光電成像原理與技術(shù)Chapter3-輻射源與典型景物輻射

第三章輻射源與典型景物輻射黑體輻射定律輻射源及其特性2/5/2023黑體輻射定律基爾霍夫定律：熱輻射：物體因溫度而輻射能量的現(xiàn)象叫熱輻射。只要溫度高于絕對(duì)零度的物體都將產(chǎn)生輻射。當(dāng)輻射能入射到物體表面時(shí)，被吸收的能量與入射總能量之比，成為物體的吸收本領(lǐng)αλ；被反射的能量與入射總能量之比，成為物體的反射本領(lǐng)ρλ。顯然，不透明物體的吸收與反射本領(lǐng)之和為1。實(shí)驗(yàn)指出，物體的發(fā)射本領(lǐng)（即輻射出射度）和吸收本領(lǐng)之間有一定關(guān)系。基爾霍夫定律：物體的輻射出射度M和吸收本領(lǐng)α的比值與物體的性質(zhì)無(wú)關(guān)，都等于同一溫度下絕對(duì)黑體(α=1)的輻射出射度M0?；鶢柣舴蚨刹坏珜?duì)所有波長(zhǎng)的全輻射，而且對(duì)波長(zhǎng)為λ的任何單色輻射也都正確。它是一切物體熱輻射的普遍定律，表明吸收本領(lǐng)大的物體，其發(fā)射本領(lǐng)也大，如物體不能發(fā)射某波長(zhǎng)的輻射能，則也不能吸收該波長(zhǎng)的輻射能，反之亦然。顯然，黑體對(duì)于任何波長(zhǎng)在單位時(shí)間單位面積上發(fā)射或吸收的輻射能都比同一溫度下的其它物體高。AB2/5/2023黑體輻射定律基爾霍夫定律：輻射發(fā)射率（比輻射率）ελ

