目標(biāo)及環(huán)境背景的光學(xué)輻射散射特性的研究為目標(biāo)探測、識別,制導(dǎo)武器導(dǎo)引頭的設(shè)計(jì),目標(biāo)隱身設(shè)計(jì)及評估等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。目標(biāo)探測及隱身設(shè)計(jì)的根本依據(jù)是目標(biāo)與周圍環(huán)境背景輻射散射特征的差異,而且目標(biāo)與環(huán)境背景之間的輻射是相互作用、相互影響耦合在一起的,所以只有同時(shí)研究目標(biāo)及環(huán)境背景的輻射散射特性才有意義。本文結(jié)合遙感數(shù)據(jù),完成各向異性粗糙海面輻射散射特性,非均勻、非朗伯地面輻射散射特性,目標(biāo)對背景輻射的散射的理論建模,完成天/地基探測目標(biāo)散射強(qiáng)度仿真:在可見-紅外波段,目標(biāo)表面通常呈現(xiàn)粗糙性。雙向反射分布函數(shù)(Bidirectional Reflectance Distribution,BRDF)用來描述粗糙目標(biāo)表面散射的各向異性�；诖植诿嫔⑸湎禂�(shù)與BRDF的內(nèi)在聯(lián)系,利用Kirchhoff近似方法計(jì)算樣片的散射系數(shù),間接獲得粗糙樣片的光譜BRDF。結(jié)合遺傳算法,優(yōu)化BRDF五參數(shù)半經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型中的參數(shù),完成目標(biāo)樣片光譜BRDF統(tǒng)計(jì)建模,建模結(jié)果與直接計(jì)算結(jié)果吻合較好。研究目標(biāo)對背景輻射的散射以及目標(biāo)輻射的傳輸時(shí),多使用MODTRAN內(nèi)置的大氣模型,這些模型分別為美國標(biāo)準(zhǔn)大氣模型和全球相應(yīng)緯度上大氣參數(shù)的平均,忽略了地區(qū)、季節(jié)差異。鑒于我國幅員遼闊,氣候類型多樣,基于歐洲中期數(shù)值預(yù)報(bào)中心(European Center for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)的再分析數(shù)據(jù)ERA-Interim構(gòu)建了我國境內(nèi)不同區(qū)域四季的大氣模型,結(jié)合MODTRAN 6.0計(jì)算分析了我國不同區(qū)域,不同季節(jié),不同觀測條件下太陽輻照度、大氣透過率、天空背景亮度分布,構(gòu)建數(shù)據(jù)庫作為研究目標(biāo)及環(huán)境輻射散射特性的基礎(chǔ)。海洋是戰(zhàn)場環(huán)境下的一種主要背景。本文在Wu-Smith海面發(fā)射率(Sea Surface Emissivity,SSE)模型的基礎(chǔ)上考慮了風(fēng)向?qū)SE的影響,建立了各向異性海面發(fā)射率模型,綜合分析了海面發(fā)射率隨波長、發(fā)射角、風(fēng)速、風(fēng)向等因素的變化。簡要介紹了Ross海面BRDF模型,分析了海面BRDF隨入射、散射方位及風(fēng)速、波長的變化規(guī)律。結(jié)合ECMWF提供的海面溫度和海面上方風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù),建立了非均勻、非朗伯海面亮度分布模型,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好,在此基礎(chǔ)上分析了我國周邊海域不同季節(jié)海面亮度分布規(guī)律。地表地物種類繁多,且影響其輻射、散射特性的影響因素眾多,理論建模困難,鑒于遙感觀測能提供大空間,長時(shí)間覆蓋的數(shù)據(jù),文中基于中分辨率成像光譜輻射計(jì)(MODerate resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)數(shù)據(jù),分析了我國境內(nèi)4種主要地物(混合林地、草地、耕地和荒地)的光譜發(fā)射率,BRDF,反照率時(shí)間、空間、光譜分布特性,分析了土壤濕度及積雪的影響。在些基礎(chǔ)上,完成了非均勻、非朗伯地面亮度分布的理論建模。目標(biāo)表面對環(huán)境背景輻射的散射是目標(biāo)亮/強(qiáng)度的重要構(gòu)成部分。本文基于CAD完成復(fù)雜目標(biāo)幾何建模,將其表面剖分成三角形面元,結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)庫Open GL(Open Graphics Library)完成了不可見面元的消隱處理,完成了非朗伯面目標(biāo)(包括掠海飛行目標(biāo)、固定翼飛機(jī)、鈍頭錐和衛(wèi)星等)對陽光、天空背景、非均勻、非朗伯地/海面背景輻射的散射建模。