红外场景实时仿真技术通过生成目标、背景的红外特性并模拟红外成像系统的实际工作方式,具有可靠、无破坏性、可多次重复、不受气象条件和场景空域限制、控制灵活等特点,能够降低研发风险、缩短研制周期、节约研究与试验经费,具有重要的军用和民用应用价值。而随着个人计算机与图形处理单元相结合的仿真硬件在运算性能上的飞速进步,进行更真实、复杂的物理现象与过程实时模拟成为可能,使得基于GPU构建红外场景实时仿真软件,并提高软件各子模块的拟真度越来越为研究者所重视。本文以建设系统化、基于物理的、高真实感、实时红外场景仿真软件为目标,对通用仿真框架设计、红外纹理生成、辐射特征渲染与大气传输效应仿真等关键问题进行了研究,开展的具体工作如下:第一部分研究基于GPU的红外场景实时仿真框架设计。分析了红外场景仿真的相似理论与复合系统的全链路关系,剖析了国外典型红外场景仿真软件的框架特点、模块组成与图像生成流程,总结出红外场景实时仿真框架应遵循的模块化、层次化、系统化及实时优化等设计准则。依据设计准则,完成了红外场景实时仿真框架与子模块设计,模块具备低耦合与高内聚特点,易于扩充与修改;工作层次分解为“数据管理-建模与设计-图像生成”三层结构,层中数据接口稳定,层间交流清晰、方便;模拟成像链路,实现了“目标-背景-大气-成像系统”的复合系统设计;对仿真模块基于物理建模,保障计算结果物理可信;在高级渲染引擎基础上构建基于GPU的三维红外渲染引擎,提高了稳定性,降低了开发难度。通过构建红外导引头半实物仿真试验系统验证了仿真框架的可用性。第二部分研究高真实感红外纹理生成方法。依据红外辐射计算理论设计了红外场景GPU实时仿真框架所用的红外物理纹理格式。分析了实测法与数字仿真方法生成目标红外纹理的优缺点互补性,提出了将测量图像与数学反演模型结合来生成准确、自然、细节丰富的目标表面温度场分布,再结合三维渲染技术实现灵活的目标红外图像仿真,得到了一种基于实测反演方法的目标红外纹理生成方法。分析了由于实测法红外数据获取困难、成本高,而人工设计法生成的大规模地物红外纹理边界生硬、细节重复等问题,采用可见光遥感图像分割获取了准确、自然的地物材质区域分布,然后分别从材质的可见光光学属性变化、地物海拔变化、相邻区域热传递等方面对温度分布细节进行了基于物理模型的调制,得到了一种基于可见光遥感图像生成大规模地物红外纹理的改进方法,应用于三维地表仿真,生成的红外图像真实感强,实用性好。第三部分研究复杂场景本征红外辐射特征实时渲染方法。针对红外本征辐射计算方程光谱与空间积分耗时问题,明确了方程的简化条件,得到了基本红外局部光照模型,进一步基于事先辐射特征评估实现了不同情景的红外局部光照模型优化。针对光照模型物理量难以实时计算的问题,进行了基于GPU的物理量查找表预计算。针对实时渲染时单位时间方程计算量庞大问题,根据方程间相互独立的特点采用GPU平台进行并行计算加速,实现了基于实时辐射特征评估的不同表面辐射方程加速计算。以GPU为计算核心将上述方法融合为一体,得到了一种适用于复杂场景的综合实时辐射渲染方法,实现了实时性与准确性的同时保障。第四部分研究高精度红外大气传输效应实时仿真方法。研究了平均透过率衰减在不同波段、辐射体条件下的误差,提出了基于有效均值的辐射衰减计算方程光谱耦合辐射项分解方法,将光谱辐射方程改进为基本辐射项与有效平均因子之间的简单四则运算;利用索引参数变采样间距、函数拟合等方法解决了生成大气透过率、有效平均因子等高维物理量的GPU查找表时的容量与维度优化问题;基于GPU实现了衰减方程的并行计算,得到了一种高精度、实时、普适的红外大气传输效应仿真方法。