基于擴(kuò)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(xué)院研究生管理大隊(duì) 煙臺(tái) 264001)(2.海軍航空工程學(xué)院控制工程系 煙臺(tái) 264001)

基于擴(kuò)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(xué)院研究生管理大隊(duì) 煙臺(tái) 264001)(2.海軍航空工程學(xué)院控制工程系 煙臺(tái) 264001)

現(xiàn)有紅外仿真軟件處進(jìn)行人造水霧圖像仿真時(shí),均無(wú)法體現(xiàn)出水霧的擴(kuò)散特性,使仿真圖像真實(shí)度較低。針對(duì)這一問(wèn)題,基于高斯擴(kuò)散模型與MIE散射理論,將水霧空間劃分為多個(gè)子空間,通過(guò)計(jì)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(shí)程度有很大提高。

紅外圖像; 水霧; 擴(kuò)散模型

Class Number TP391.9

1 引言

隨著紅外制導(dǎo)技術(shù)的快速發(fā)展,紅外制導(dǎo)武器對(duì)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中的重要目標(biāo)構(gòu)成了極大的威脅。人造水霧不僅具有經(jīng)濟(jì),環(huán)保等優(yōu)勢(shì),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(duì)抗手段有效地衰減目標(biāo)發(fā)出的紅外輻射,使敵方光電偵查設(shè)備無(wú)法正確捕捉目標(biāo),在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)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(shí),越軍僅僅靠水汽煙幕,使幾十枚激光炸彈沒(méi)有有效命中攻擊目標(biāo)。俄羅斯現(xiàn)代級(jí)驅(qū)逐艦、美國(guó)杜魯門(mén)號(hào)航母和英國(guó)海幽靈護(hù)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(xì)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(jiàn)光和紅外探測(cè)器難以探測(cè)到[1]。

紅外成像仿真對(duì)紅外制導(dǎo)武器的研發(fā)具有重要的推進(jìn)作用,為提高紅外導(dǎo)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(jìn)行模擬測(cè)試,近年來(lái)諸多學(xué)者專(zhuān)家都對(duì)水霧的紅外偽裝性能進(jìn)行了研究分析[2～6]。VEGA、LOWTRAN等軟件雖然都具有專(zhuān)用的紅外仿真模塊,但是這些模塊都是針對(duì)自然形成的霧氣而設(shè)計(jì)[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(wèn)題,仿真過(guò)程中往往都是將水霧看作均勻整體處理,無(wú)法體現(xiàn)出水霧因擴(kuò)散而產(chǎn)生的消光特性差異,因而會(huì)使仿真圖像與真實(shí)圖像差生巨大偏差。本文主要針對(duì)水霧的擴(kuò)散特性,結(jié)合MIE散射理論,建立水霧的衰減模型,并計(jì)算了水霧的消光系數(shù)。最后利用以上計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)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(guò)霧區(qū)后,入射輻射強(qiáng)度為I0的電磁波衰減后輻射強(qiáng)度I為

I=I0e-G·L

(1)

式中:L(m)為入射輻射所經(jīng)過(guò)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(dāng)電磁波穿過(guò)霧區(qū)時(shí),霧滴會(huì)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(zhǎng)小于或相當(dāng)于圓球直徑時(shí),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(gè)/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(dá)式為

(3)

式中:σ為霧滴半徑標(biāo)準(zhǔn)差;rm為霧滴平均半徑。

消光系數(shù)Qext可由式(4)計(jì)算:

(4)

式中:x=2πr/λ,λ(μm)為電磁波波長(zhǎng);an、bn、n與電磁波波長(zhǎng)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(zhǎng)相當(dāng),所以可以采用MIE理論進(jìn)行計(jì)算。

