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面向红外辐射的大气传输效应仿真技术研究

作　者: 张飞
导　师: 吴泽彬
学　校: 南京理工大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 红外图像仿真大气传输效应大气调制传递函数蒙特卡洛方法并行优化
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

随着计算机仿真技术和硬件设备性能的不断提高,红外图像仿真技术能够很好的生成各种不同气象条件、不同时刻和季节下目标和背景的红外图像,近年来得到迅速发展,并获得了广泛的应用。由于红外辐射在大气中传输时要受到大气分子与气溶胶吸收和散射、大气湍流散射等大气传输效应的影响,结果将会严重影响到红外图像的质量。因此在红外图像的仿真过程中,建立并实现不同条件下的红外辐射大气传输效应模型是十分必要的。本文在深入分析红外辐射大气传输衰减和畸变效应形成机理、系统总结相关研究现状的基础上,研究了红外辐射大气传输衰减、畸变效应和基于蒙特卡洛方法的红外辐射大气传输效应仿真模型,为红外图像的大气传输效应仿真奠定了基础。首先,运用理论分析和经验公式相结合的方法建立了红外辐射大气传输衰减效应模型,进行了红外辐射大气透射率模拟实验,并与MODTRAN(MODerate resolution atmospheric TRANsmission)软件进行了对比分析,实验表明本文红外辐射大气传输衰减效应模型在保证精度与可靠性的同时,有效提高了可操作性和计算效率。其次,在大气传输理论基础上,以多种气象数据为参数,深入分析了典型大气湍流和气溶胶调制传递函数(MTF)模型,建立了基于大气调制传递函数的红外辐射大气传输畸变效应模型,并针对其中关键的大气湍流和气溶胶调制传递函数参数多种预测模型的选择问题,根据本地实际气象参数的实验比较分析,确定了符合本地区特征的参数模型。然后,重点研究了大气分子和气溶胶对光子的吸收散射衰减效应,采用蒙特卡洛方法(MCM)模拟光子在大气行走中的随机碰撞过程,面向红外辐射统计计算气溶胶和雨雾等粒子的大气点扩散函数PSF (Point Spread Function),建立了基于蒙特卡洛方法的红外辐射大气传输效应模型,特别适用于红外图像雨雾效果的仿真。同时,针对蒙特卡洛方法计算量大、收敛性弱的缺点,在多核处理器平台上基于OpenMP(Open Multiple Processing)进行了并行优化处理,有效提高了运算效率。最后,基于前述研究的红外辐射大气传输衰减、畸变效应模型,设计并实现了红外辐射大气传输效应仿真系统,根据仿真流程设计,开展了晴朗天气条件下和降雨天气条件下的地面场景红外辐射大气传输效应仿真实验。并利用实测红外图像,结合多种图像评价统计指标对仿真效果进行了分析比较,验证了本文中仿真模型及算法系统的正确性和可信性。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
1 引言  8-14
  1.1 课题研究背景  8
  1.2 课题研究现状  8-13
    1.2.1 红外图像仿真技术  9
    1.2.2 红外辐射大气传输效应仿真研究现状  9-11
    1.2.3 大气湍流和气溶胶调制传递函数研究现状  11-13
  1.3 论文的组织结构  13-14
2 红外辐射大气传输衰减效应仿真  14-21
  2.1 大气分子的吸收衰减效应  14-16
  2.2 大气气溶胶的纯散射衰减效应  16-17
  2.3 气象条件制约引起的衰减效应  17
  2.4 红外辐射大气传输衰减效应仿真  17-20
  2.5 小结  20-21
3 基于大气调制传递函数的畸变效应建模研究  21-32
  3.1 大气湍流调制传递函数模型  21-25
    3.1.1 大气湍流调制传递函数  21-22
    3.1.2 大气湍流调制传递函数的参数预测  22-25
  3.2 大气气溶胶调制传递函数模型  25-27
    3.2.1 大气气溶胶调制传递函数  25-26
    3.2.2 大气气溶胶调制传递函数的参数预测  26-27
  3.3 红外辐射在雨雾中的衰减  27-30
    3.3.1 雾天条件下的衰减  27-28
    3.3.2 雨天条件下的衰减  28-30
  3.4 小结  30-32
4 基于蒙特卡洛方法的红外大气传输效应仿真研究  32-43
  4.1 蒙特卡洛方法与光子碰撞模型  32-35
  4.2 基于OpenMP的蒙特卡洛方法仿真并行优化  35-42
    4.2.1 OpenMP并行计算简介  36-38
    4.2.2 基于OpenMP的蒙特卡洛方法并行计算  38-42
  4.3 小结  42-43
5 典型目标与背景红外成像大气传输效应仿真实验  43-64
  5.1 红外辐射大气传输效应仿真系统设计与实现  43-47
  5.2 晴朗天气下的红外图像仿真  47-55
  5.3 降雨天气下的红外图像仿真  55-64
6 总结和展望  64-66
  6.1 研究工作总结  64-65
  6.2 未来的工作和展望  65-66
致谢  66-67
参考文献  67-71
附录  71

面向红外辐射的大气传输效应仿真技术研究

内容摘要

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