红外成像仿真技术的合理应用可以提高红外成像系统设计、评估和应用的效率,从而缩短红外武器研发周期,降低研发成本并预测新技术的应用效果。红外武器性能的不断提高要求红外仿真场景的物理逼真度不断提高。传统的以GPU为基础的红外仿真技术保证了仿真的实时性,但是对辐射模型做了过多的简化,仅考虑对少数光源如太阳、诱饵等强光源的反射,忽略了对其他辐射源的反射,同时由于其计算的并行性,无法计算二次反射、无法模拟辐射源之间的遮挡关系。这些都会严重影响场景仿真的真实性。本文针对红外场景生成中真实感不高问题进行研究,实现了基于光线跟踪的高真实感红外场景生成。本文围绕高真实感红外场景仿真主要开展了以下工作:(1)本文深入分析了红外辐射成像链路,将红外辐射的自发辐射、对其他辐射源的反射、在大气中的传输和红外成像效应作为一个整体的过程来考虑,建立了合理的红外成像辐射传输模型。在红外波段,所有温度高于绝对零度的物体都是辐射源,辐射源的红外辐射特性由自发辐射和对其他辐射源的反射共同决定。本文用双向反射函数BRDF来描述目标物体对其他辐射源的反射,采用国际通用的大气辐射传输模型计算大气对红外辐射传输的影响,并构建了红外成像系统模型。(2)本文引入光线跟踪算法对辐射传输及成像过程进行模拟。光线跟踪技术可以精确地描述红外辐射的多次反射、辐射源之间的遮挡关系。在红外波段,多数辐射源不能当做点源计算。因此,光线跟踪算法引入红外成像仿真过程后,本文采用对辐射源采样的方式,来表达物体对辐射源的反射和不同辐射源之间的遮挡关系。(3)光线跟踪算法计算费时,最为费时的是光线与场景图元求交点的过程。光线跟踪计算时,每个点都要计算对整个半球空间辐射源的反射,这将大幅增加光线数量,严重影响红外图像生成效率。本文为了加快光线与场景图元求交点的过程,采用KD-Tree空间结构对场景图元进行组织,并采用表面积启发式的算法对KD-Tree的每个节点进行分割。分割得到的两个子树继续按照相同方式递归划分,直到KD-Tree的深度到达阈值或者每个节点包含的图元数量到达阈值。(4)本文将光线跟踪算法应用于红外辐射传输中,实现了基于光线跟踪的红外场景仿真图像生成,实现了辐射源之间的反射仿真,对典型面辐射源的照射阴影效果进行了仿真,并在最后对实际测量结果进行了验证分析。