海陆场景的红外实时仿真研究

发布时间：2017-03-23 04:18

  本文关键词：海陆场景的红外实时仿真研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：红外成像仿真在现代技术快速发展下的国防战术演练、目标探测识别及灾害救援及其他军事民用领域具有重要应用价值。现有的红外仿真方法主要是针对空中或陆地目标场景、或是针对单一海场景静态目标的,而对动态海陆场景的建模及实时仿真则少有涉及。而在现代战争条件下的导弹制导仿真中,对大尺度不同地形种类多光谱的可信度仿真有着迫切的需求。为此,本文在前人基础上整合实现了一种针对海陆场景特点的红外实时仿真方法,该方法包含了对陆地场景、海洋场景的红外建模、目标与环境的相互热作用建模及整体仿真系统的优化和实时加速绘制。基于红外物理学理论和现有仿真成像研究模型,本文实现了一套适用于海洋和陆地场景的红外仿真框架,将不同目标的红外仿真成像归纳并入统一成像过程中。对于陆地场景,采用了基于热材质物理属性的表面红外转制生成计算模型；对于海洋场景,考虑环境因素,基于红外自身辐射与反射计算模型,求解出海面背景的温度场分布及零视距辐射；针对舰船这类结构较为复杂的海面目标,提出了一个基于网格法思想的温度场迭代求解模型,该方法在微分传热方程的基础上,将舰船模型的传热问题转化为内热源传热求解及外表面的二维传热求解问题,通过预计算获取内热源对外表面各点的实际传热功率,再通过基于纹理的外表面热平衡方程求解获取其温度场分布,进而绘制出其红外仿真图形。本方法可在预计算的基础上,通过并行计算实现舰船模型的实时红外仿真。在此基础上,建立并实现了一个海陆场景红外仿真系统。该仿真系统实现了海陆综合场景的红外仿真框架,系统支持用户自定义的内热源场景设置和热物理设置,具有良好的交互性和可扩展性,同时采用GPU加速技术对求解过程进行优化,实现了大规模海陆红外场景的动态实时仿真及虚拟漫游。在论文最后,作者对本文的工作进行了总结,并指出了进一步研究的方向。
【关键词】：红外仿真成像 海陆场景 红外建模 实时绘制 网格法温度场迭代求解 内热源交互设置 GPU加速
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP391.9;TN219
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-15
• 第1章 绪论15-22
• 1.1 引言15
• 1.2 课题背景和意义15-17
• 1.3 相关工作17-19
• 1.4 本文研究目标和内容19-20
• 1.5 本文组织结构20-22
• 第2章 红外成像仿真基础理论和计算模型22-40
• 2.1 引言22
• 2.2 红外成像过程基础理论22-34
• 2.2.1 物理过程22-23
• 2.2.2 红外物理基本概念与定义23-24
• 2.2.3 红外物理基本过程与定理24-27
• 2.2.3.1 黑体与黑体辐射24-25
• 2.2.3.2 普朗克黑体辐射定律25
• 2.2.3.3 维恩位移定律25-26
• 2.2.3.4 斯特潘-玻尔兹曼定律26
• 2.2.3.5 傅里叶定律26
• 2.2.3.6 物体表面对外部辐射的反射、吸收与透射26-27
• 2.2.4 零视距辐射计算27-28
• 2.2.4.1 自身辐射27
• 2.2.4.2 反射辐射27-28
• 2.2.5 大气传输28-30
• 2.2.6 设备成像变换30-34
• 2.2.6.1 噪声效应30-31
• 2.2.6.2 渐晕效应31-32
• 2.2.6.3 模糊效应32-33
• 2.2.6.4 信号-灰度转换33-34
• 2.3 热计算的外部影响因素计算方法34-39
• 2.3.1 气温34-35
• 2.3.2 相对湿度35
• 2.3.3 太阳辐射强度35-37
• 2.3.4 大气辐射强度37
• 2.3.5 外部影响因素的程序实现37-39
• 2.4 本章小结39-40
• 第3章 基于材质模型的陆地场景红外仿真40-58
• 3.1 引言40
• 3.2 地形表示方法40-43
• 3.2.1 高度图40-41
• 3.2.2 地形模型优化方法41-43
• 3.3 基于材质的热计算模型43-50
• 3.3.1 热平衡方程43-45
• 3.3.2 基于材质的计算模型45-46
• 3.3.3 单一表面的热计算46
• 3.3.4 红外材质数据库46-48
• 3.3.5 多层表面的热计算48-49
• 3.3.6 植被的热计算49-50
• 3.3.7 人的红外模拟50
• 3.4 基于材质的热计算模型在陆地场景红外仿真中的应用50-57
• 3.4.1 基于材质的热计算模型的程序实现51-55
• 3.4.2 基于材质的热计算模型的地形红外仿真实现结果55-57
• 3.5 本章小结57-58
• 第4章 海面场景的红外仿真绘制58-89
• 4.1 引言58
• 4.2 海洋表面波形仿真58-61
• 4.2.1 基于构造法的简单海面波形生成方法58-59
• 4.2.1.1 线性波59
• 4.2.1.2 Gerstner模型59
• 4.2.2 基于海浪谱的海面波形生成方法59-60
• 4.2.3 基于Phillips谱的海面波形生成方法60-61
• 4.3 海面红外仿真模型61-67
• 4.3.1 海面温度与环境因素计算61-66
• 4.3.1.1 海面温度的计算61-63
• 4.3.1.2 太阳辐射与天空辐射的计算63
• 4.3.1.3 海面物体辐射的计算63-66
• 4.3.2 海面的零视距红外辐射计算66-67
• 4.4 海面红外仿真细节实现67-68
• 4.4.1 舰船艏浪的实现67
• 4.4.2 舰船船行波与艉浪的实现67-68
• 4.5 海面红外仿真的系统实现68-71
• 4.5.1 海面红外仿真的程序实现68-70
• 4.5.2 海面红外仿真的实现结果70-71
• 4.6 含内热源的舰船红外仿真精细建模71-88
• 4.6.1 基于网格的红外仿真计算方法71-74
• 4.6.2 基于主要传热面的舰船温度计算模型构建74-78
• 4.6.3 基于主要传热面的舰船温度计算模型实现78-83
• 4.6.3.1 实时仿真的外表面数据结构78-79
• 4.6.3.2 内热源影响的预计算79-82
• 4.6.3.3 实时仿真的网格温度场分布迭代求解82-83
• 4.6.4 基于DirectCompute的GPU并行加速83
• 4.6.5 基于内热源的舰船红外仿真模型程序实现83-88
• 4.7 本章小结88-89
• 第5章 海陆红外综合仿真系统的实现89-110
• 5.1 引言89
• 5.2 仿真系统设计框架89-98
• 5.2.1 开发环境和工具89-91
• 5.2.2 系统框架与模块设计91-98
• 5.2.2.1 地形92-95
• 5.2.2.2 海面95-96
• 5.2.2.3 舰船96-98
• 5.3 海陆红外综合仿真系统实现结果98-109
• 5.3.1 系统仿真环境98
• 5.3.2 海陆场景红外仿真结果98-104
• 5.3.2.1 场景设置与内热源计算模型设置98-100
• 5.3.2.2 海陆场景红外图像仿真结果100-104
• 5.3.3 仿真性能分析104-109
• 5.3.3.1 初始化步骤性能分析104-105
• 5.3.3.2 舰船内热源预计算性能分析105-107
• 5.3.3.3 多层表面热计算模型性能分析107-108
• 5.3.3.4 舰船表面热计算模型性能分析108-109
• 5.4 本章小结109-110
• 第6章 总结与展望110-112
• 6.1 本文工作总结110-111
• 6.2 未来工作展望111-112
• 参考文献112-115
• 攻读硕士学位期间主要的研究成果115-116
• 致谢116

