[发明专利]基于光线跟踪的激光雷达场景仿真方法

说明书

技术领域

本发明属于计算机仿真技术领域，涉及激光雷达场景仿真方法，具体涉及一种基于光线跟踪的激光雷达场景仿真方法。

背景技术

随着激光器和探测元件的发展，激光雷达系统在航天、地形跟踪、目标探测等军事应用上发挥的作用日益重要。目前对激光雷达系统的性能分析研究主要有两种途径：外场实验和计算机仿真。外场试验需要大量的人力和物力，且受到气象因素的制约，实验周期长，重复次数多且受地理环境、气候条件等因素影响较大。计算机仿真技术可以对不同背景下、不同目标的激光雷达场景进行仿真，输出模拟的激光雷达图像。激光雷达场景仿真方法能有效克服时间、环境、地域的限制，降低成本，缩短激光雷达武器系统研发周期，提高激光雷达仿真系统设计、测试评估和应用的效率，因而具有重要的研究意义。光线跟踪的渲染算法可以很自然地模拟真实环境中的各种光学效果，如反射、阴影、折射等，具有好的渲染效果。利用光线跟踪方法对激光场景进行仿真计算可以更加真实地模拟激光场景。

华中科大图像所余德军、苏州大学物理系薛国刚都针对激光成像雷达仿真技术开展了相关研究工作，主要仿真计算的对象为回波信号和图像。西安电子科技大学吴振森建立了激光雷达收发系统、目标散射、传输效应等因素与激光雷达三维图像的特征的联系，对目标的激光雷达三维成像进行了仿真模拟，能真实的表征目标的激光雷达回波特性。目前，国内的模拟方法主要是依据场景的目标特性，直接计算回波信号，而激光在场景中的传输特性例如多次反射、遮蔽效果等无法很好体现，无法满足探测和制导过程中对准确率越来越高的要求。

目前国内关于激光雷达成像场景仿真的技术还比较粗糙，没有建立起真实感高的场景，进而影响探测、制导的准确率。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于光线跟踪的激光雷达场景仿真方法，用以提高激光雷达场景仿真的真实感，进而提高探测、制导的准确率。

为实现上述目的，本发明采用如下方案：

基于光线跟踪的激光雷达场景仿真方法，利用光线跟踪技术计算出目标和背景在激光接收器方向上对激光的直接反射亮度值后，加上对场景中其他物体的间接反射亮度值，并添加探测器噪声模拟激光雷达的成像结果；

具体步骤如下：

(1)在3DMAX中生成三维网格模型并获取三维模型每个顶点的位置、法线信息；

(2)根据步骤(1)中得到的场景的位置信息以及光线跟踪的原理生成光线，光线与场景进行相交检测得到光线与场景最近的交点；

(3)计算交点处对激光光源的直接反射分量和对环境中其他物体的间接反射分量，并将两部分相加；

(4)对屏幕中所有的像素进行步骤(2)-(3)的操作，得到整个视场的计算结果；

(5)在步骤(4)计算的结果上添加固定噪声；

(6)将步骤(5)的结果进行线性量化，即得到激光雷达成像的仿真场景。

所述步骤(1)中使用KD树的结构对三维模型信息进行组织。

所述步骤(2)由激光接收器发出通过屏幕的光线，将光线与场景进行求交运算得到交点。

所述步骤(3)具体步骤如下：

3a)计算交点处对激光光源的直接反射分量L_direct；

其中，P_T为激光器的发射功率，θ₀为光束发散角的半角，θ_i为激光与面元ΔS法线的夹角，R为面元ΔS与激光雷达之间的距离；为双向反射率函数，采用Schlick提出的双向反射函数反射模型(Schlick BRDF)；

3b)计算交点处对周围环境中其他物体的间接反射分量L_indirect；

根据光线跟踪的算法原理以及光线传输的原理，在交点处向周围环境空间内发出光线，计算这些光线对交点的反射分量；

3c)将步骤3a)和步骤3b)的计算结果相加得到当前计算点的在激光接收器方向上的辐射值L_reflect，L_reflect＝L_direct+L_indirect。

所述固定噪声用P_n＝L·Noise()表示，Noise()为平均值为0、噪声的方差为1的标准噪声发生函数。