戰(zhàn)場環(huán)境傳感信息的可視化研究

4.2 建立大氣傳輸模型

目標(biāo)至紅外探測器的路徑上存在著大氣，物體的紅外輻射受到大氣中某些氣體選擇性吸收和懸浮微粒散射等因素的作用而產(chǎn)生衰減。許多大氣因素，如風(fēng)、云、霧、雨、雪等，直接影響大氣衰減。計(jì)算大氣衰減的方法很多，主要有經(jīng)驗(yàn)公式法和大氣模型法，目前精度較高的是美國的LOWTRAN模型。而在Vega中，利用MAT設(shè)定大氣傳輸模型，計(jì)算大氣透射率、大氣背景輻射、太陽或月亮的直接輻射等。MAT工具用來創(chuàng)建、編輯、生成大氣傳輸特性的數(shù)據(jù)庫，首先設(shè)定地理位置、大氣狀態(tài)、氣象條件和光譜波段等參數(shù)，然后利用MOSART和TERTEM軟件，根據(jù)所輸入的參數(shù)，得到特定光譜范圍內(nèi)的大氣傳輸特性以及相關(guān)物質(zhì)的輻射特性，生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，以提供紅外成像仿真過程中Sensor模塊所需要的數(shù)據(jù)。

由于大氣傳輸特性的計(jì)算十分復(fù)雜和繁瑣，且計(jì)算量巨大，因此這部分的工作要在仿真前完成，以保證仿真的實(shí)時(shí)性。MAT將一種大氣狀況下，各個(gè)時(shí)間內(nèi)的傳輸特性存放在一個(gè)數(shù)據(jù)庫中，仿真過程中只要調(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫就可以得到所需數(shù)據(jù)。

4.3 場景的紅外輻射建模

紅外成像仿真的關(guān)鍵是確定物體表面的溫度分布和輻射場，通過溫度場來計(jì)算各點(diǎn)的紅外輻射。實(shí)際情況下，目標(biāo)的表面溫度和輻射通量主要受背景輻射和內(nèi)熱源的影響，必須建立其適當(dāng)?shù)谋尘昂蛢?nèi)熱源模型。對于無內(nèi)熱源目標(biāo)，例如草地、人造物等它們的溫度分布和自身材料的熱特性、光譜反射特性以及背景輻射等因素有關(guān)，通過求解熱交換方程來確定。而對于有內(nèi)熱源目標(biāo)，例如飛機(jī)、車輛等，它們自身的某些部位是內(nèi)熱源，可以產(chǎn)生熱量，是目標(biāo)溫度分布的主要因素，對此應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況給定目標(biāo)的溫度分布或建立內(nèi)熱源模型求解其溫度分布。目前從國內(nèi)外的研究狀況來看，1996年，Hyum提出用等效熱阻把內(nèi)熱源與物體表面聯(lián)系起來的模型，借以模擬內(nèi)熱源與物體表面間熱傳導(dǎo)的物理過程。這種方法不僅使模型具有物理意義，而且紅外仿真效果也有很大提高。目前對背景紅外成像仿真的方法基本上遵從測量、經(jīng)驗(yàn)與理論相結(jié)合的原則。TMM工具為場景模型賦予材質(zhì)紋理，每種材質(zhì)都有其相應(yīng)的光譜反射特性庫和熱特性庫。由于紋理材質(zhì)數(shù)據(jù)庫是開放的，可以根據(jù)模型的表面溫度分布或建立內(nèi)熱源模型求解其溫度分布和實(shí)際物體的材料特性，建立相應(yīng)紋理材質(zhì)文件(.mtl)，且該文件包含材質(zhì)的熱特性庫和光譜反射特性庫，再把建立的材質(zhì)文件添加到Vega的材質(zhì)數(shù)據(jù)庫中。根據(jù)已經(jīng)建立的大氣傳輸模型和目標(biāo)與背景模型以及目標(biāo)與背景構(gòu)成材料的物理屬性，利用輻射度計(jì)算公式計(jì)算探測器上所接受到的紅外輻射強(qiáng)度。Vega的Sensor模塊用來模擬生成可見光譜段以外的圖像，Sensor模塊包括SensorVision和SensorWorks兩個(gè)部分。利用它可以控制紅外探測器的參數(shù)，模擬探測器對紅外成像的影響，處理Sensor模塊與其他模塊以及MAT、TMM工具的連接與調(diào)用。得到在探測器成像面上對應(yīng)像元的輻射亮度，并不是最終結(jié)果，數(shù)字圖像反映的是灰度值，因此必須把輻射亮度轉(zhuǎn)化為灰度等級，這是個(gè)量化的過程。按照將最大的輻射度對應(yīng)于255，最小的輻射度對應(yīng)于0的原則生成一個(gè)灰度圖像。

4.4 場景紅外圖像的實(shí)時(shí)仿真

Vega讀取已經(jīng)生成的三維紅外場景模型，并考慮各種目標(biāo)以及觀察者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對場景中的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬，使場景中的各種動(dòng)態(tài)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)起來。為了方便控制場景，本文利用了一種將Vega窗口植入到基于MFC的View窗口的方法。該方法實(shí)質(zhì)是將Vega著色放進(jìn)MFC的View窗口中進(jìn)行。當(dāng)前有兩種可實(shí)現(xiàn)View窗口的Vega驅(qū)動(dòng)：一是直接繼承MFC中的CView類，稱為直接繼承模式；二是通過繼承MFC中的CView類而派生出一個(gè)子類zsVegaView，稱為模板方法模式。這個(gè)zsVegaView類提供了啟動(dòng)一個(gè)Vega線程最基本功能，還以虛函數(shù)的形式定義了特定的應(yīng)用要進(jìn)行操作的通用接口，因此用戶的應(yīng)用程序只需從zsVegaView派生出新類并根據(jù)需要重載必要的虛函數(shù)即可。本文采用了模板方法模式。zsVegaView類由CView類派生，并封裝了Vega特性的變量、函數(shù)和定義運(yùn)行線程。

5 結(jié)語

戰(zhàn)場環(huán)境傳感信息的可視化是一個(gè)龐大、復(fù)雜的系統(tǒng)工程。本文在分析SAR、紅外成像仿真原理的基礎(chǔ)上，給出了基于實(shí)時(shí)視景仿真軟件Vega的戰(zhàn)場環(huán)境傳感信息的可視化方法，為戰(zhàn)場環(huán)境傳感信息的可視化研究提供了一個(gè)可行的方法。只要能建立目標(biāo)的傳感信息，就可以利用這些傳感信息實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場環(huán)境的可視化。雖然取得了較為理想的仿真結(jié)果，但有些工作，例如，如何獲取更多傳感信息數(shù)據(jù)，建立更大的傳感信息數(shù)據(jù)庫；如何在多臺計(jì)算機(jī)上進(jìn)行交互式仿真研究，充分體現(xiàn)仿真的實(shí)時(shí)性等方面仍然需要進(jìn)一步的研究和探索。