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 张先明;慢扫描红外热像仪之应用[J];激光与红外;1990年06期

2 ;第二代红外热像仪研究取得突破性进展[J];激光与红外;2000年01期

3 袁昕;红外热像仪在电器设备安全检测中的应用[J];消防科学与技术;2004年S1期

4 李连清;多用途便携式红外热像仪[J];宇航材料工艺;2004年04期

5 胡碧茹,吴文健,满亚辉,李蒙;红外热像仪定性评判烟幕的遮蔽效果[J];国防科技大学学报;2004年04期

6 杨爱明,杨宇,余仕汝,高绍阳,张曙;红外热像仪用于医学中[J];红外技术;2004年06期

7 吴华;;红外热像仪在灭火救援中的应用[J];消防科学与技术;2006年S1期

8 张先明;;红外热像仪测温功能分析[J];激光与红外;2007年07期

9 曹义;程海峰;郑文伟;才鸿年;成绍军;;基于红外热像仪的涂层波段发射率测量[J];红外技术;2007年06期

10 姜宁;;利用红外热像仪提高维护工作的效率[J];江苏通信;2007年05期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 李颖文;陈福胜;杨长城;罗艳;;浅谈红外测试标准的传递[A];2007年红外探测器及其在系统中的应用学术交流会论文集[C];2007年