：在相同溫度下，輻射體的光譜輻射出射度與黑體的光譜輻射出射度之比。黑體，ελ＝1；灰體，ελ

＝ε<1，與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)；選擇體，ελ

<1，且隨著波長(zhǎng)和溫度變化。2/5/2023黑體輻射定律黑體輻射定律：普朗克定律：描述黑體輻射出射度隨波長(zhǎng)和溫度的函數(shù)關(guān)系。式中c1,c2是第一第二輻射常數(shù)。斯蒂芬－玻爾茲曼定律（全波長(zhǎng)輻射定律）:由普朗克公式在全波段積分得到。維恩位移定律（峰值波長(zhǎng)與溫度的定律）：對(duì)普朗克公式求極值得到。最大輻射定律：把峰值波長(zhǎng)帶入普朗克公式而得。2/5/2023輻射源及其特性人工目標(biāo)輻射源腔型黑體輻射源面型黑體輻射源自然環(huán)境輻射及其在目標(biāo)上的反射典型軍事目標(biāo)輻射自然輻射源紅外場(chǎng)景仿真器用于在室內(nèi)模擬實(shí)際環(huán)境和狀態(tài)的紅外場(chǎng)景。2/5/2023腔型黑體輻射源(a)(b)(c)(d)LLLL2R2R2R2R2/5/2023面型黑體輻射源靶標(biāo)靶標(biāo)支撐架黑體源靶標(biāo)溫度傳感器2/5/2023輻射源及其特性典型軍事目標(biāo)輻射地面目標(biāo):目標(biāo)溫度低,輻射能量小,且輻射多集中在8~14微米海上目標(biāo)：目標(biāo)排氣筒部分溫度較高，其余部分溫度低，目標(biāo)與背景輻射特性差異大?？罩心繕?biāo)：目標(biāo)速度快、體積小，溫度高能發(fā)射很強(qiáng)的紅外輻射。飛機(jī)的輻射：尾噴管、排出氣流、蒙皮的熱輻射海上目標(biāo)的輻射：艦船的煙囪是較強(qiáng)的輻射源，峰值波長(zhǎng)在8微米左右，盡管艦體溫度與海水溫度相近，但二者的輻射發(fā)射率差異大，且海水的輻射發(fā)射率不斷變化，易造成目標(biāo)與背景的大對(duì)比度。地面車(chē)輛輻射：車(chē)輛的排氣管最熱，其次是發(fā)動(dòng)機(jī)外殼，運(yùn)動(dòng)中車(chē)輛的傳動(dòng)裝置、輪胎等。炮口閃光：人體的輻射：在2微米以上的波段輻射與黑體基本一致，峰值波長(zhǎng)在8~14微米波段。2/5/2023軍事目標(biāo)輻射源渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)示意圖2/5/2023軍事目標(biāo)輻射源－飛機(jī)噴口的輻射強(qiáng)度角分布2/5/2023軍事目標(biāo)輻射源－三叉戟和米格15M飛機(jī)噴口的輻射光譜分布2/5/2023軍事目標(biāo)輻射源－波音707排出氣體流的等溫線，及輻射隨距離的衰減2/5/2023軍事目標(biāo)輻射源－炮口閃光的光譜分布2/5/2023自然輻射源太陽(yáng)：射至地球的太陽(yáng)輻射功率、光譜分布與太陽(yáng)高度、大氣狀態(tài)關(guān)系很大。地球：主要由反射和散射的太陽(yáng)光以及自身熱輻射組成，有兩個(gè)光譜峰值：0.5微米（來(lái)自太陽(yáng)）10微米處的自身輻射。月球：主要包括反射的太陽(yáng)輻射和自身的輻射，近似于400K黑體，峰值在7.24微米星球：其輻射量對(duì)地球很小，用星等來(lái)描述星的亮度。大氣輝光：產(chǎn)生于70km以上的大氣層中，是夜天輻射的主要組成部分，由不能到達(dá)地面的太陽(yáng)紫外輻射在高層大氣中激發(fā)原子并與分子發(fā)生低幾率碰撞，是其產(chǎn)生的原因。夜天空輻射：由上述各種自然輻射共同構(gòu)成，除可見(jiàn)光外包含大量豐富的近紅外輻射，正是微光夜視系統(tǒng)所利用的波段。2/5/2023在平均地-日距離上太陽(yáng)的的光譜分布2/5/2023典型地物的光譜輻亮度2/5/2023月球輻射特性2/5/2023星等的概念星的亮度用星等衡量，以在地球大氣層外所接收的星光輻射產(chǎn)生的照度來(lái)衡得。規(guī)定星等相差五等照度比為100倍，即相鄰兩等星得照度比為2.512倍。規(guī)定零等星的照度為2.65X10-4lx，比零等星亮的星等為負(fù)。2/5/2023大氣輝光和夜天光2/5/2023光電系統(tǒng)的半實(shí)物模擬仿真其他相關(guān)模型及計(jì)算軟件噪聲模型及仿真軟件仿真結(jié)果顯示輸出模擬噪聲輸出圖像輸出圖像輸出分析結(jié)果輸出相關(guān)數(shù)據(jù)物理模擬仿真系統(tǒng)圖像信息處理與分析實(shí)際成像系統(tǒng)目標(biāo)及背景模擬仿真器物理（半實(shí)物）仿真工作框圖2/5/2023光電系統(tǒng)的半實(shí)物模擬仿真半實(shí)物的紅外仿真系統(tǒng)主要由仿真計(jì)算機(jī)、圖形發(fā)生計(jì)算機(jī)、紅外目標(biāo)仿真器、紅外場(chǎng)景投影光學(xué)系統(tǒng)、伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和載機(jī)模擬運(yùn)動(dòng)飛行轉(zhuǎn)臺(tái)組成。其中光電仿真系統(tǒng)可通過(guò)兩種途徑傳遞場(chǎng)景信息：一是采用光學(xué)投影模式；二是信號(hào)直接注入。信號(hào)注入模式是通過(guò)界面不經(jīng)過(guò)光學(xué)投影系統(tǒng)將場(chǎng)景信息直接送入光電傳感器的電子組件,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的仿真測(cè)試。2/5/2023光電系統(tǒng)的半實(shí)物模擬仿真