通常復(fù)雜目標(biāo)表面面元多達(dá)數(shù)萬甚至數(shù)十萬,且天空、地/海面背景輻射分布在全天球,傳統(tǒng)的基于CPU的串行程序通常需要數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天才能獲得一條目標(biāo)完整的亮度空間分布曲線,極大地限制了目標(biāo)特性研究及工程應(yīng)用。本文基于Open MP(Open Multi-Processing),Open ACC(Open Accelerating)和CUDA(Compute Unified Device Architecture)并行編程模型等將目標(biāo)對復(fù)雜環(huán)境背景輻射的散射的計(jì)算移植到多核CPU/多CPU,CPU-Xeon Phi,CPU-GPU等多種平臺,實(shí)現(xiàn)了并行計(jì)算,并根據(jù)硬件特點(diǎn)采用相關(guān)的優(yōu)化方法,實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)散射亮/強(qiáng)度的準(zhǔn)實(shí)時(shí)計(jì)算。光學(xué)探測是天/地基探測空間目標(biāo)的重要方法,本文基于STK(Systems Tool Kit)軟件構(gòu)建空間目標(biāo)的軌道及姿態(tài),充分利用STK輸出相關(guān)的報(bào)告,經(jīng)坐標(biāo)變換,完成了多臺站地基及天基探測空間目標(biāo)散射強(qiáng)度分布計(jì)算。
【學(xué)位單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TJ765.331
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
符號對照表
縮略語對照表
第一章 緒論
    1.1 研究背景及意義
    1.2 國內(nèi)外研究動態(tài)
        1.2.1 天空背景輻射散射特性研究進(jìn)展
        1.2.2 地物背景輻射散射特性研究進(jìn)展
        1.2.3 海洋背景輻射散射特性研究進(jìn)展
        1.2.4 BRDF測量及優(yōu)化統(tǒng)計(jì)建模研究進(jìn)展
        1.2.5 目標(biāo)對背景輻射的散射特性研究進(jìn)展
        1.2.6 并行計(jì)算研究進(jìn)展
    1.3 論文主要內(nèi)容與結(jié)構(gòu)安排
    1.4 論文主要創(chuàng)新點(diǎn)
第二章 地球大氣系統(tǒng)及目標(biāo)散射特性基礎(chǔ)
    2.1 紅外輻射基本概念及定律
        2.1.1 常用輻射物理量
        2.1.2 紅外輻射基本定律
    2.2 雙向反射分布函數(shù)
        2.2.1 定義
        2.2.2 激光雷達(dá)散射截面
        2.2.3 基于粗糙面散射理論BRDF計(jì)算
        2.2.4 半經(jīng)驗(yàn)五參數(shù)BRDF模型簡介
        2.2.5 基于遺傳算法的BRDF模型參數(shù)優(yōu)化統(tǒng)計(jì)建模
    2.3 陽光地球大氣系統(tǒng)輻射
        2.3.1 MODTRAN簡介
        2.3.2 我國各區(qū)域不同季節(jié)大氣模型構(gòu)建
        2.3.3 大氣透過率
        2.3.4 陽光輻照度分布
        2.3.5 天空背景輻射特性
    2.4 本章小結(jié)
第三章 粗糙海面可見-紅外光譜輻射散射特性
    3.1 引言
    3.2 我國周邊海域大氣模型
    3.3 海面光譜發(fā)射率
        3.3.1 各向異性粗糙海面發(fā)射率理論建模
        3.3.2 結(jié)果驗(yàn)證
        3.3.3 SSE分布特性分析
    3.4 可見-紅外波段海面光譜BRDF分布
        3.4.1 理論建模
        3.4.2 海面光譜BRDF特性分析
    3.5 我國周邊海域海面亮度分布特性
        3.5.1 我國周邊海域海面溫度時(shí)空分布特性
        3.5.2 中國周邊海域風(fēng)速風(fēng)向分布
        3.5.3 可見-長波紅外海面亮度分布建模
        3.5.4 中/長波海面亮度分布實(shí)驗(yàn)測量與理論模型校驗(yàn)
    3.6 本章小結(jié)
