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大规模海洋场景实时红外仿真研究

邹俊锋  
【摘要】:红外成像技术在红外武器的研制与测试、目标的探测识别与跟踪、灾害救援等军事和民用领域都有着广泛的应用。近几年来国家对海洋资源不断重视,大规模海洋场景的红外仿真研究具有十分重要的现实意义。为此,本文依据红外物理知识和相关图形学方法对海洋场景进行建模仿真,实现了适用于大规模海洋战场环境的红外仿真框架,并对仿真效果进行了可信度评估。本文首先研究了海面的几何网格模型建模方法。在对比了四种常见的高度场建模方法的差异后,基于海谱模型和快速傅里叶方法构建海面基础形态。在高度场模型中引入柏林噪声,实现了海面扰动效果。利用网格投影算法优化了场景规模问题,使用雾化算法来改善海天线锯齿效果,从而实现了“无限大”海面网格的动态仿真。其次,在红外辐射特性方面,研究了海面的红外辐射计算模型。从微平面理论出发,引入了Cook-Torrance BRDF反射率模型。建立了海面本征辐射模型、海面对天空辐射反射模型、海面对目标辐射反射模型及海面泡沫辐射模型。讨论了水面倒影效果与温差、观察距离及观察角度之间的关系。此外,考虑了大气对红外辐射传输的影响,建立大气传输模型,计算到达探测器的红外辐射能量。然后,基于邻域传播的思想,通过求解二维波动方程,建立了舰船目标的开尔文尾迹模型,并叠加到海面高度场上。分析舰船湍流尾迹产生的原因,建立热尾迹的宽度和温度分布特性,并利用粒子系统对舰船尾迹进行仿真。通过分析海面上漂浮的船只受力情况,模拟舰船在海面上颠簸的场景。利用高度图和法线渲染技术,对海洋场景中的岛屿元素进行建模,实现了浅滩与海水交互的效果。最后,本文基于OGRE三维渲染引擎和QT跨平台开发框架,搭建了适用于大规模海洋战场环境的红外仿真平台,并分析了不同风速和天气条件下的海面仿真结果,验证了仿真系统的可信性。


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