紅外場(chǎng)景生成計(jì)算機(jī)(CIG)：接受仿真計(jì)算機(jī)的指令，根據(jù)各種模型或數(shù)據(jù)庫(kù),實(shí)時(shí)產(chǎn)生實(shí)戰(zhàn)紅外場(chǎng)景圖像，并傳給紅外目標(biāo)再現(xiàn)發(fā)生器,經(jīng)轉(zhuǎn)換成為能被探測(cè)器接收的輻射圖像。詳細(xì)地仿真來(lái)自天空、太陽(yáng)光、目標(biāo)、地物和大氣的輻射分量。解決這一問(wèn)題需要若干技術(shù)的集成，包括實(shí)時(shí)IR現(xiàn)像學(xué)建模、IR建模及數(shù)據(jù)庫(kù)研制、實(shí)時(shí)場(chǎng)景再現(xiàn)和測(cè)試中的系統(tǒng)仿真。

2/5/2023光電系統(tǒng)的半實(shí)物模擬仿真

目標(biāo)再現(xiàn)發(fā)生器：接受C1G的圖像信號(hào)，將CIG生成的圖像轉(zhuǎn)換為具有紅外輻射特征能被探測(cè)器接收的紅外圖像,被光學(xué)投影系統(tǒng)接收，并將其準(zhǔn)直成平行光投影到傳感器系統(tǒng)。它的技術(shù)要求主要是空間分辨率、光譜分辨率和時(shí)間分辨率。

二維目標(biāo)運(yùn)動(dòng)伺服系統(tǒng)：接受系統(tǒng)仿真計(jì)算機(jī)仿真指令，準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)火控系統(tǒng)所攻擊目標(biāo)的機(jī)動(dòng)范圍。

三軸飛行模擬器：實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)的載機(jī)運(yùn)動(dòng)，完全再現(xiàn)載機(jī)空間各種運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。2/5/2023光電系統(tǒng)的半實(shí)物模擬仿真國(guó)外幾種典型紅外仿真系統(tǒng)有：1.熱電阻面陣實(shí)時(shí)成像仿真系統(tǒng)W1SP；2.激光二極管面陣實(shí)時(shí)成像仿真系統(tǒng)；3.滑動(dòng)變焦式光電仿真系統(tǒng)；4.多目標(biāo)點(diǎn)源仿真系統(tǒng)；5.IR-CRT仿真系統(tǒng)；6.IR液晶光閥仿真系統(tǒng)。其中，后兩種是美國(guó)早期研制的紅外仿真投影系統(tǒng)，這類(lèi)系統(tǒng)存在的嚴(yán)重缺點(diǎn)是圖像閃爍及幀速低,不能滿足武器系統(tǒng)的仿真需求?，F(xiàn)在己成功使用的面陣式目標(biāo)源,其分辨率達(dá)到512×512，幀速達(dá)到100Hz以上,對(duì)模擬場(chǎng)景的空間、時(shí)間和光譜分辨率有嚴(yán)格要求,可滿足紅外制導(dǎo)、前視紅外瞄準(zhǔn)、紅外搜索跟蹤和紅外告警等系統(tǒng)仿真的需求。國(guó)內(nèi)的典型紅外仿真系統(tǒng)主要有：1.014中心點(diǎn)源跟蹤模擬仿真系統(tǒng)；2.航天二院的長(zhǎng)波紅外跟蹤模擬仿真系統(tǒng)等。2/5/2023光電系統(tǒng)的半實(shí)物模擬仿真圖2美國(guó)陸軍高級(jí)仿真中心的紅外仿真系統(tǒng)2/5/2023圖1紅外目標(biāo)及干擾產(chǎn)生系統(tǒng)半實(shí)物模擬仿真的關(guān)鍵技術(shù)紅外目標(biāo)發(fā)生器2/5/2023半實(shí)物模擬仿真的關(guān)鍵技術(shù)紅外目標(biāo)發(fā)生器紅外成像目標(biāo)源是紅外仿真系統(tǒng)中耗資最高的部分，因此也是紅外仿真系統(tǒng)中最關(guān)鍵技術(shù)。國(guó)外紅外成像目標(biāo)源發(fā)展迅速，美國(guó)休斯公司研制了許多目標(biāo)仿真器和專(zhuān)用測(cè)試設(shè)備。從很復(fù)雜的全彈飛行目標(biāo)仿真器到很簡(jiǎn)單的模擬點(diǎn)目標(biāo)或線目標(biāo)的平行光管都有產(chǎn)品問(wèn)世。此外，繼紅外液晶光閥、熱目標(biāo)發(fā)生器的研究之后,國(guó)外的研究機(jī)構(gòu)投巨資研制了512×512熱電阻面陣目標(biāo)發(fā)生器。這種目標(biāo)發(fā)生器以幀速高、動(dòng)態(tài)性能好等顯著優(yōu)勢(shì)被幾大實(shí)驗(yàn)中心所采用。這種光電仿真系統(tǒng)使用了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)圖像生成(CIG)技術(shù)和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)高幀頻、高逼真、高分辨率512×512電阻面陣,輻射上升速度和下降速度達(dá)到2ms,動(dòng)態(tài)范圍可到850∶1，幀頻100Hz,輻射波段3～5μm、8～12μm。此外，1024×1024像素、500Hz，波段在2～26μm寬范圍內(nèi)的高分辨率高幀速紅外目標(biāo)發(fā)生器也正在研制中。2/5/2023幾種典型的紅外目標(biāo)仿真器實(shí)現(xiàn)紅外目標(biāo)仿真的方法可分為熱輻射法和可見(jiàn)光—紅外圖像變換法兩大類(lèi)：熱輻射法包括直接產(chǎn)生紅外輻射和通過(guò)溫度控制產(chǎn)生紅外輻射兩種；可見(jiàn)光～紅外圖像變換法是利用可見(jiàn)光～紅外圖像變換器將可見(jiàn)光進(jìn)行波長(zhǎng)變換，生成紅外圖像。

