一种红外气动光学成像仿真方法、存储介质及计算机设备技术

本发明专利技术属于光学成像技术领域，公开了一种红外气动光学成像仿真方法、存储介质及计算机设备，通过流场动力学及光学的数值模拟得到不同飞行状态下的波前变化值，建立波前变化值与飞行状态参数的映射关系，构建连续变化的退化模型；构建红外场景仿真模型，输出探测阶段的序列红外图像及其对应的成像飞行状态；将成像飞行状态输入连续变化的高斯叠加模型，将得到的连续变化的点扩散函数与对应的红外图像进行卷积操作，实现实时的红外气动光学效应退化成像。本发明专利技术建立了与飞行状态耦合的气动连续退化模型，建立了红外探测视景仿真模型，可以真实地模拟高速运动状态下的红外探测成像过程；本发明专利技术的模型更简单，成本小且耗时更少。成本小且耗时更少。成本小且耗时更少。

【技术实现步骤摘要】
一种红外气动光学成像仿真方法、存储介质及计算机设备


[0001]本专利技术属于光学成像
，尤其涉及一种红外气动光学成像仿真方法、存储介质及计算机设备。

技术介绍

[0002]目前，机载红外光学系统在遥感中发挥着重要作用。随着航空航天技术的发展，气动光学效应造成的图像失真已成为机载红外光学成像系统中一个严重的问题。光学窗口周围湍流可压缩流量的大密度梯度是气动光学失真的直接原因。光学窗口外的流场可能包括复杂的流结构，如自由剪切层、膨胀波、湍流边界层、冲击波。密度梯度分布不稳定且不断变化的。根据Gladstone
‑
Dale关系，空气折射指数与其密度成正比。由于折射索引的变化，通过空气动力学流的光束出现严重的波前失真，导致模糊、光线偏转和抖动。这些航空光学效应对机载光学系统的成像质量产生不利影响。因此，为了提高机载红外遥感任务的质量和精度，有必要研究高速飞行条件造成的成像变化。
[0003]目前估计气动光学传输效应造成的成像影响常用的方法是，基于流场和光学传输的数值计算进行研究，这类方法使用计算流体动力学(CFD)软件，因此计算量大，只能针对有限飞行状态进行分析。同时，由于成本较高且红外成像需要专门的摄像机和光学元件，风洞试验和飞行试验的使用有限，无法获得大量的连续红外气动退化图像数据。而目前基于现象学建立的仿真模型，虽然可以模拟出图像模糊、抖动、视线误差、饱和度等气动光学效应引起的退化现象，但是模型的典型参数仍需要根据经验值单独设置，因此该类模型仅适用于描述图像质量退化定律，不能根据飞行状态进行实时模拟。因此，为了有效且低成本的研究气动光学及其实时校正，需要设计可以模拟实时场景仿真的红外气动光学效应的仿真方法。
[0004]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
[0005](1)现有的估计气动光学传输效应造成的成像影响的方法，计算量大，只能针对有限飞行状态进行分析，而且成本较高，风洞试验和飞行试验的使用有限，无法获得大量的连续红外气动退化图像数据。
[0006](2)现有的仿真模型仅适用于描述图像质量退化定律，不能根据飞行状态进行实时模拟。
[0007]解决以上问题及缺陷的难度为：
[0008](1)飞行实验平台设计复杂，研制周期长，成本高，目前国内仍缺乏低成本、高响应速度的飞行试验平台；风洞实验无法模拟真实飞行环境，且仅适用于模拟单一环境因素的影响；
[0009](2)需要考虑如何结合少量数值模拟的结果，来构建可以连续变化的模型，
[0010]以满足在不同的影响因素下，都能符合气动机理的变化趋势。
[0011]解决以上问题及缺陷的意义为：
[0012](1)由于成本限制和效果局限性，构建动态红外场景成像仿真是验证校正算法简
单方法；
[0013](2)不同参数下的模糊模型，可以作为先验信息指导更精准、更高效的校正算法研究；
[0014](3)可以模拟不同飞行状态的退化仿真模型，能为训练先进的深度学习算法提供大量数据。

