1、计算机与图像技术Computer&Multimedia Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering184在不具备目标成像数据的情况下，通过对典型目标建模，采用仿真途径来获取目标红外序列图像，是研究红外成像质量与制导平台之间影响因素的一种有效手段。针对高速飞行平台，可以根据气动光学效应对红外成像影响的数学模型，开展目标检测识别算法研究，评估目标识别的性能，进而对图像指标与目标识别性能之间的关系进行分析。本文的研究背景是针对高速平台下空对海面目标的红外制导飞行，通过对高速运动下气动光学效应引起的图像退化进行建模仿真，研
2、究并提高红外图像制导在图像退化复原处理、目标检测识别和跟踪的性能的有效方法和技术途径。高速平台目标成像建模与仿真研究的总体框架如图 1 所示，主要包括红外仿真和性能评估两个方面。1 总体思路与仿真流程1.1 红外制导信息处理流程目标受到气候、时相以及海面环境的影响而表现出不同的红外特性，都给红外成像制导带来困难。从作战过程可知，导引头开始工作后随着高度降低，目标大小与形态也发生变化，逐渐由窄的点状或条状目标逐渐变为面目标；在导引过程中，导引头启动后的初始阶段会在大的视场中搜索目标，当捕获到目标后，通过控制系统的导引，目标在图像中的形态或位置将发生变化，需要对目标进行识别、确定并转入目标跟踪阶段
3、，最后阶段还要进行要害点识别与跟踪。因此图像制导处理是一个复杂的处理过程，在不同阶段，其采用的信息处理算法也不同。如图 2 所示，红外成像制导头的性能仿真研究，是建立在目标背景特性基础上，而处理算法的选择与转换一方面取决于控制系统的要求，另一方面还与各阶段算法处理结果密切相关。1.2 目标建模与红外成像仿真1.2.1 红外成像原理高速平台对海目标红外成像制导建模与仿真研究陈凯李永生肖宏（中国电子科技集团公司第二十七研究所 河南省郑州市 450047）摘要：本文针对高速飞行器在大气层中飞行时产生的气动光学效应的图像及其退化复原、目标检测识别进行研究，开展高速飞行器载体下空对海面目标的红外成像效果
4、分析，针对不同条件下的目标及其成像效果、退化复原处理、目标图像检测识别等进行仿真和计算，并评估高速气动光学效应条件下红外成像制导系统的设计边界条件，能够对系统指标论证和设计提供关键数据支撑。关键词：高速平台；海面目标；图像仿真；红外制导图 1：高速平台目标成像建模及仿真研究计算机与图像技术Computer&Multimedia Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering185红外制导成像如图 3 所示，其成像模型为透视成像模型，对于舰船目标，在较高高度下可近似为平面目标，在不同观察视角下的图像平面中目标大小也各不相
5、同。红外成像视场对应的海面区域大小按照如下计算：其中 为成像传感器主光轴与水平方向夹角（这里等于弹倾角），h,v分别表示水平和垂直两个方向视场角，。1.2.2 红外成像仿真流程红外成像仿真既要考虑到目标背景特性，也要考虑到飞行条件下的动态成像过程。在动态场景下进行红外成像仿真，需要获取以下参数：（1）目标几何尺寸；（2）场景类型；（3）物体表面材料的发射率或吸收率；（4）空间的时相和气象参数；（5）物体运动特性和成像平台参数1。这里目标和背景的红外特性的仿真主要借助于红外仿真软件。红外成像仿真具体流程如图 4 所示。其中信噪比定义为：式中 T为仿真目标强度，为目标灰度均值，b为海面背景杂波强度
6、，即海面背景灰度标准差。1.2.3 舰船目标建模建立舰船目标模型数据库，可以为海面目标的检测和识别研究创造一个良好的图像研究条件，一方面是实现舰船图像仿真，另外一方面还用于计算舰船目标在各种姿态和视点下的特征模型，用于目标检测与识别。通过收集不同视点（侧视、顶视、前视、后视等）的可见光舰船图像及少量的红外图像，为多尺度目标特征建模进而很好地识别舰船目标创造条件。当代军用舰船大体可分为七大类：航空母舰、巡洋舰、驱逐舰、巡防舰、潜艇、小型护卫舰和导弹快艇，每一类舰船，各国又有很多级别，不同级别（外形上）差异甚大。针对这种情况，对每一类舰船分别绘制了若干标准二值图像的俯视图、侧视图，为舰船目标的建模
