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全天候户外景象长波红外成像建模与合成

曹华梁  
【摘要】:全天候户外场景长波(8-12μm)红外图像模拟与仿真主要研究户外天气、气候以及拍摄时间等因素对长波红外图像的影响,建立天气、气候、时间以及地理位置等条件与户外景象长波红外图像之间的数学模型,模拟产生当这些参数变化条件下户外场景长波红外图像。本论文的研究目的是在给定天气参数、时间、地理位置的条件下,根据已有的户外景象长波红外图像给出满足这些条件的图像仿真方法,即能够根据已有的参考图像模拟产生其它天气条件下同一场景的长波红外图像。 户外景象所发射的长波红外辐射经过大气的作用,到达红外摄像仪后经光电转换得到长波红外图像。在这个成像过程中,户外场景红外辐射的强弱以及在大气中的传播都将受到天气的影响,而通常像机受天气的影响较小。因此,本文的研究重点是户外目标和背景长波红外图像仿真以及长波红外图像大气效应的仿真。像机的成像机理以及受天气影响的太阳辐射是全天候户外景象长波红外仿真的基础,因此本文首先讨论了红外成像机理、红外像机点扩展函数以及太阳辐射的计算方法。 在分析红外像机成像机理时,作者重点讨论了两个问题:物体表面温度与物体红外图像灰度值之间的关系; 红外像机点扩展函数的测量。首先分析了物体表面发射的长波红外辐射和像机所接收到的目标红外辐射,对物体在常温范围内的辐射作了合理的简化,推导出目标表面温度和目标红外图像灰度值之间的关系; 然后利用修正的边扩展函数法估计长波红外像机的系统点扩展函数。 太阳辐射的变化将导致物体温度的变化,同时大气的光学性质也随太阳位置和太阳辐射的变化而改变。论文中讨论了太阳位置、太阳辐射的计算方法,包括太阳方位、相对时间、目标接收到的太阳辐射的计算等。 大气对长波红外成像质量有着重要的影响。本论文讨论了大气的光学性质,分析了大气分子、气溶胶粒子对红外辐射的吸收和散射所导致的红外图像对比度下降和图像模糊,提出了一种长波红外图像大气效应仿真方法。该方法用大气点扩展函数(PSF)表示大气对红外成像质量的影响。首先计算不同天气下大气的点扩展函数; 然后对已获取的长波红外图像进行图像恢复; 最后将恢复后的图像与大气点扩展函数以及像机的点扩展函数进行卷积运算,得到给定天气条件下图像的大气效果。本文具体地讨论了两种情况下红外图像大气效应的仿真:1)水平路径上晴朗天气下红外图像大气效应的仿真; 2)水平路径上雨雾天气下红外图像大气效应的仿真。在仿真过程中,晴


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