2 沈建祥;冯根霞;;红外热像仪在建筑检测中的应用[A];第十届全国建设工程无损检测技术学术会议论文集[C];2008年

3 赵松庆;吴根水;刘晓宁;;红外动态景象生成装置辐射特性测试方法[A];第二届红外成像系统仿真测试与评价技术研讨会论文集[C];2008年

4 李旭东;秦艳;惠渭生;谢毅;谢琪;;浅析测温红外热像仪的外场测温[A];第十三届全国光学测试学术讨论会论文（摘要集）[C];2010年

5 胡铁力;李旭东;付建明;王学新;薛战理;闫晓宇;;双黑体反射型靶标红外热像仪参数测量装置[A];第十届全国光学测试学术讨论会论文（摘要集）[C];2004年

6 葛卫龙;蔡永涛;华良洪;;海军光电装备红外热像仪保障能力建设探讨[A];武备维修保障理论与应用：中国造船工程学会学术论文集.3[C];2013年

7 李相民;倪国强;;红外热像仪的噪声分析[A];第二届红外成像系统仿真测试与评价技术研讨会论文集[C];2008年

8 曹玉芬;孟祥玮;陈汉宝;郑子龙;刘海成;;红外热像仪在温排物理模型试验中应用[A];第十四届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集（下册）[C];2009年

9 李忠升;吴颖霞;王小兵;;红外热像仪对海上舰船探测识别试验技术研究[A];第十二届全国光学测试学术讨论会论文（摘要集）[C];2008年

10 沈建祥;冯根霞;;红外热像仪与建筑质量检测[A];全国混凝土新技术、新标准及工程应用——“全国混凝土新技术、新标准及工程应用”学术交流会暨混凝土质量委员会和建筑材料测试技术委员会2010年年会论文集[C];2010年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 河北滦县电力局 安华 王小强;浅谈红外热像仪在供电企业的应用[N];国家电网报;2008年

2 记者 陈捷　编辑 邱江;高德红外募资建产业化基地 红外热像仪产能将扩2倍多[N];上海证券报;2010年

3 广发证券 惠毓伦;大立科技 红外热像仪行业领先[N];证券时报;2008年

4 证券时报记者 邵小萌;高德红外产业化基地正式开工[N];证券时报;2010年

5 国泰君安;高德红外：车载夜视成本有望大降2/3[N];东方早报;2013年

6 本报记者 王小龙;让红外热像仪成摆设[N];科技日报;2014年

7 陈仁松;红外热像仪抗非典显威力[N];中国知识产权报;2003年

8 吴继平;工业检测型红外热像仪标准开始实施[N];中国电力报;2006年

9 本报记者　 曹玲娟;用红外的“眼睛”看世界[N];人民日报;2006年

10 ;大立科技(002214)规模与产能扩张带来发展前景[N];中国证券报;2008年

中国博士学位论文全文数据库 前5条

1 岳振;实时红外偏振融合关键技术研究[D];中国科学院研究生院(上海技术物理研究所);2015年

2 李云红;基于红外热像仪的温度测量技术及其应用研究[D];哈尔滨工业大学;2010年

3 陆子凤;红外热像仪的辐射定标和测温误差分析[D];中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）;2010年

4 杨乐;红外双波段景象仿真与测试系统的研究[D];中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）;2012年

5 张建忠;红外双波段视景仿真器光学系统的研究[D];中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）;2013年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 彭利军;SF_6气体检漏红外热像仪的设计与实现[D];江西农业大学;2015年

2 石川凌;海陆场景的红外实时仿真研究[D];浙江大学;2016年

3 陈丙瑞;红外热像仪在医学中的应用与测量误差的研究[D];燕山大学;2009年

4 李操;测温红外热像仪测温精度与外界环境影响的关系研究[D];长春理工大学;2008年

5 李军;红外锗透镜加工工艺研究[D];西安工业大学;2012年

6 耿众;中红外热像仪系统补偿和定标的研究[D];大连海事大学;2012年

7 邱翰;红外热像仪软件系统研究[D];华中科技大学;2006年

8 付彦东;复杂场景快速变化DMD红外信源生成技术研究[D];长春理工大学;2012年

9 王泽伟;红外热像仪整机运动参数分析及测试系统研究[D];北京交通大学;2015年

10 王勇;基于ARM9红外热像仪的设计与实现[D];武汉理工大学;2009年

  本文关键词：海陆场景的红外实时仿真研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：262924