半實(shí)物模擬仿真的關(guān)鍵技術(shù)2/5/2023（1）電阻元陣列電阻元陣列的基本原理很簡(jiǎn)單，電阻元通電后電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，溫度升高，?dǎo)致紅外輻射。電阻元陣列(如圖)由許多微小電阻元集成在不良導(dǎo)熱體基片上組成，陣列可單片設(shè)計(jì)，也可把多個(gè)陣列合成大陣列，以提高空間分辨力。電阻元之間通過(guò)基片內(nèi)部的集成電路網(wǎng)連接，集成電路可調(diào)節(jié)流過(guò)各電阻元的電流以控制其溫度，使電阻元根據(jù)需要產(chǎn)生一定強(qiáng)度的紅外輻射。這樣，整個(gè)陣列就構(gòu)成了二維的紅外輻射源，實(shí)現(xiàn)了紅外場(chǎng)景圖像的仿真。電阻元陣列仿真的紅外場(chǎng)景溫度范圍可調(diào)，且容易控制，可生成逼真的動(dòng)態(tài)紅外圖像。但其電路復(fù)雜，工藝要求高，技術(shù)難度大。類(lèi)似產(chǎn)生紅外圖像熱輻射的方法還有：微熱燈絲陣列、發(fā)光二極管陣列、小型熱線圈陣列等。半實(shí)物模擬仿真的關(guān)鍵技術(shù)2/5/2023（2）二氧化釩(VO2)薄膜變換器二氧化釩是一種具有傳輸滯后特性(遲滯回線如左圖)的的材料，高于偏置溫度(約65℃)時(shí)，VO2薄膜顯金屬性；低于偏置溫度，VO2薄膜顯半導(dǎo)體特性且透光。如果用熱偏置方法使溫度保持在遲滯回線以內(nèi)，則可把VO2作為光學(xué)存貯介質(zhì)，控制存貯在材料中的熱能，當(dāng)激光束掃描薄膜表面時(shí)，由于薄膜吸收能量，在其表面就能獲得并存儲(chǔ)一幀高分辨力、高清晰度并且不會(huì)消失和減弱的熱圖像。二氧化釩薄膜變換器(如右圖)是在一個(gè)鍺襯底上，鍍有多層二氧化釩落薄膜，景物圖像寫(xiě)在1英寸的圖像調(diào)制區(qū)。若要抹去這幀圖像，只需在瞬間使整個(gè)薄膜溫度降到60℃以下即可。目前，國(guó)外通常采用液體制冷流實(shí)現(xiàn)冷卻功能。為了實(shí)現(xiàn)圖像的動(dòng)態(tài)變化，必須不斷在薄膜上抹去一寫(xiě)入圖像。為了防止抹去一再偏置周期產(chǎn)生圖像閃爍，可采用兩個(gè)獨(dú)立的顯示臂交替工作，并由片幀開(kāi)關(guān)控制交替過(guò)程。半實(shí)物模擬仿真的關(guān)鍵技術(shù)2/5/2023（3）黑體薄膜變換器早期的黑體薄膜變換器(如左圖)包括一個(gè)真空腔，腔上帶一個(gè)透可見(jiàn)光的入射窗和一個(gè)透紅外的出射窗，轉(zhuǎn)換介質(zhì)是一層薄膜，其上沉積非常薄的金黑層。工作時(shí)，將一幅可見(jiàn)光圖像通過(guò)入射窗聚焦到金黑膜層上，其輻射能被金黑膜層吸收，并通過(guò)出射窗轉(zhuǎn)換為反映金黑層的溫度和輻射發(fā)射率的紅外輻射能量。由于金黑層非常薄，熱惰性很小，所以溫度很快就能超過(guò)環(huán)境溫度。圖像上亮度比暗點(diǎn)溫度高，視頻圖像灰度等級(jí)分布轉(zhuǎn)換成黑體腔薄膜上的溫度分布，使黑體薄膜產(chǎn)生的紅外輻射與真實(shí)目標(biāo)一致。由黑體薄膜變換器組成的仿真系統(tǒng)如右圖。視頻投影儀把可見(jiàn)光圖像投射到真空腔的黑體膜，經(jīng)黑體薄膜變換成紅外圖像。紅外準(zhǔn)直系統(tǒng)的焦面與黑體薄膜面一致，紅外圖像對(duì)于被測(cè)紅外系統(tǒng)如同位于無(wú)窮遠(yuǎn)處。半實(shí)物模擬仿真的關(guān)鍵技術(shù)2/5/2023（4）液晶光閥變換器液晶光閾是一種具有雙折射效應(yīng)和扭曲旋光效應(yīng)的可見(jiàn)光-紅外圖像變換器件，主要由光纖面板、硅光導(dǎo)體、液晶和紅外透射窗等部件組成。

