基于红外物理学和流体动力学的海面船只红外尾迹真实感绘制

随着红外热像仪成像分辨率的提高,已能观察越来越多新的目标红外成像特征.为探究航拍海面船只红外尾迹的形成原因和具体成像特征,基于流体动力学和红外物理学原理,提出一种海面船只红外尾迹建模与绘制新算法.首先使用体素化将船体转化为固体粒子,以实现固-液耦合效果模拟;然后提出一种海水垂直面的温度变化模型,以确定液体粒子的初始温度值分布;为模拟海上行驶船只的运动及其场景的红外成像特性变化,提出一种新的结合光滑粒子流体动力学(SPH)模型及海水热传导机制的模型;最后通过红外成像模型,成功绘制出海面船只的红外尾迹场景特征图像.文中所提出的海水热传导机制SPH模型除了能模拟船只尾迹的几何形状变化外,还能求得尾迹区域海水的红外物理特征变化,并从实验模拟的角度证明了红外尾迹的成像原因.该算法在海面目标的探测与救援、军事上的红外隐身与对抗等领域都有重要的应用价值.

不同条件下海面Kelvin尾迹的红外仿真

针对舰船在海上航行时形成的尾迹包含多类信息,利用Kelvin尾迹模型得到舰船速度为5m/s、10m/s和15m/s的尾迹最大波高分别为0.5m、1.5m和2.5m。通过海浪PiersonMoscowitz谱模型描述海面风速分别为5m/s、8m/s和10m/s下的复杂海面背景模型。基于海面背景和尾迹区域的几何差异,建立了Kelvin尾迹的红外发射模型,得到不同海面风速、不同舰船航速和不同探测天顶角下的红外特征仿真图像。仿真结果表明,红外图像的灰度极大值位于尾迹波峰处,海面风速由5m/s增加到10m/s时,尾迹区域与海面背景平均灰度差值由100逐渐减小,直至无差异。相同海面风速下,舰船速度由5m/s增加到15m/s,尾迹波长由10m增加到40m,红外特征明显。改变探测器天顶角分别为0°和30°时,红外图像差异较小,当天顶角增大到60°时,尾迹区域灰度值接近海面背景,差值小于30,尾迹的辨识难度增加。