深空目标红外光学特性仿真方法研究

摘要

在研究深空目标检测识别算法时，需用大量不同想定下的红外图像进行反复测试和评估。然而，由于飞行实验受诸多条件限制，很难取得足够的样本数据。为此，深空目标红外光学特性仿真技术应运而生，为解决此类问题提供了一种有效的途径。
　　本文研究了深空目标的红外成像原理，设计了红外仿真流程，实现了深空目标红外光学特性仿真系统，生成了深空目标的红外图像仿真图像，并进行了实验评估。
　　依据能量守恒和角动量守恒物理定律，提出了目标中段飞行轨道的递推计算方法，给定初始条件，可以递推得到整个目标中段飞行轨道;在计算拦截器轨道时，应用递推法计算轨道调整和姿态调整对轨道的影响。针对典型的目标中段飞行轨道，将递推法与经典计算方法进行了比较，从而验证了递推法的实时性和精度，为实时运动学仿真提供了算法保障。
　　采用有限体积法计算目标表面的温度场，进而建立了目标表面的红外辐射模型，并针对点目标的简化计算进行讨论。建立了地日系统，并计算了当目标轨道跨越太阳照射区和阴影区时的红外辐射变化情况;利用IRASPSC红外星表，对天球进行四叉树空间组织，实现了较大数量天体的实时红外成像生成，得到了较为精确的深空红外背景。
　　对红外探测器进行了传感器仿真，给出了层次化成像模型，分别实现了目标与星空的拖尾效果、红外图像的模糊效果、弥散效果、红外探测器的盲元以及噪声的仿真;建立了随机噪声和Perlin噪声混合的噪声模型，产生较为真实的红外噪声图像，并将整个过程使用GPU实现;根据红外探测器的参考图，对生成的红外图像选取了直方图分布、亮度变化趋势，和信噪比等指标进行评估。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 运动学仿真研究现状

1．2．2 红外成像仿真技术研究现状

1．3 课题来源与研究内容

2 深空目标红外特性仿真系统总体设计

2．1 系统目标

2．2 系统整体介绍

2．2．1 系统结构

2．2．2 系统总体流程

2．2．3 系统中类的设计

2．3 相关坐标系

2．3．1 OpenGL的坐标系

2．3．2 大地坐标系(用Coord_World表示)

2．3．3 轨道坐标系(用Coord_Track表示)

2．3．4 朝向坐标系(用Coord_Direction表示)

3、深空目标的运动学仿真

3．1 基本矩阵运算

3．1．1 齐次坐标

3．1．2 基本平移

3．1．3 基本旋转

3．1．4 绕任意轴旋转

3．1．5 在某个坐标系内平移和旋转

3．2 目标椭圆轨道递推计算

3．2．1 递推法求解目标轨道

3．3．2 简化的轨道调整和姿态调整

3．2．3 与标准椭圆轨道的比较及误差评估

3．3 拦截器的轨道调整和姿态调整

3．3．1 典型的几种轨控系统和姿控系统

3．3．2 简化的轨道调整和姿态调整

3．4 运动学仿真结果

4、深空目标和背景的红外特性研究

4．1 点目标的红外特性

4．1．1 利用有限体积法计算目标温度场

4．1．2 目标红外辐射度计算

4．1．3 对于点目标的优化

4．2 地日系统的仿真

4．3 星空背景的仿真

4．3．1 IRAS PSC红外星表

4．3．2 基于空间剖分的仿真实现方法

5、基于GPU的红外图像仿真

5．1 红外探测器介绍

5．2 红外探测器成像的分层建模

5．2．1 目标和星空

5．2．2 模糊

5．2．3 弥散

5．2．4 盲元

5．3 噪声

5．3．1 噪声种类

5．3．2 噪声的真实图像及分层建模

5．3．3 随机噪声

5．3．4 Perling噪声

5．4 基于GPU的红外图像生成

5．3．4 “渲染到纹理”技术

5．3．5 红外图像的生成过程

6、目标红外特性仿真结果评估

6．1 目标红外特性仿真

6．2 红外图像评估

6．2．1 直方图分布特性评估

6．2．2 亮度变化趋势评估

6．2．3 红外图像的信噪比

7、总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

致谢

参考文献

附录