2.2 高斯擴(kuò)散模型

假設(shè)地面無(wú)吸收和吸附作用,水霧本身是無(wú)沉降的被動(dòng)成分,地面對(duì)污染物的作用猶如一個(gè)全反射體,風(fēng)速大于,風(fēng)向恒定,地面水平均一,由梯度傳送理論及統(tǒng)計(jì)理論推導(dǎo)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(diǎn)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(shí)噴嘴口的霧滴噴出平均速度;H(m)為水霧對(duì)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(kuò)散方差,與大氣穩(wěn)定度及地形參數(shù)有關(guān)。本文針對(duì)草地背景的地面目標(biāo),故查表可得相應(yīng)參數(shù)。

表1 Briggs穩(wěn)定度等級(jí)

表2 草地的Briggs內(nèi)插值

由高斯擴(kuò)散公式可知,處于不同位置的水霧會(huì)因?yàn)殪F滴擴(kuò)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(chǎng)環(huán)境對(duì)抗特定的紅外波段時(shí)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(dǎo)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(kuò)散模型的關(guān)鍵點(diǎn)。結(jié)合高斯擴(kuò)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(biāo)為(x,y,z)處的水霧霧滴密度數(shù)(個(gè)/m3);ρ為霧滴密度(g/cm3)。

2.3 水霧紅外輻射透過(guò)率的計(jì)算

由高斯擴(kuò)散模型可以計(jì)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(jì)算水霧的紅外輻射透過(guò)率e-G·L,不妨把霧區(qū)平均分成多個(gè)體積相同的正方體,每個(gè)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(gè)正方體內(nèi)的水霧參數(shù)由正方體中心點(diǎn)的水霧特性參數(shù)決定。因此式(1)可以改寫(xiě)為

(7)

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

3 實(shí)驗(yàn)仿真

3.1 仿真假設(shè)與說(shuō)明

1) 紅外輻射波長(zhǎng)取λ=10.6μm(m=1.178+0.071j),霧滴平均半徑r=7μm,霧滴半徑標(biāo)準(zhǔn)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(shí)噴嘴口的霧滴噴出平均速度u=0.5m/s;水霧對(duì)紅外輻射衰減的有效高度h=0m。

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

4) 大氣穩(wěn)定度為A,風(fēng)速沿x軸正向,設(shè)每個(gè)小正方體邊長(zhǎng)為1m。

5) 水霧釋放點(diǎn)源為坐標(biāo)軸原點(diǎn),觀察者坐標(biāo)為(50,0,0)。

圖1 坐標(biāo)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(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。將計(jì)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(shí),目標(biāo)車(chē)輛的紅外圖像;圖2(b)表示使用水霧擴(kuò)散模型進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算,經(jīng)過(guò)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(jì)算數(shù)值后,經(jīng)過(guò)灰度處理后的的仿真圖像。對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),無(wú)論是傳統(tǒng)模型,還是擴(kuò)散模型均能夠較好地體現(xiàn)出水霧對(duì)于紅外輻射的衰減作用。但是仔細(xì)對(duì)比觀察圖2(b)與圖2(c)就不難發(fā)現(xiàn),前者更符合實(shí)際情況。這是因?yàn)樵趯?shí)際戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中,由一點(diǎn)源產(chǎn)生的人造水霧很難做到完全遮蔽目標(biāo),且產(chǎn)生的水霧能夠均勻分布,對(duì)紅外輻射的衰減作用處處相等也是不可能實(shí)現(xiàn)的。

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

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有紅外仿真軟件處理水霧紅外圖像時(shí)所遇到的問(wèn)題,結(jié)合高斯擴(kuò)散模型與MIE散射理論,建立了新型水霧紅外衰減模型。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真,得到的紅外圖像的真實(shí)性較傳統(tǒng)仿真方法有較大提高。水霧的擴(kuò)散模型同時(shí)可以模擬不同戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境,可以模擬如風(fēng)速、風(fēng)向等對(duì)水霧消光性能的影響,而這也是現(xiàn)有仿真軟件難以實(shí)現(xiàn)的?？偟膩?lái)說(shuō),這種建模方法對(duì)今后開(kāi)發(fā)新型光電對(duì)抗模擬軟件具有一定的參考價(jià)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(duì)抗。

TP391.9

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.027