[发明专利]一种非朗伯面目标红外散射特性的并行计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种非朗伯面目标红外散射特性的并行计算方法，属于目标的识别、探测技术领域。

背景技术

非朗伯面目标对天地背景红外辐射的散射特性在遥感、目标识别跟踪、精确制导等领域都起着重要作用。计算中首先要对目标进行几何建模,在此基础上对目标表面进行三角形面元剖分；使用双向反射分布函数(BidirectionalReflectionDistributionFunction,BRDF)表征非朗伯面的散射特征；天地背景辐射与大气模型、气溶胶分布模型、观测的地理位置、高度，时间等都有关，非常复杂，计算中使用MODTRAN(MODerateresolutionatmosphericTRANsmission)软件进行计算；计算中在入射、探测方向分别进行遮挡消隐，分别计算出每个可见小面元的散射亮度后进行叠加得到目标的散射亮度。

复杂目标对天地背景红外辐射的计算中由于目标面元多，背景辐射涉及全空间，且分布在很宽的波段内，计算时间较长。因此，加速计算过程就显得很有必要。近年来，随着多核CPU(CentralProcessingUnit)及GPU(GraphicsProcessingUnit)的高速发展，通用高性能并行计算技术在多个学科中得到了广泛应用。但传统的基于多核CPU的加速，由于核的个数有限，加速也很有限。基于GPU的CUDA(ComputeUnifiedDeviceArchitecture)及OpenCL(OpenComputingLanguage)等底层编程语言对编程人员要求较高，编程中涉及到设备端存储单元的分配、释放，线程的组织及必要的线程间同步操作，编程较复杂，需要在原来串行程序的基础上进行较大的改动，影响了效率。Intel公司于2011年推出了XeonPhi众核处理器，最多可拥有61个核，每个核最多支持4个线程，它拥有独立的操作系统，支持熟悉的基于编译指令的OpenMP编程模型。编程时只需在原始的串行代码中加入一些编译导语，如果之前已经有基于多核OpenMP的实现版本，只需重新编译即可在Phi上运行。不难发现，基于Phi平台的实现，编程简单，很大程度上提高了程序员的工作效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非朗伯面目标红外散射特性的并行计算方法，解决了目前非朗伯面目标红外散射特性计算时间过长的问题。

本发明采用的技术方案按照以下步骤：

步骤1：使用3DMAX软件完成目标的几何建模，建模时选定目标坐标系；建模完成后对模型表面进行三角形面元的剖分，使模型表面由若干个三角形构成

步骤2：选择BRDF模型对目标表面材料进行光谱BRDF建模

步骤3：由于BRDF是针对小面元定义的，故需要根据目标坐标系建立面元坐标系：面元的法线方向定为面元坐标系的z轴，z轴与背景辐射亮度入射向量叉乘获得y轴，y轴与z轴叉乘获得x轴。这样定义，背景辐射亮度入射向量、散射向量与z轴的夹角为面元坐标系中入射天顶角、散射天顶角，入射方位角恒为0°，散射方位角即为相对方位角，将散射向量投影到xoy平面绕x轴逆时针旋转的角度即为相对方位角；

步骤4：将入射、散射向量从目标坐标系中转换到面元坐标系中，获得某个面元对所有方向入射的背景辐亮度的散射

式中，是小面元的BRDF，θ′_s，θ′_i，分别为面元坐标系内的散射天顶角、入射天顶角、相对方位角，是方向入射的波长为λ的背景辐亮度,立体角

通过对波长积分，可获得该面元在λ₁～λ₂波段内的散射亮度

对所有的可见面元进行叠加，即可获得目标在方向的总的散射亮度

式中，(S_kcosθ′_s)为某面元在方向的投影面积；

进一步，考虑到目标对不同方向入射的背景辐射的计算具有并行性，使用一个线程计算目标对一个方向入射的背景辐射的散射，然后进行叠加完成并行计算。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：在有限地编程复杂度下极大地提高了计算速度，减少了计算时间，增强了在工程应用中的实用性。

附图说明

图1是目标对天地背景辐射的散射示意图；