立当前时刻目标表面的热平衡方程，求解得到目标表面的瞬时温度场；
22.根据普朗克辐射定律及朗伯余弦定律，利用目标表面温度求得当前时刻目标的辐射出射度。
23.上述技术方案达到的技术效果为：公开了获得红外辐射强度序列的具体过程，综合考虑了目标的表面材料、目标几何结构、目标姿态、目标运动以及目标所处的深空环境等因素，较为全面地模拟了深空环境中微动目标红外辐射特性，为分析处于不同环境以及不同姿态的目标红外辐射特性提供依据。
24.可选的，获得探测器视场内微动目标及背景的红外灰度图像，具体包括以下步骤：
25.在进行探测器视场内背景成像时对背景进行判断，获得探测器视场内星空背景的红外灰度图像；
26.通过双向反射分布函数仿真计算目标对外部辐射源的反射，得到目标自身辐射以及目标反射辐射在探测器处的辐照度；
27.基于设置的目标和探测器的位置，根据三维世界中的坐标与二维图像平面上坐标的映射关系，得到目标上的点对应的像素坐标；
28.根据得到的目标在探测器处的辐照度以及探测器视场内的背景，灰度量化后输出包含背景的目标红外仿真图像；
29.在仿真中加入散焦模糊以及探测器噪声，生成目标及背景的红外灰度图像。
30.上述技术方案达到的技术效果为：公开了获得探测器视场内目标及背景的红外灰度图像的具体过程，综合考虑了探测器特性参数、探测器噪声以及探测器散焦模糊等因素，通过仿真计算得到目标对探测器产生的辐照，可实时且较为逼真地生成某时刻探测器视场
内场景的红外灰度图像。
31.可选的，对背景进行判断，具体为：
32.在仿真过程中，对进入探测器视场的天体进行筛选；
33.判断探测器是否临边探测，当探测器临边探测时，考虑临边大气对探测器的影响。
34.本发明还提供了一种深空红外微动目标成像仿真系统，包括：输入模块、输出模块、目标模块、探测器模块及背景环境生成模块；
35.输入模块，用于提供输入接口，根据用户需要输入仿真参数，且输入模块与背景环境生成模块连接；
36.背景环境生成模块，用于根据仿真参数模拟目标和探测器所处环境，且背景环境生成模块分别与目标模块、探测器模块连接；
37.目标模块，用于对目标微动及其在运动过程中表面的红外辐射特性进行仿真计算，获得微动目标表面温度场及红外辐射强度序列；
38.探测器模块，用于仿真计算探测器处的辐照度，获得探测器视场内微动目标及背景的红外灰度图像；
39.输出模块，用于提供输出接口，将用户所需数据按指定格式输出，且目标模块和探测器模块均与输出模块连接。
40.可选的，仿真参数包括：目标的材料参数、结构参数，目标的初始姿态，目标初始运动状态，探测器特性参数，目标和探测器的位置以及背景环境等。
41.可选的，输出模块输出的内容为红外灰度图像、红外辐射强度序列、红外灰度图像和红外辐射强度序列按用户指定的存储格式存储的相对应的数据文件的其中一种。
42.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种深空红外微动目标模型构建方法及成像仿真系统，具有以下有益效果：
43.(1)本发明综合考虑环境、目标及红外传感器等多种因素，可为在轨试验、地面测试、探测方法研究提供可靠、便利的数据支撑，解决了对空间目标实测耗费巨大的痛点，具有较高的应用价值；
44.(2)本发明公开了获得红外辐射强度序列的具体过程，综合考虑了目标的表面材料、目标几何结构、目标姿态、目标运动以及目标所处的深空环境等因素，较为全面地模拟了深空环境中微动目标红外辐射特性，为分析处于不同环境以及不同姿态的目标红外辐射特性提供依据；
45.(3)本发明公开了获得探测器视场内目标及背景的红外灰度图像的具体过程，综合考虑了探测器特性参数、探测器噪声以及探测器散焦模糊等因素，通过仿真计算得到目标对探测器产生的辐照，可实时且较为逼真地生成某时刻探测器视场内场景的红外灰度图像，为基于红外图像的目标检测识别提供测试数据；
