复杂地球大气和目标光谱辐射散射特性研究

发布时间：2020-10-14 02:24

　　 目标及环境背景的光学辐射散射特性的研究为目标探测、识别,制导武器导引头的设计,目标隐身设计及评估等提供基础数据。目标探测及隐身设计的根本依据是目标与周围环境背景辐射散射特征的差异,而且目标与环境背景之间的辐射是相互作用、相互影响耦合在一起的,所以只有同时研究目标及环境背景的辐射散射特性才有意义。本文结合遥感数据,完成各向异性粗糙海面辐射散射特性,非均匀、非朗伯地面辐射散射特性,目标对背景辐射的散射的理论建模,完成天/地基探测目标散射强度仿真:在可见-红外波段,目标表面通常呈现粗糙性。双向反射分布函数(Bidirectional Reflectance Distribution,BRDF)用来描述粗糙目标表面散射的各向异性。基于粗糙面散射系数与BRDF的内在联系,利用Kirchhoff近似方法计算样片的散射系数,间接获得粗糙样片的光谱BRDF。结合遗传算法,优化BRDF五参数半经验统计模型中的参数,完成目标样片光谱BRDF统计建模,建模结果与直接计算结果吻合较好。研究目标对背景辐射的散射以及目标辐射的传输时,多使用MODTRAN内置的大气模型,这些模型分别为美国标准大气模型和全球相应纬度上大气参数的平均,忽略了地区、季节差异。鉴于我国幅员辽阔,气候类型多样,基于欧洲中期数值预报中心(European Center for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)的再分析数据ERA-Interim构建了我国境内不同区域四季的大气模型,结合MODTRAN 6.0计算分析了我国不同区域,不同季节,不同观测条件下太阳辐照度、大气透过率、天空背景亮度分布,构建数据库作为研究目标及环境辐射散射特性的基础。海洋是战场环境下的一种主要背景。本文在Wu-Smith海面发射率(Sea Surface Emissivity,SSE)模型的基础上考虑了风向对SSE的影响,建立了各向异性海面发射率模型,综合分析了海面发射率随波长、发射角、风速、风向等因素的变化。简要介绍了Ross海面BRDF模型,分析了海面BRDF随入射、散射方位及风速、波长的变化规律。结合ECMWF提供的海面温度和海面上方风速、风向数据,建立了非均匀、非朗伯海面亮度分布模型,与实验结果吻合较好,在此基础上分析了我国周边海域不同季节海面亮度分布规律。地表地物种类繁多,且影响其辐射、散射特性的影响因素众多,理论建模困难,鉴于遥感观测能提供大空间,长时间覆盖的数据,文中基于中分辨率成像光谱辐射计(MODerate resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)数据,分析了我国境内4种主要地物(混合林地、草地、耕地和荒地)的光谱发射率,BRDF,反照率时间、空间、光谱分布特性,分析了土壤湿度及积雪的影响。在些基础上,完成了非均匀、非朗伯地面亮度分布的理论建模。目标表面对环境背景辐射的散射是目标亮/强度的重要构成部分。本文基于CAD完成复杂目标几何建模,将其表面剖分成三角形面元,结合计算机图形学库Open GL(Open Graphics Library)完成了不可见面元的消隐处理,完成了非朗伯面目标(包括掠海飞行目标、固定翼飞机、钝头锥和卫星等)对阳光、天空背景、非均匀、非朗伯地/海面背景辐射的散射建模。通常复杂目标表面面元多达数万甚至数十万,且天空、地/海面背景辐射分布在全天球,传统的基于CPU的串行程序通常需要数小时甚至数天才能获得一条目标完整的亮度空间分布曲线,极大地限制了目标特性研究及工程应用。本文基于Open MP(Open Multi-Processing),Open ACC(Open Accelerating)和CUDA(Compute Unified Device Architecture)并行编程模型等将目标对复杂环境背景辐射的散射的计算移植到多核CPU/多CPU,CPU-Xeon Phi,CPU-GPU等多种平台,实现了并行计算,并根据硬件特点采用相关的优化方法,实现了目标散射亮/强度的准实时计算。光学探测是天/地基探测空间目标的重要方法,本文基于STK(Systems Tool Kit)软件构建空间目标的轨道及姿态,充分利用STK输出相关的报告,经坐标变换,完成了多台站地基及天基探测空间目标散射强度分布计算。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TJ765.331
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
符号对照表
缩略语对照表
第一章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 国内外研究动态
        1.2.1 天空背景辐射散射特性研究进展
        1.2.2 地物背景辐射散射特性研究进展
        1.2.3 海洋背景辐射散射特性研究进展
        1.2.4 BRDF测量及优化统计建模研究进展
        1.2.5 目标对背景辐射的散射特性研究进展
        1.2.6 并行计算研究进展
    1.3 论文主要内容与结构安排
    1.4 论文主要创新点
第二章 地球大气系统及目标散射特性基础
    2.1 红外辐射基本概念及定律