液晶光閥變換器利用電控雙折射效應(yīng)：雙折射引起的光輻射偏振態(tài)變化與波長(zhǎng)有關(guān)，在一定的外電場(chǎng)作用下，各種波長(zhǎng)的光輻射透射比不同。在白光入射時(shí)，透射光的顏色將隨外電場(chǎng)的變化而改變，把可見(jiàn)光圖像變換到紅外波段。采用液晶光閥變換器組成的檢測(cè)系統(tǒng)如圖，由計(jì)算機(jī)生成的可見(jiàn)光圖像經(jīng)光學(xué)纖維板落在Si光導(dǎo)體上，并將可見(jiàn)光圖像信號(hào)變換成電壓信號(hào)，經(jīng)液晶又變換成液晶體上的雙折射空間圖像。從紅外源發(fā)射的紅外輻射被偏振分光器反射到光閥上，液晶使紅外輻射得到調(diào)整，經(jīng)紅外反射鏡反射后經(jīng)液晶每一次旋轉(zhuǎn)扭曲獲得附加調(diào)制，其正交偏振分量可通過(guò)偏振分光器。以光閥面作為焦平面安裝一投影物鏡，則紅外圖像就如同來(lái)自無(wú)窮遠(yuǎn)處。半實(shí)物模擬仿真的關(guān)鍵技術(shù)2/5/2023休斯公司于1985年首先研制成功液晶光閥可見(jiàn)光-紅外圖像變換器，可在3～5m和8～14m雙波段工作，視場(chǎng)角24×24，空間分辨力為256×256分立像元，幀速60Hz，溫度分辨力為0.1℃，溫度范圍大于環(huán)境溫度100℃。半實(shí)物模擬仿真的關(guān)鍵技術(shù)2/5/2023（5）先進(jìn)的紅外動(dòng)態(tài)場(chǎng)景模擬仿真器2003年美國(guó)SBIR公司研制出紅外熱場(chǎng)景動(dòng)態(tài)模擬發(fā)生器，主要用于紅外成像制導(dǎo)仿真系統(tǒng)、多傳感器/任務(wù)設(shè)備信息融合的研究平臺(tái)，左圖給出了系統(tǒng)的各個(gè)關(guān)鍵部件，其中MIRAGE(Multi-spectralInfra-RedAnimationGenerationEquipment，右圖)目前甚至屬于對(duì)北約盟國(guó)也封鎖的關(guān)鍵技術(shù)。表3-10給出了紅外熱場(chǎng)景動(dòng)態(tài)模擬發(fā)生器的主要技術(shù)參量。半實(shí)物模擬仿真的關(guān)鍵技術(shù)2/5/2023紅外熱場(chǎng)景動(dòng)態(tài)模擬發(fā)生器的主要技術(shù)參量Emitterarrayresolution512512pixels,1k1kpixelsPixelsize39micronssquareEffectivetemperaturerange17°Cto450°C(3-5m),15°Cto314°C(8-12m)Thermalresolution0.004°Cat25°C,0.024°Cat300°CMaximumframerate200HzFlicker<0.1%MaxpixelschangeperframeFullframe(262,144pixels)Thermaltimeconstant5millisecondsPost-correctionnonuniformity<0.1%Deadpixels<0.1%DEEsize8.5"diameterx11"longDEEweight16poundsInputscenedataSiliconGraphicsDVP2(DDO2)digitalvideo