46.(4)本发明提供输入输出接口，用户可根据需要设定参数得到所需数据内容，具有很强的灵活性；模块化设计，方便升级维护；在保证结果准确的同时简化模型，极大减少了计算开销。
附图说明
47.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现
有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
48.图1为深空红外微动目标模型构建方法的流程图；
49.图2为获得红外辐射强度序列的流程图；
50.图3为获得探测器视场内目标及背景的红外灰度图像的流程图；
51.图4为深空红外微动目标成像仿真系统的结构图；
52.图5为深空红外微动目标成像仿真系统内的仿真流程图；
53.图6为背景环境生成模块的内部流程图。
具体实施方式
54.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。
55.本发明实施例公开了一种深空红外微动目标模型构建方法，如图1所示，包括以下步骤：
56.对包括目标参数、探测器参数及背景环境参数在内的仿真参数进行设置，并根据设置的仿真参数，模拟目标和探测器所处环境；
57.对目标微动及其运动过程中表面的红外辐射特性进行仿真计算，获得微动目标表面温度场及红外辐射强度序列；
58.计算探测器处的辐照度，获得探测器视场内微动目标及背景的红外灰度图像；
59.根据用户需要，将用户所需数据按照指定格式输出。
60.接下来，对图1所示的深空红外微动目标模型构建方法的流程进行详细阐述，以获得进一步了解。
61.首先，关于仿真参数输入。用户可对目标参数、探测器参数以及背景环境参数进行设置，在本实施例中，可根据用户需要设置目标的材料参数、结构参数，目标的初始姿态，目标初始运动状态，探测器特性参数，目标和探测器的位置以及背景环境等等。
62.进一步地，生成目标和探测器所处环境并构建坐标系。背景环境会影响目标表面热交换，进而影响目标表面的辐射，同时，当探测器的视线发生改变时，由于视场内背景环境的改变，成像模型会输出不同的灰度图像，因而背景环境对目标和探测器的工作都存在一定影响。此外，为描述目标的运动、目标与探测器之间的位置关系以及背景天体的位置等，需要一个规范统一的参考标准，因此，本实施例建立了一套坐标系统，可为定位目标和探测器的位置以及描述目标的姿态提供极大地便利。
63.进一步地，对目标微动及其运动过程中表面的红外辐射特性进行仿真计算，参照图2，具体包括以下步骤：
64.目标的几何结构影响着目标表面的热交换过程，进而影响目标表面的温度场及目标的红外辐射。因此，根据设定的目标参数，生成目标几何模型并将目标表面进行面元划分，得到给定坐标系下目标表面面元位置以及表面面元的单位法向量；
65.空间目标(如碎片、火箭残骸等)通常存在着自旋、进动、章动等微动形式，这些微动使得目标姿态发生改变，当目标姿态发生改变时其表面的热平衡状态及探测器中的目标成像都会发生相应地改变。结合目标几何模型，构建目标微动模型，通过仿真计算得到目标在微动过程中任意时刻目标上某点的坐标，即微动目标的瞬时位置；
66.根据普朗克公式可知，决定黑体辐射出射度的因素是黑体的温度和辐射的波长，对于空间目标其表面可以视为灰体，灰体的辐射出射度由其表面温度和发射率共同决定，因此，计算空间目标自身红外辐射特性时必须计算目标的表面温度特性，而物体的表面温度取决于它与周围环境及它们内部自身的热交换和热平衡。在本实施例中，基于生成的目标和探测器所处环境、构建的目标几何模型以及得到的微动目标的瞬时位置，分析目标表面的热平衡状态，建立当前时刻目标表面的热平衡方程，求解该方程得到目标表面的瞬时温度场；根据普朗克辐射定律及朗伯余弦定律，利用目标表面温度求得当前时刻目标的辐射出射度。