技术实现思路

[0015]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种红外气动光学成像仿真方法、存储介质及计算机设备。
[0016]本专利技术是这样实现的，一种红外气动光学成像仿真方法包括：
[0017]步骤一，通过流场动力学及光学的数值模拟得到不同飞行状态下的波前变化值σ；通过精确的数值模拟，得到可以反映气动光学效应强度变化的参数，用来指导退化模型的构建；
[0018]步骤二，建立波前变化值σ与飞行状态参数的映射关系，构建连续变化的退化模型；构建连续变化的映射关系，可以得到随不同飞行状态参数连续变化的退化模型，同时可以保证不会在数值模拟步骤消耗过多的计算成本；
[0019]步骤三，构建红外场景仿真模型，输出探测阶段的序列红外图像及其对应的成像飞行状态；基于红外场景的建模，可以构建全链路的红外成像退化仿真过程；
[0020]步骤四，将成像飞行状态输入连续变化的高斯叠加模型，得到一组连续变化的点扩散函数，通过与对应的红外图像进行卷积操作，实现实时的红外气动光学效应退化成像。成对的红外图像和飞行参数作为步骤四的输入，通过这一步的操作，可以得到探测视角和飞行参数同时变化的红外探测图像。
[0021]进一步，所述步骤一中流场动力学数值模拟方法采用：雷诺平均纳维
‑
斯托克斯方程、直接数值模拟DNS和大涡模拟LES。
[0022]进一步，所述步骤一中光学数值模拟采用几何光学、物理光学和傅里叶光学方法分析和计算经过流场后光线的失真。
[0023]进一步，所述步骤二中的构建映射关系的方法具体如下：
[0024](1)数据集的准备；
[0025](2)进行回归分析。用训练集进行拟合，拟合方法可以是多项式拟合、高斯拟合、基于最小二乘的线性回归、非线性回归；
[0026](3)进行回归诊断，通过查看残差图找出并剔除异常点，再重新进行回归分析；
[0027](4)进行模型检验，计算各个回归模型的评估指标值。
[0028]进一步，所述步骤(1)数据集的准备包括：
[0029]通过流场模拟和光学模拟，获取N组飞行状态参数下的波前变化参数σ，将飞行状态参数与对应的波前变化参数σ进行随机排序，按比例分割成训练集和测试集；
[0030]画出σ值与各个飞行状态参数的散点图，进行相关系数分析和显著性检验，得到因变量σ与各个飞行状态参数自变量的相关系数及其置信度，判断变量间的相关关系，剔除异常值。
[0031]进一步，步骤(2)进行回归分析中，用训练集进行拟合，拟合方法是多项式拟合、高
斯拟合、基于最小二乘的线性回归或非线性回归。
[0032]进一步，所述步骤(4)进行模型检验，计算各个回归模型的评估指标值中，当回归模型评估指标值超过指标阈值，同时结合测试集的预测精度，对应的回归模型即作为σ的映射公式。
[0033]进一步，所述步骤(4)中回归模型的评估指标值包括拟合优度R
‑
square，回归系数显著性检验指标、回归方程显著性检验指标或相关系数显著性检验指标。
[0034]进一步，所述步骤二中的退化模型及其参数设置具体如下：
[0035][0036][0037][0038]M＝μ
·
Ma/H
[0039]其中，ω
i
为权重参数，σ为强度参数，x
m
和y
m
为偏移量控制参数，M为湍流单位的数量。
[0040]进一步，所述步骤三中的红外场景仿真模型的构建方法包括：
[0041]首先是三维建模及表面温度场设置，利用三维建模软件建立目标和背景的三维几何模型，根据经验值设定场景每个部分的表面温度；
[0042]然后根据接收的飞行状态参数，以及传感器的视场参数和成像参数，确定成像观测区域及成像各帧对应的飞行状态；
[0043]接着计算红外辐本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种红外气动光学成像仿真方法，其特征在于，所述红外气动光学成像仿真方法包括：步骤一，通过流场动力学及光学的数值模拟得到不同飞行状态下的波前变化值σ；步骤二，建立波前变化值σ与飞行状态参数的映射关系，构建连续变化的退化模型；步骤三，构建红外场景仿真模型，输出探测阶段的序列红外图像及其对应的成像飞行状态；步骤四，将成像飞行状态输入连续变化的高斯叠加模型，得到一组连续变化的点扩散函数，通过与对应的红外图像进行卷积操作，实现实时的红外气动光学效应退化成像。2.如权利要求1所述的红外气动光学成像仿真方法，其特征在于，所述步骤一中流场动力学数值模拟方法采用：雷诺平均纳维
‑
斯托克斯方程、直接数值模拟DNS和大涡模拟LES。3.如权利要求1所述的红外气动光学成像仿真方法，其特征在于，所述步骤一中光学数值模拟采用几何光学、物理光学和傅里叶光学方法分析和计算经过流场后光线的失真。4.如权利要求1所述的红外气动光学成像仿真方法，其特征在于，所述步骤二中的构建映射关系的方法具体如下：(1)数据集的准备；(2)进行回归分析；用训练集进行拟合，拟合方法可以是多项式拟合、高斯拟合、基于最小二乘的线性回归、非线性回归；(3)进行回归诊断，通过查看残差图找出并剔除异常点，再重新进行回归分析；(4)进行模型检验，计算各个回归模型的评估指标值。5.如权利要求4所述的红外气动光学成像仿真方法，其特征在于，所述步骤(1)数据集的准备包括：通过流场模拟和光学模拟，获取N组飞行状态参数下的波前变化参数σ，将飞行状态参数与对应的波前变化参数σ进行随机排序，按比例分割成训练集和测试集；画出σ值与各个飞行状态参数的散点图，进行相关系数分析和显著性检验，得到因变量σ与各个飞行状态参数自变量的相关系数及其置信度，判断变量间的相关关系，剔除异常值。6.如权利要求4所述的红外气动光学成像仿真方法，其特征在于，步骤(2)...

【专利技术属性】
技术研发人员：饶鹏，张淑媛，陈忻，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：