第四章 非均勻非朗伯地表光譜輻射散射特性
    4.1 引言
    4.2 中國境內(nèi)典型地表中/長波紅外發(fā)射率的時(shí)空譜分布特性
        4.2.1 典型地表發(fā)射率隨時(shí)間變化
        4.2.2 發(fā)射率隨土壤溫濕度的變化
        4.2.3 發(fā)射率隨積雪的變化
    4.3 地表可見/短波紅外BRDF時(shí)空分布特性
        4.3.1 MCD43簡介
        4.3.2 線性核驅(qū)動BRDF模型
        4.3.3 典型地表BRDF分布
    4.4 典型地表寬波段反照率時(shí)空分布
        4.4.1 反照率定義
        4.4.2 WSA隨季節(jié)變化
        4.4.3 WSA隨積雪覆蓋率的變化
    4.5 地表輻射亮度分布
        4.5.1 均勻朗伯地表亮度分布
        4.5.2 非均勻非朗伯地表亮度分布
    4.6 本章小結(jié)
第五章 復(fù)雜背景環(huán)境中目標(biāo)光散射特性
    5.1 引言
    5.2 目標(biāo)幾何建模及消隱
        5.2.1 幾何建模
        5.2.2 消隱
    5.3 坐標(biāo)系定義及坐標(biāo)變換
        5.3.1 坐標(biāo)系定義
        5.3.2 坐標(biāo)變換
    5.4 非均勻非朗伯地表復(fù)雜環(huán)境背景中目標(biāo)光學(xué)散射特性
        5.4.1 理論建模
        5.4.2 結(jié)果校驗(yàn)
        5.4.3 掠海飛行目標(biāo)紅外波段光譜散射特性
        5.4.4 空中固定翼飛機(jī)紅外波段散射特性
        5.4.5 衛(wèi)星及鈍頭錐可見光波段散射特性
    5.5 本章小結(jié)
第六章 目標(biāo)可見-紅外波段散射特性的并行計(jì)算實(shí)現(xiàn)
    6.1 引言
    6.2 基于多核CPU/多CPU平臺的并行計(jì)算實(shí)現(xiàn)
        6.2.1 Open MP編程模型簡介
        6.2.2 基于Open MP并行實(shí)現(xiàn)目標(biāo)散射亮度并行計(jì)算
    6.3 基于CPU-Xeon Phi異構(gòu)平臺的并行計(jì)算實(shí)現(xiàn)
        6.3.1 Xeon Phi簡介
        6.3.2 MIC-native模式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)散射亮度并行計(jì)算
        6.3.3 MIC-offload模式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)散射亮度并行計(jì)算
    6.4 基于CPU-GPU異構(gòu)平臺的并行計(jì)算實(shí)現(xiàn)
        6.4.1 GPU并行編程模型簡介
        6.4.2 基于Open ACC的目標(biāo)散射亮度并行計(jì)算實(shí)現(xiàn)
        6.4.3 基于CUDA的目標(biāo)散射亮度并行計(jì)算實(shí)現(xiàn)
    6.5 本章小結(jié)
第七章 空間動態(tài)目標(biāo)可見光散射特性
    7.1 引言
    7.2 坐標(biāo)系的定義及轉(zhuǎn)換
        7.2.1 坐標(biāo)系定義
        7.2.2 姿態(tài)描述及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換
    7.3 地基探測空間目標(biāo)散射強(qiáng)度分布
        7.3.1 場景建模
        7.3.2 計(jì)算分析輸出報(bào)告
        7.3.3 地基探測中段高速目標(biāo)可見光波段光譜散射特性
        7.3.4 地基探測衛(wèi)星可見光波段光譜散射特性
    7.4 天基探測空間目標(biāo)可見光譜特性
        7.4.1 天基探測中段高速目標(biāo)可見光波段光譜散射特性
        7.4.2 天基探測衛(wèi)星可見光波段光譜散射特性
    7.5 本章小結(jié)
第八章 總結(jié)與展望
    8.1 總結(jié)
    8.2 研究展望
附錄A
附錄B
參考文獻(xiàn)
致謝
作者簡介

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本文編號：2840038