67.进一步地，获得探测器视场内微动目标及背景的红外灰度图像，参照图3，具体包括以下步骤：
68.在进行探测器视场内背景成像时，需对背景进行判断。一方面由于探测器视场角有限，只有部分天体能够进入探测器视场，在仿真过程中需对这些天体进行筛选；另一方面由于探测器平台位于空中，当探测器临边探测时，需要考虑临边大气对探测器的影响，获得探测器视场内星空背景的红外灰度图像；
69.由几何光学的知识可以知道，探测器每个像素点的灰度值可以看成是该像素对在视场内一定方向上一定立体角内所有辐射的一个响应，包括目标对所处环境中其他辐射源的反射以及自身辐射在探测器有效辐照面积上的辐照能量。目标自身辐射已由图2所示的方法获得，目标对外部辐射源的反射将通过双向反射分布函数进行仿真计算。当探测器为临边探测时，考虑临边大气对辐射传输的影响，得到目标在探测器处的辐照度；
70.基于设置的目标和探测器的位置，根据三维世界中的坐标与二维图像平面上坐标的映射关系，得到目标上的点对应的像素坐标；根据得到的目标在探测器处的辐照度以及探测器视场内的背景，灰度量化后输出包含背景的目标红外仿真图像；同时，在仿真中模拟探测器受到的噪声干扰及探测器的散焦效应，生成目标及背景的红外灰度图像，可使得输出的图像更为逼真。
71.进一步地，在进行目标红外特性分析及红外图像目标检测识别的过程中，用户对数据内容及数据存储格式有着不同的要求。根据用户需要可以生成相应的红外仿真图像，也可以输出目标红外辐射强度序列，还能够将生成图像和序列按用户指定的存储格式存储并输出与之相对应的数据文件，方便用户对数据进行处理。
72.与图1所述的方法相对应，本发明实施例还提供了一种深空红外微动目标成像仿真系统，用于对图1中方法的具体实现，本发明实施例提供的一种深空红外微动目标成像仿真系统可以应用于计算机终端或各种移动设备中，其结构示意图及内部仿真流程图分别如图4、图5所示，具体结构包括：输入模块、输出模块、目标模块、探测器模块及背景环境生成模块；
73.输入模块是仿真系统的输入部分，提供输入接口，用户可根据需要通过输入模块设置目标的材料参数、结构参数，目标的初始姿态，目标初始运动状态，探测器特性参数，目
标和探测器的位置以及背景环境等仿真参数，且输入模块与背景环境生成模块连接；
74.背景环境生成模块，用于根据仿真参数模拟目标和探测器所处环境，且背景环境生成模块分别与目标模块、探测器模块连接，其内部流程图如图6所示；
75.目标模块是仿真系统的目标红外特性仿真模块，用于对目标微动及其运动过程中表面的红外辐射特性进行仿真计算，获得目标表面温度场及红外辐射强度序列；目标红外特性影响着探测器接收到的红外辐射，进而影响探测器的成像输出，该模块综合考虑了目标的表面材料、目标结构、目标微动引起的姿态变化等因素，结合目标所处环境，分析在目标表面产生的热量交换，构建目标表面热平衡方程，进而得到目标表面的温度场并根据普朗克辐射定律和朗伯余弦定律计算得到目标表面的辐射出射度；
76.探测器模块是仿真系统的红外图像生成模块，用于仿真计算探测器处的辐照度，获得探测器视场内微动目标及背景的红外灰度图像；
77.输出模块是仿真系统的输出部分，提供输出接口，将用户所需数据按指定格式输出，且目标模块和探测器模块均与输出模块连接。具体地，该模块可以根据用户需要生成相应的红外仿真图像，也可输出目标红外辐射强度序列，还能够将生成图像和序列按用户指定的存储格式存储并输出相对应的数据文件，方便用户对数据进行处理。
78.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
79.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。