        2.1.1 常用辐射物理量
        2.1.2 红外辐射基本定律
    2.2 双向反射分布函数
        2.2.1 定义
        2.2.2 激光雷达散射截面
        2.2.3 基于粗糙面散射理论BRDF计算
        2.2.4 半经验五参数BRDF模型简介
        2.2.5 基于遗传算法的BRDF模型参数优化统计建模
    2.3 阳光地球大气系统辐射
        2.3.1 MODTRAN简介
        2.3.2 我国各区域不同季节大气模型构建
        2.3.3 大气透过率
        2.3.4 阳光辐照度分布
        2.3.5 天空背景辐射特性
    2.4 本章小结
第三章 粗糙海面可见-红外光谱辐射散射特性
    3.1 引言
    3.2 我国周边海域大气模型
    3.3 海面光谱发射率
        3.3.1 各向异性粗糙海面发射率理论建模
        3.3.2 结果验证
        3.3.3 SSE分布特性分析
    3.4 可见-红外波段海面光谱BRDF分布
        3.4.1 理论建模
        3.4.2 海面光谱BRDF特性分析
    3.5 我国周边海域海面亮度分布特性
        3.5.1 我国周边海域海面温度时空分布特性
        3.5.2 中国周边海域风速风向分布
        3.5.3 可见-长波红外海面亮度分布建模
        3.5.4 中/长波海面亮度分布实验测量与理论模型校验
    3.6 本章小结
第四章 非均匀非朗伯地表光谱辐射散射特性
    4.1 引言
    4.2 中国境内典型地表中/长波红外发射率的时空谱分布特性
        4.2.1 典型地表发射率随时间变化
        4.2.2 发射率随土壤温湿度的变化
        4.2.3 发射率随积雪的变化
    4.3 地表可见/短波红外BRDF时空分布特性
        4.3.1 MCD43简介
        4.3.2 线性核驱动BRDF模型
        4.3.3 典型地表BRDF分布
    4.4 典型地表宽波段反照率时空分布
        4.4.1 反照率定义
        4.4.2 WSA随季节变化
        4.4.3 WSA随积雪覆盖率的变化
    4.5 地表辐射亮度分布
        4.5.1 均匀朗伯地表亮度分布
        4.5.2 非均匀非朗伯地表亮度分布
    4.6 本章小结
第五章 复杂背景环境中目标光散射特性
    5.1 引言
    5.2 目标几何建模及消隐
        5.2.1 几何建模
        5.2.2 消隐
    5.3 坐标系定义及坐标变换
        5.3.1 坐标系定义
        5.3.2 坐标变换
    5.4 非均匀非朗伯地表复杂环境背景中目标光学散射特性
        5.4.1 理论建模
        5.4.2 结果校验
        5.4.3 掠海飞行目标红外波段光谱散射特性
        5.4.4 空中固定翼飞机红外波段散射特性
        5.4.5 卫星及钝头锥可见光波段散射特性
    5.5 本章小结
第六章 目标可见-红外波段散射特性的并行计算实现
    6.1 引言
    6.2 基于多核CPU/多CPU平台的并行计算实现
        6.2.1 Open MP编程模型简介
        6.2.2 基于Open MP并行实现目标散射亮度并行计算
    6.3 基于CPU-Xeon Phi异构平台的并行计算实现
        6.3.1 Xeon Phi简介
        6.3.2 MIC-native模式实现目标散射亮度并行计算
        6.3.3 MIC-offload模式实现目标散射亮度并行计算
    6.4 基于CPU-GPU异构平台的并行计算实现
        6.4.1 GPU并行编程模型简介
        6.4.2 基于Open ACC的目标散射亮度并行计算实现
        6.4.3 基于CUDA的目标散射亮度并行计算实现
    6.5 本章小结
第七章 空间动态目标可见光散射特性
    7.1 引言
    7.2 坐标系的定义及转换
        7.2.1 坐标系定义
        7.2.2 姿态描述及坐标转换
    7.3 地基探测空间目标散射强度分布
        7.3.1 场景建模
        7.3.2 计算分析输出报告
        7.3.3 地基探测中段高速目标可见光波段光谱散射特性
        7.3.4 地基探测卫星可见光波段光谱散射特性
    7.4 天基探测空间目标可见光谱特性
        7.4.1 天基探测中段高速目标可见光波段光谱散射特性
        7.4.2 天基探测卫星可见光波段光谱散射特性
    7.5 本章小结
第八章 总结与展望
    8.1 总结
    8.2 研究展望
附录A
附录B
参考文献
致谢
作者简介

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本文编号：2840038