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半實(shí)物模擬仿真的關(guān)鍵技術(shù)2/5/2023MIRAGE的外形照片半實(shí)物模擬仿真的關(guān)鍵技術(shù)2/5/2023半實(shí)物模擬仿真的幾個(gè)問(wèn)題目前，場(chǎng)景的紅外圖像模擬的工作做的較多，大氣作用效果的模擬討論的相對(duì)較少，而探測(cè)器作用效果的模擬一般都簡(jiǎn)化成仿真噪聲的疊加?，F(xiàn)在已有專(zhuān)門(mén)的熱成像模型軟件，如美國(guó)的TTIM熱像模型軟件，將大氣及戰(zhàn)場(chǎng)煙霧等模糊體作用效果的影響與探測(cè)器作用效果的影響結(jié)合起來(lái)，直接對(duì)目標(biāo)/背景零視距離輻射圖進(jìn)行處理,生成熱紅外圖像。目前需要解決的幾個(gè)問(wèn)題：1）目標(biāo)與背景的幾何模擬：計(jì)算量太大，使得計(jì)算機(jī)處理速度慢，實(shí)時(shí)性差。需要開(kāi)發(fā)更好的模擬算法，如將分形算法用于背景模擬，分形技術(shù)以自相似性和分?jǐn)?shù)維為特點(diǎn)，突破了以往只能生成規(guī)則圖形的局限性，可將自然界中絕大多數(shù)的非規(guī)則圖形真實(shí)地在計(jì)算機(jī)上重現(xiàn)，其迭代函數(shù)系統(tǒng)可將分形應(yīng)用于計(jì)算機(jī)圖像生成；

