本文選題：紅外輻射傳輸　切入點(diǎn)：紅外成像仿真　出處：《中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心)》2017年碩士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

【摘要】：近幾年來(lái),紅外技術(shù)在國(guó)家防御、國(guó)民經(jīng)濟(jì)及科學(xué)研究等方面發(fā)揮著重要作用,受到了世界各國(guó)的重視。而這其中,無(wú)論是紅外預(yù)警、紅外遙感等都離不開(kāi)紅外成像技術(shù),它具有作用距離遠(yuǎn)、穿透能力強(qiáng)、抗干擾能力好、可持續(xù)性長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì),在紅外技術(shù)領(lǐng)域中具有舉足輕重的地位。由于紅外成像技術(shù)的重要性,近幾年來(lái),對(duì)紅外成像技術(shù)的研究方興未艾。這其中,急需大量特殊條件下的紅外圖像作為研究或測(cè)試對(duì)象。但現(xiàn)階段直接獲得相關(guān)紅外圖像十分困難且成本高,大多數(shù)情況只能在外場(chǎng)實(shí)地采集。這種方法直觀真實(shí),獲得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠,卻要耗費(fèi)大量資源,耗時(shí)長(zhǎng),且很可能無(wú)法直接采集;同時(shí),外場(chǎng)采集方式只能獲得當(dāng)時(shí)條件下的紅外圖像,難以覆蓋諸多實(shí)驗(yàn)對(duì)特殊條件的需求。基于以上需求背景,本文重點(diǎn)研究紅外成像仿真技術(shù),通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真手段模擬了4個(gè)紅外波段(短波、中波、中長(zhǎng)波、長(zhǎng)波)紅外探測(cè)器入瞳輻射圖像,為這類(lèi)問(wèn)題的解決提供了一種簡(jiǎn)單可行、方便快捷、經(jīng)濟(jì)有效的途徑。實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的輻射傳輸與成像仿真,具有很強(qiáng)的工程實(shí)用性和應(yīng)用價(jià)值。所做工作如下:本文針對(duì)的目標(biāo)與背景,是用于紅外監(jiān)視與紅外預(yù)警等的研究。目標(biāo)以飛機(jī)、導(dǎo)彈等飛行器為主,而背景主要是地表自然背景,如土地、海洋、草地、森林等,二者的輻射傳輸和成像仿真原理不同。本文對(duì)目標(biāo)與背景分別采用不同的建模方法和輻射傳輸計(jì)算方法,其中重點(diǎn)是背景。本文理清了地球背景至探測(cè)器入瞳的紅外成像過(guò)程,重點(diǎn)對(duì)反射輻射進(jìn)行了研究與分析。目前,主流方法采用簡(jiǎn)單模型來(lái)對(duì)反射環(huán)節(jié)建模,成像效果不佳,本文利用的是參數(shù)化BRDF模型。從而結(jié)合背景自身輻射和反射輻射,進(jìn)行輻射的入瞳傳輸,建立了背景入瞳成像仿真鏈路。本文針對(duì)目前相關(guān)研究在實(shí)時(shí)性上存在的不足,提出了實(shí)時(shí)性的要求,并為其做出了相關(guān)努力。重點(diǎn)針對(duì)采用CPU串行方法,實(shí)時(shí)性差的現(xiàn)狀,在紅外仿真原理和過(guò)程深入研究的前提下,采用基于CUDA的并行計(jì)算方法和基于OpenGL強(qiáng)大的圖形計(jì)算方法,在GPU上完成了輻射傳輸計(jì)算,同時(shí)結(jié)合OpenGL實(shí)現(xiàn)了整個(gè)入瞳輻射成像過(guò)程。本文借助CUDA和OpenGL,以VS 2010為開(kāi)發(fā)環(huán)境,以紅外成像仿真軟件的形式,給出了紅外輻射計(jì)算方法與成像仿真方法的具體實(shí)現(xiàn)。最后,本文進(jìn)行了初步的紅外成像仿真實(shí)驗(yàn),以驗(yàn)證仿真圖像的質(zhì)量及仿真方法的實(shí)時(shí)性等。本文通過(guò)仿真手段得到的仿真圖像,真實(shí)度高,實(shí)時(shí)性好,為后續(xù)紅外成像仿真領(lǐng)域深入研究打下了基礎(chǔ),提供了條件。
[Abstract]:In recent years, infrared technology has played an important role in national defense, national economy and scientific research, and has been attached great importance to by countries all over the world. Among them, infrared early warning and infrared remote sensing are inseparable from infrared imaging technology. It has the advantages of long operating distance, strong penetration ability, good anti-jamming ability, long sustainability and so on. It plays an important role in the field of infrared technology. Because of the importance of infrared imaging technology, in recent years, The research on infrared imaging technology is in the ascendant. Among them, a large number of infrared images under special conditions are urgently needed as research or test objects. However, it is very difficult and costly to obtain related infrared images directly at this stage. Most cases can only be collected in the field. This method is intuitive and true, the data obtained is accurate and reliable, but it consumes a lot of resources, takes a long time, and may not be directly collected; at the same time, The method of external field acquisition can only obtain infrared images under the condition of that time, and it is difficult to cover the special conditions of many experiments. Based on the above requirements, this paper focuses on the infrared imaging simulation technology. Through computer simulation, four infrared detectors (short, medium, medium, long and long) infrared detectors are simulated, which provide a simple, feasible and convenient way to solve this kind of problem. The real time radiative transmission and imaging simulation is realized, which has strong engineering practicability and application value. The work done is as follows: the aim and background of this paper, It is used for infrared surveillance and infrared early warning research. The targets are aircraft, missiles and other aircraft, while the background is mainly ground surface natural background, such as land, sea, grassland, forest, etc. The principles of radiative transmission and imaging simulation are different. In this paper, different modeling methods and radiative transfer calculation methods are used for the object and background respectively, and the emphasis is on the background. In this paper, the infrared imaging process from the earth background to the pupil of the detector is clarified. The reflection radiation is mainly studied and analyzed. At present, the main method uses simple model to model the reflection link, and the imaging effect is not good. In this paper, the parameterized BRDF model is used to combine the background radiation and reflection radiation. The emulation link of background pupil imaging is established by transmitting radiation into pupil. In this paper, the requirement of real time is put forward in view of the deficiency of current research on real time. Aiming at the current situation of using CPU serial method and poor real-time performance, the parallel computing method based on CUDA and the powerful graphic computing method based on OpenGL are adopted under the premise of in-depth research on the principle and process of infrared simulation. The radiative transfer calculation is completed on GPU and the whole imaging process is realized by combining with OpenGL. In this paper, with the help of CUDA and OpenGL, VS2010 is used as the development environment, and the infrared imaging simulation software is used. The infrared radiation calculation method and the imaging simulation method are given. Finally, the infrared imaging simulation experiment is carried out in this paper. In order to verify the quality of the simulation image and the real-time performance of the simulation method, the simulation images obtained in this paper are of high fidelity and good real-time, which lays a foundation for the further research in the field of infrared imaging simulation.
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TP391.41;TN219

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本文編號(hào)：1599743