7、和识别仿真研究提供了依据和工作条件。2 高速平台环境建模与图像处理仿真2.1 气动光学效应数学建模高速飞行的红外成像导引头在工作过程中，其前端的红外探测器通过光学系统获得目标和背景的红外辐射，然后成像在 FPA 的像面上。由于气动光学效应的存在，导引头周围的大气会分为气动冲击层、湍流剪切层、湍流剪切层。其中湍流剪切层存在是气动光学效应产生图 3：导引头红外成像示意图图 2：红外制导中目标识别跟踪的递推信息处理流程图 4：动态红外图像的生成流程计算机与图像技术Computer&Multimedia Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software
8、 Engineering186最重要的原因3。2.1.1 流场结构分析与建模对于高速湍流场的建模，目前比较成熟的方法是用Navier-storkf 方程进行流场计算，然后在此基础上添加K-模型。湍流的数学模型用(x,y,z,t)来描述，其中 为描述流场的物理量，如压力、速度、温度、密度等；x,y,z 表示流场划分栅格的空间坐标，t 表示时间。应用NS 方程建模可得到流场的描述参量，包括每个 物理量的平均值，湍流场密度起伏各项积分尺度 lx,ly,lz等4。高速湍流场的起伏空间描述，仿真主要采用以下两种数学模型实现：（1）指数模型。（2）高斯模型。2.1.2 高速湍流场的功率起伏谱高速流场环境下
9、，按照气动光学原理，可采用波动光学理论能够进行湍流场下的光传输效应分析，仿真采用 Gladstone-Dale 公式，将湍流场转换为随折射率变化的随机相位屏数学模型。沿导引头的视线方向的折射率函数描述为5：从平面波穿过湍流介质后，引起相位起伏的函数为：对上式进行傅里叶变换，则相位起伏的功率谱为：上面的式子可形成两部分的影响，其中的低频部分造成了图像的抖动，高频部分则造成了图像的模糊。2.2 图像退化模型为了便于仿真实时处理，可采用线性空间不变系统来近似表达图像的退化环境模型。把连续图像可以看成无穷多极小的像素点或点光源，按照线性移不变系统进行输出，图像就可以表示为点光源的点扩散函数的卷积。2.
10、2.1 图像退化模型数字图像处理方法中，图像可表示为平面坐标点(x,y)的二维灰度变化函数 f(x,y)。一幅连续图像 f(x,y)，用点光源函数的卷积表示：其中，(x,y)是点光源函数。在不考虑噪声的情况下，连续图像经过退化系统 H 后，输出图像为：2.2.2 离散图像退化模型仿真过程为了实现退化图像的恢复，还需要对上述连续图像函数 f(x,y)进行空间和幅值的离散化处理。设离散输入图像 f(x,y)的尺寸为 A*B，离散退化系统的冲击响应函数 h(x,y)的尺寸为 C*D。类似于一维情形，采用补零的方法分别进行周期延拓：卷积计算后，退化后的离散输出图像可表示为：其中，M=A+C-1，N=B
11、+D-1；x=0,1,2,.N-1。2.2.3 基于湍流单元的流场仿真每个湍流单元都可以采用类高斯函数来模拟其点扩散函数，表达式为：上式中 kx、ky为湍流单元 x 和 y 方向上的模糊因子，h(r)为漩涡函数。图 5：仿真演示的目标处理过程计算机与图像技术Computer&Multimedia Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering187湍流场的漩涡数量跟湍流的强弱有关，如果湍流较强，设定的漩涡个数就多，湍流弱就减少漩涡的数量。则整个湍流场的点扩散函数可描述为：上式中 M 表示流场的漩涡个数，kxm,kym表