2/5/2023半實(shí)物模擬仿真的幾個(gè)問(wèn)題2）溫度模擬：建立準(zhǔn)確的基本溫度預(yù)測(cè)模型；3）由于目標(biāo)與背景是分開(kāi)模擬的，故割裂了目標(biāo)與背景之間的相互影響，當(dāng)背景中有多個(gè)目標(biāo)時(shí)，失真較大，應(yīng)考慮克服這方面的影響；4）仿真系統(tǒng)不僅要能仿真靜止的圖像，而且應(yīng)能仿真動(dòng)態(tài)圖像。建立系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型，使得仿真圖像會(huì)隨著系統(tǒng)性能瞬時(shí)的變化(如突發(fā)的抖動(dòng)或隨機(jī)噪聲)而改變;5）系統(tǒng)仿真模型與系統(tǒng)性能模型的有機(jī)結(jié)合：目前成像系統(tǒng)的仿真有兩個(gè)方面，一個(gè)是從圖像質(zhì)量的角度出發(fā),另一個(gè)是從系統(tǒng)性能參數(shù)的角度出發(fā)。兩種仿真的共同目標(biāo)是提高系統(tǒng)性能，可以考慮把這兩個(gè)模型有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，形成一個(gè)既能從圖像質(zhì)量角度評(píng)價(jià)系統(tǒng),也能從性能參數(shù)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的完善的仿真模型。6）建立的仿真模型不僅能從理論上準(zhǔn)確地描述物理現(xiàn)象，而且要建立判斷模型準(zhǔn)確性的標(biāo)準(zhǔn)。把模型與實(shí)際情況進(jìn)行比較,證明模型的合理性。2/5/2023國(guó)外典型的紅外圖像仿真模型和軟件國(guó)外，尤其是美國(guó)在紅外動(dòng)態(tài)圖像計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)方面做了大量的工作，技術(shù)相當(dāng)成熟并已用于實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和評(píng)估中。如美國(guó)空軍研究室軍品管理局（AFRL/MN）負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)的IRMA模型；由洛克希德技術(shù)研究所（RIT）開(kāi)發(fā)的DISIG模型，由美國(guó)TTIM（TACOMThermalImagingModel）熱像模型軟件，將大氣及戰(zhàn)場(chǎng)煙霧等模糊體作用效果的影響與探測(cè)器作用效果的影響結(jié)合起來(lái)，直接對(duì)目標(biāo)/背景輻射圖進(jìn)行處理，生成紅外圖像；北約的Ac243合作研究推出的空中目標(biāo)紅外輻射模型NIRATAM，主要用于飛機(jī)紅外輻射的預(yù)測(cè)和模擬。幾種國(guó)外的典型模型：

1、SensorVision：SensorVision是較為出色一個(gè)圖像仿真軟件。作為Vega的一個(gè)模塊，SensorVision可以實(shí)時(shí)產(chǎn)生從可見(jiàn)光到遠(yuǎn)紅外線間各個(gè)波段的仿真圖像。SensorVision需要知道物體的材料屬性諸如熱傳輸特性、材料的反射系數(shù)、鏡面反射系數(shù)等等。2/5/2023國(guó)外典型的紅外圖像仿真模型和軟件仿真流程圖2/5/2023國(guó)外典型的紅外圖像仿真模型和軟件步驟：1)首先，在Lynx的接口定義文件.adf中,定義紅外探測(cè)器圖形界面接口相關(guān)對(duì)象,并設(shè)置紅外模擬所需的相關(guān)指定的輸入數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)文件及路徑；2)然后利用MOSARTatmosphericTool(MAT)設(shè)定大氣傳輸模型,計(jì)算大氣透射率、大氣背景輻射、太陽(yáng)或月亮的直接輻射等，由于計(jì)算量很大，通常是預(yù)先計(jì)算好，生成.mat文件。SensorVision讀取.mat文件，進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真；3)而后利用TextureMaterialMappingTool(TMM)設(shè)定物體的紋理和材料物理特性。TextureMaterialMappingTool(TMM)提供了包括泥土、植被、建筑材料、合成材料和顏料等5類(lèi)共95種材料的光譜特性和34種材料的熱特性；4)最后通過(guò)SensorVision調(diào)用已經(jīng)計(jì)算的各種參數(shù)，利用輻射度計(jì)算公式，計(jì)算場(chǎng)景中的紅外輻射強(qiáng)度，并完成有輻射強(qiáng)度到灰度值的轉(zhuǎn)換，生成紅外圖像。2/5/2023Vega的可見(jiàn)光與紅外模擬圖像國(guó)外典型的紅外圖像仿真模型和軟件2/5/2023

