基于扩散模型的水雾红外图像仿真研究*

徐东翔 胡云安

(1.海军航空工程学院研究生管理大队 烟台 264001)(2.海军航空工程学院控制工程系 烟台 264001)

基于扩散模型的水雾红外图像仿真研究*

徐东翔1胡云安2

(1.海军航空工程学院研究生管理大队 烟台 264001)(2.海军航空工程学院控制工程系 烟台 264001)

现有红外仿真软件处进行人造水雾图像仿真时,均无法体现出水雾的扩散特性,使仿真图像真实度较低。针对这一问题,基于高斯扩散模型与MIE散射理论,将水雾空间划分为多个子空间,通过计算不同子空间内的水雾特性参数,建立一种新型水雾仿真模型。根据所建模型,利用Matlab编程得到的仿真图像与现有软件仿真结果相比,图像真实程度有很大提高。

红外图像; 水雾; 扩散模型

Class Number TP391.9

1 引言

随着红外制导技术的快速发展,红外制导武器对未来战争中的重要目标构成了极大的威胁。人造水雾不仅具有经济,环保等优势,而且能够有效衰减红外辐射的传输,所以水雾作为一种有效的光电对抗手段有效地衰减目标发出的红外辐射,使敌方光电侦查设备无法正确捕捉目标,在现代战争中有着广泛的应用。越战期间,美军执行轰炸河内安康发电厂任务时,越军仅仅靠水汽烟幕,使几十枚激光炸弹没有有效命中攻击目标。俄罗斯现代级驱逐舰、美国杜鲁门号航母和英国海幽灵护卫舰等就采用了水雾隐身技术,一旦需要,系统立刻产生细密水雾,几秒钟内将舰艇笼罩在薄雾之中,与海天背景浑然一体,使敌方的可见光和红外探测器难以探测到[1]。

红外成像仿真对红外制导武器的研发具有重要的推进作用,为提高红外导引头的抗水雾干扰能力,就需要更加逼真的水雾红外仿真图像进行模拟测试,近年来诸多学者专家都对水雾的红外伪装性能进行了研究分析[2～6]。VEGA、LOWTRAN等软件虽然都具有专用的红外仿真模块,但是这些模块都是针对自然形成的雾气而设计[7]。自然形成的水雾与人造水雾的最大区别就是影响范围,人造水雾相比较而言,范围较小,不同空间位置水雾特性差异较大。若是使用这些模块处理人造水雾的图像仿真问题,仿真过程中往往都是将水雾看作均匀整体处理,无法体现出水雾因扩散而产生的消光特性差异,因而会使仿真图像与真实图像差生巨大偏差。本文主要针对水雾的扩散特性,结合MIE散射理论,建立水雾的衰减模型,并计算了水雾的消光系数。最后利用以上计算数据进行了图像仿真。

2 水雾的衰减模型

2.1 MIE散射理论

根据Beer-Lambert定律可知[8],经过雾区后,入射辐射强度为I0的电磁波衰减后辐射强度I为

I=I0e-G·L

(1)

式中:L(m)为入射辐射所经过的路程;G(/m)为消光系数。

在电磁波传播理论中,通常把雾滴作为圆球处理,当电磁波穿过雾区时,雾滴会引起电磁波的能量衰减。其中发生的折射、透射、散射和吸收等现象中,散射是能量衰减的最主要原因。特别是在电磁波长小于或相当于圆球直径时,利用MIE理论,可以求出消光截面和消光系数[9]。

(2)

式中:N(个/m-3)为雾滴密度;N(r)是雾滴半径r(μm)的分布函数,本文采用正态分布模型[10];Qext为雾滴截面消光系数。正态分布函数的表达式为

(3)

式中:σ为雾滴半径标准差;rm为雾滴平均半径。

消光系数Qext可由式(4)计算:

(4)

式中:x=2πr/λ,λ(μm)为电磁波波长;an、bn、n与电磁波波长λ和雾滴半径r有关。另外由于雾滴半径与红外辐射波长相当,所以可以采用MIE理论进行计算。

2.2 高斯扩散模型

假设地面无吸收和吸附作用,水雾本身是无沉降的被动成分,地面对污染物的作用犹如一个全反射体,风速大于,风向恒定,地面水平均一,由梯度传送理论及统计理论推导出高斯(正态)型浓度模式[11]:

(5)

式中:C(x,y,z,H)为(x,y,z)点处的水雾浓度;Q(g/s)为水雾释放速率;u(m/s)为释放水雾时喷嘴口的雾滴喷出平均速度;H(m)为水雾对红外辐射衰减的有效高度;σy、σz为y方向和z方向的大气扩散方差,与大气稳定度及地形参数有关。本文针对草地背景的地面目标,故查表可得相应参数。