12、示每个漩涡 x,y 方向上的模糊因子，xm,ym是漩涡的偏移位置，Wm为漩涡的强弱（分布满足高斯分布）。2.3 图像复原模型高速飞行条件下，受大气湍流带来的气动光学效应影响，成像传感器获取的图像会产生模糊，因此导引头的检测识别算法要具有一定的抗模糊处理能力。气动光学效应矫正和图像复原的迭代处理算法，要求快捷且稳定收敛，这里采用两帧短曝光图像来恢复目标图像，通过构造方程组可求解得到原始图像的估计结果。上述大气湍流下的二维图像的退化过程模型可表示为：其中，g(x,y)为退化图像，o(x,y)为原始图像，(x,y)为噪声像，h(x,y,k,l)为点扩散函数（PSF）。对于湍流退化图像，仿真过程可假设
13、其退化过程为空间不变的，即模糊算子具有位移不变性，则：某一时刻的退化湍流图像 gn(x,y)用卷积的形式可以表示为：采用逆滤波就可以得到原图像的频谱：式中为的复共轭，是一个较小的常数。对进行傅里叶反变换后，就可以得到恢复后的图像，用于后续进行目标检测。2.4 目标检测识别仿真对前述仿真的图像数据，仿真过程可选择多种典型目标检测识别算法进行处理，从而为图像制导过程的识别性能统计与分析提供数据。对目标背景特性分析，可见海面背景比较暗，而舰船目标相对较亮。在小目标区域内，舰船的灰度级是比较平滑、均匀的，可以从相对较暗的邻域背景中将目标区分开来。2.4.1 目标检测一定高度下成像，目标体现为窄条状，可
14、利用局部自适应分割提取目标，并通过以下几个特征量确定真实的舰船目标（同时满足）：（1）边界长度：提取每个目标的边缘长度。（2）目标大小：在一个直角坐标轴上的目标最大长度和宽度。（3）长宽比：目标最大长度与最大宽度之间的比值。（4）复杂度：边缘像素点总数与目标像素点总数之间的比值。2.4.2 目标识别目标识别采用运动特征分析，判断当前视场中，疑似目标的运动是否符合连续性的物理规律。常见的目标识别算法有 3 类：矩阵不变法、相关法和投影法，用于真正制导的实用识别算法必须是简单、有效的算法。3 仿真结果与分析3.1 图像仿真结果仿真产生了模拟弹道条件下的不同气动参数条件的目标模拟图像、数字像清晰化复
15、原图像以及目标匹配跟踪的结果图像。3.2 目标识别结果有了数学模型和建立的仿真结果，采用多种图像处理算法和增加信噪比进行模拟检测等方法实现对海面目标的检测处理，从而获得相应的结果，最终证明处理过程有一定的可检测性。3.3 仿真集成演示仿真的最后还进行了总体仿真系统的集成验证，主要是对图像末制导的在仿真图像、目标跟踪等过程进行了集成演示，仿真演示的目标处理过程如图 5 所示，仿真演示效果图如图 6 所示。仿真演示系统主要是利用Matlab的GUI显示技术，对前面所做的高速气动环境下的目标结果进行动态显计算机与图像技术Computer&Multimedia Technology电子技术与软件工程E
16、lectronic Technology&Software Engineering188示、跟踪等过程，结合系统给出的弹道姿态等信息，模拟了目标的特性和跟踪效果。弹道数据取最后中末制导交接班的弹道数据进行仿真和跟踪，目标跟踪序列如图7 所示。按照弹道数据仿真获得的目标图像的信噪比和对比度情况较为良好，图像序列的匹配跟踪效果较为也良好，由于仿真所采取的气动光学效应参数与真实的环境参数之间还有一定的差异，后续还可以进一步结合各类参数梳理相应的仿真条件，给出更为可信的仿真结果。4 结束语本文分析高速运动下气动光学效应下的红外成像场景进行目标、图像、复原和检测识别需求，通过全流程仿真分析的方法和建模，搭建了仿真环境，通过综合分析得到了高速环境下进行红外成像制导的仿真结果，能够对构建高速平台下红外成像制导系统的设计边界条件提供重要的数据支撑。参考文献1 钟鸣.基于 SE-Workbench 的红外场景图像自动生成方法研究 D.武汉:华中科技大学,2016.2 刘鑫,张建奇,邵晓鹏.动态红外场景仿真方法研究 J.红外技术,2002(06):31-36.3 王定超,刘新学,闫双卡.气动湍流对红外寻的