2、GeorgiaTechVisibleandInfraredSyntheticImageryTestbed(GTVISIT)

①時(shí)間及版本：GeorgiaTech研究所(GTRI)(美國(guó))80年代。②景物幾何描述方法：目標(biāo)和背景分別建模,對(duì)二者的描述分別為：三角形小面元構(gòu)成的物體模型和網(wǎng)格化的地形背景。③熱輻射模型：本身沒(méi)有輻射預(yù)測(cè)模型。根據(jù)不同元素的要求，通過(guò)測(cè)量或利用其它模型計(jì)算后賦值，如GTSIG(以物理學(xué)第一定律為基礎(chǔ)的輻射模型)或IRMA(以第一定律和現(xiàn)象學(xué)為基礎(chǔ))。④大氣模型：大氣效應(yīng)包括大氣衰減和路徑輻射等，相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)LOWTRAN軟件的計(jì)算獲得。國(guó)外典型的紅外圖像仿真模型和軟件2/5/2023⑤圖像生成及顯示形式：可采用動(dòng)態(tài)模式和“電影”回放模式生成和顯示圖像。⑥圖像生成波段：生成0.4～15μm內(nèi)的多光譜圖像。⑦特點(diǎn)：a.主要生成小視場(chǎng)高分辨率的場(chǎng)景以支持戰(zhàn)術(shù)方面的應(yīng)用；b.模型采用分層結(jié)構(gòu)，可以利用各種特征模擬方法來(lái)產(chǎn)生場(chǎng)景所需數(shù)據(jù)，便于更新。國(guó)外典型的紅外圖像仿真模型和軟件2/5/20233、DigitalImagingandRemoteSensinglaboratory’sImageGenerationmodel(DIRSIG)①時(shí)間及版本：Rochester技術(shù)研究所(RIT)(美國(guó))最新版本：DIRSIG3.4(2001年發(fā)布)。②景物幾何描述方法：目標(biāo)和背景均為AUTOCAD編寫(xiě)的3D面元模型，對(duì)它們的描述采用樹(shù)形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。③熱輻射模型：以物理學(xué)第一定律為基礎(chǔ)的輻射模型(包括自發(fā)輻射和表面反射輻射)，其中用THERM計(jì)算溫度，光線追跡法計(jì)算輻射。也可借用其它溫度預(yù)測(cè)模型的結(jié)果，如PRISM/MuSES/SIRIM。④大氣模型：采用AFGL大氣模擬代碼(FASCODE和MODTRAN)來(lái)預(yù)測(cè)所有的大氣元素，包括大氣透過(guò)率，路徑輻射和散射等。國(guó)外典型的紅外圖像仿真模型和軟件2/5/2023⑤圖像生成及顯示形式：生成圖像序列,回放模式顯示。若犧牲一定的精度，也可用于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。⑥圖像生成波段：生成0.3-20μm內(nèi)的多光譜圖像。⑦特點(diǎn)：a.以物理學(xué)第一準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，包括了大多數(shù)的物理現(xiàn)象，屬于精確圖像生成模型；b.能模擬整個(gè)成像鏈；c.圖像生成所需的時(shí)間較長(zhǎng)。。國(guó)外典型的紅外圖像仿真模型和軟件2/5/20234、InfraredModelingandAnalysis(IRMA)。①時(shí)間及版本：GrummanAerospaceandAnalytics(美國(guó))1980目前版本：Irma5.0(2000年發(fā)布)。②景物幾何描述方法：