表1 Briggs稳定度等级

表2 草地的Briggs内插值

由高斯扩散公式可知,处于不同位置的水雾会因为雾滴扩散作用发生水雾浓度不均的现象。而且根据式(2)可知,处于相同战场环境对抗特定的红外波段时中,由同一设备产生的人造水雾雾滴的平均半径等参数不发生巨大变化,因而导致不同位置处水雾消光性能差异的最主要原因就是雾滴密度的变化,所以建立雾滴密度与水雾空间位置的关系也就成了水雾扩散模型的关键点。结合高斯扩散公式及球的几何与密度公式,可以建立高斯(正态)型浓度与雾滴密度的关系,如式(6)所示:

(6)

式中:N(x,y,z)为坐标为(x,y,z)处的水雾雾滴密度数(个/m3);ρ为雾滴密度(g/cm3)。

2.3 水雾红外辐射透过率的计算

由高斯扩散模型可以计算出处于雾区中不同位置,相应的水雾消光系数G也是不同的。为了精确计算水雾的红外辐射透过率e-G·L,不妨把雾区平均分成多个体积相同的正方体,每个正方体内部水雾雾滴密度等参数不再发生变化,而每个正方体内的水雾参数由正方体中心点的水雾特性参数决定。因此式(1)可以改写为

(7)

式中:n为所穿过的正方体个数,Gi表示第i个正方体内水雾的消光系数,Li表示在第i个正方体内目标红外辐射穿过的距离。

3 实验仿真

3.1 仿真假设与说明

1) 红外辐射波长取λ=10.6μm(m=1.178+0.071j),雾滴平均半径r=7μm,雾滴半径标准差取σ=1.10,雾滴密度取ρ=1g/cm3。

2) 水雾释放速率Q=25g/s;释放水雾时喷嘴口的雾滴喷出平均速度u=0.5m/s;水雾对红外辐射衰减的有效高度h=0m。

3) 由于大气消光系数远远小于水雾的消光系数,仿真中对大气消光影响忽略不记。

4) 大气稳定度为A,风速沿x轴正向,设每个小正方体边长为1m。

5) 水雾释放点源为坐标轴原点,观察者坐标为(50,0,0)。

图1 坐标示意图

图2 仿真图像

3.2 仿真结果分析

根据以上假设,可以利用Matlab软件编程进行计算机仿真。将计算结果灰度化之后,可以得到图2。

图2(a)表示在未加干扰时,目标车辆的红外图像;图2(b)表示使用水雾扩散模型进行数据计算,经过灰度处理后生成的水雾红外伪装效果图;图2(c)表示使用LOWTRAN软件计算数值后,经过灰度处理后的的仿真图像。对比可以发现,无论是传统模型,还是扩散模型均能够较好地体现出水雾对于红外辐射的衰减作用。但是仔细对比观察图2(b)与图2(c)就不难发现,前者更符合实际情况。这是因为在实际战场环境中,由一点源产生的人造水雾很难做到完全遮蔽目标,且产生的水雾能够均匀分布,对红外辐射的衰减作用处处相等也是不可能实现的。

若改变风向,使风向沿y轴正方向,其他条件不变,我们可以得到图2(d)。对比图2(b)与图2(d)可以看出,尽管风速比较低,但是风向对于水雾的消光系数的影响依旧是十分严重的。在风向沿y轴正向时,即观察者与目标连线垂直于风向时,人工水雾几乎已经失去了红外伪装能力,目标车辆很容易被光电侦查设备所侦测到。风向的影响也是现有红外仿真软件难以实现的问题之一,但是使用所建立的新型模型,各个风向条件下的仿真图像都能够通过计算得到,这也是扩散模型的优点之一。

4 结语

针对现有红外仿真软件处理水雾红外图像时所遇到的问题,结合高斯扩散模型与MIE散射理论,建立了新型水雾红外衰减模型。通过计算机仿真,得到的红外图像的真实性较传统仿真方法有较大提高。水雾的扩散模型同时可以模拟不同战场环境,可以模拟如风速、风向等对水雾消光性能的影响,而这也是现有仿真软件难以实现的。总的来说,这种建模方法对今后开发新型光电对抗模拟软件具有一定的参考价值。

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[11] 姚禄玖,高钧麟,肖凯涛,等.烟幕理论与测试技术[M].北京:国防工业出版社,2004:9-12;16-28.

Simulation of Water Mist Infrared Image Based on the Diffusion Model

XU Dongxiang1HU Yun’an2

(1. Graduate Students’ Brigade, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001) (2. Department of Control Engineering, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001)

The simulation image could not display the scattering of water mist using the existing infrared simulation software, which makes the image unreliable. In order to solve this problem, the water mist space is divided into multi-subspace. A new type of water simulation model is established using the calculation of water mist of different subspace parameters, based on Gaussian diffusion model and MIE scattering theory. According to the new model, simulation image through Matlab is compared with existing software simulation results to show that reliability of the infrared image has been greatly improved.

infrared image, water mist, diffusion model

2014年6月3日,

2014年7月17日

徐东翔,男,硕士研究生,研究方向:红外仿真。胡云安,男,教授,研究方向:光电对抗。

TP391.9

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.027