一種非朗伯面目標紅外散射特性的并行計算方法
【技術領域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種非朗伯面目標紅外散射特性的并行計算方法，屬于目標的識別、 探測技術領域。
【背景技術】
[0002] 非朗伯面目標對天地背景紅外輻射的散射特性在遙感、目標識別跟蹤、精確制導 等領域都起著重要作用。計算中首先要對目標進行幾何建模，在此基礎上對目標表面進行 三角形面元剖分；使用雙向反射分布函數(shù)（Bidirectional Reflection Distribution Function，BRDF)表征非朗伯面的散射特征;天地背景輻射與大氣模型、氣溶膠分布模型、觀 測的地理位置、高度，時間等都有關，非常復雜，計算中使用M0DTRAN(M0Derate resolution atmospheric TRAN smission)軟件進行計算;計算中在入射、探測方向分別進行遮擋消隱， 分別計算出每個可見小面元的散射亮度后進行疊加得到目標的散射亮度。
[0003] 復雜目標對天地背景紅外輻射的計算中由于目標面元多，背景輻射涉及全空間， 且分布在很寬的波段內，計算時間較長。因此，加速計算過程就顯得很有必要。近年來，隨著 多核CPU(Central Processing Unit)及GPU(Graphics Processing Unit)的高速發(fā)展，通 用高性能并行計算技術在多個學科中得到了廣泛應用。但傳統(tǒng)的基于多核CHJ的加速，由于 核的個數(shù)有限，加速也很有限。基于GPU的CUDA(Compute Unified Device Architecture) 及0penCL(0pen Computing Language)等底層編程語言對編程人員要求較高，編程中涉及 到設備端存儲單元的分配、釋放，線程的組織及必要的線程間同步操作，編程較復雜，需要 在原來串行程序的基礎上進行較大的改動，影響了效率。Intel公司于2011年推出了Xeon Phi眾核處理器，最多可擁有61個核，每個核最多支持4個線程，它擁有獨立的操作系統(tǒng)，支 持熟悉的基于編譯指令的OpenMP編程模型。編程時只需在原始的串行代碼中加入一些編譯 導語，如果之前已經(jīng)有基于多核OpenMP的實現(xiàn)版本，只需重新編譯即可在Phi上運行。不難 發(fā)現(xiàn)，基于Phi平臺的實現(xiàn)，編程簡單，很大程度上提高了程序員的工作效率。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種非朗伯面目標紅外散射特性的并行計算方法，解決了 目前非朗伯面目標紅外散射特性計算時間過長的問題。
[0005] 本發(fā)明采用的技術方案按照以下步驟：
[0006] 步驟1:使用3DMAX軟件完成目標的幾何建模，建模時選定目標坐標系;建模完成后 對模型表面進行三角形面元的剖分，使模型表面由若干個三角形構成
[0007] 步驟2:選擇BRDF模型對目標表面材料進行光譜BRDF建模
[0008] 步驟3:由于BRDF是針對小面元定義的，故需要根據(jù)目標坐標系建立面元坐標系： 面元的法線方向定為面元坐標系的z軸，z軸與背景福射亮度入射向量叉乘獲得y軸，y軸與z 軸叉乘獲得X軸。這樣定義，背景輻射亮度入射向量、散射向量與z軸的夾角為面元坐標系中 入射天頂角、散射天頂角，入射方位角恒為〇°，散射方位角即為相對方位角，將散射向量投 影到x〇y平面繞χ軸逆時針旋轉的角度即為相對方位角；
[0009] 步驟4:將入射、散射向量從目標坐標系中轉換到面元坐標系中，獲得某個面元對 所有方向入射的背景輻亮度的散射
[0010]
[0011]式中，是小面元的BRDF，θ' s，ΘΚ分別為面元坐標系內的散射天 頂角、入射天頂角、相對方位角，4(義屮）是（6.肩）方向入射的波長為λ的背景輻亮度，立體 - ?ηθ,?θ,?φ：；
[0012] 通過對波長積分，可獲得該面元在波段內的散射亮度
[0013]
[0014] 對所有的可見面元進行疊加，即可獲得目標在方向的總的散射亮度
[0015]
[0016] 式中，（SkcosΘ' s)為某面元在(4, A )方向的投影面積；
[0017]進一步，考慮到目標對不同方向入射的背景輻射的計算具有并行性，使用一個線 程計算目標對一個方向入射的背景輻射的散射，然后進行疊加完成并行計算。
[0018] 與現(xiàn)有的技術相比，本發(fā)明的有益效果是:在有限地編程復雜度下極大地提高了 計算速度，減少了計算時間，增強了在工程應用中的實用性。
【附圖說明】
[0019] 圖1是目標對天地背景輻射的散射示意圖；
[0020] 圖2是目標坐標系及面元坐標系示意圖，左圖中，為目標坐標系，分別代 表入射、散射方向單位向量，分別為入射天頂角、方位角，9S@S分別為散射天頂角、方位 角，f為小面元法線方向單位向量，θ' s分別為面元坐標系中入射、散射天頂角；右圖中 尤設:為面元坐標系，其中，夕，=r >4，史=_τ χ i，；
[0021 ]圖3是目標幾何建模及面元剖分；
[0022]圖4是8_12μπι天、地背景輻射亮度；
[0023]圖5是選定探測方式下目標的散射亮度分布。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖和實例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0025] 本發(fā)明是基于眾核平臺Intel Xeon Phi的非朗伯面目標紅外散射特性的并行加 速計算，本發(fā)明的計算方法如下步驟：
[0026] 步驟1，如圖1所示，計算非朗伯面目標對天地背景紅外輻射的散射，需要對目標幾 何建模，需要計算背景紅外輻射亮度。
[0027] 我們使用3DMAX軟件完成目標的幾何建模，建模時選定目標坐標系如圖2中左圖所 示，X軸指向頭部，y軸指向側面，z軸豎直向上。建模完成后對模型表面進行三角形面元的剖 分，使模型表面由若干個三角形構成，如圖3所不。
[0028] 例如：目標幾何模型數(shù)據(jù)文件分為3部分，第一部分給出總的面元數(shù)及頂點數(shù)，第 二部分為面元信息，分為4列，分別為面元編號及組成該面元的3個頂點的編號，第三部分為 頂點信息，同樣分為4列，分別為頂點編號及各頂點的x，y，z坐標，根據(jù)坐標值即可獲得各個 小面元的法線（^ )和面積(S)，公式分別如下：
[0029]
[0030]
[0031]
[0032]
[0033]
[0034]
[0035]
[0036]式中，（14,74,24)(義[3,7[3,2[3)(1(；，7(；，2(；)分別是頂點4,8，(：在目標坐標系中的坐標， 分別為三角形面元3條邊構成的向量，^為面元的法線，S為面元的面積。
[0037] 使用M0DTRAN 4.0軟件計算了8-12μπι大氣窗口內天、地背景紅外輻射亮度，結果如 圖4所示。計算中大氣模型選中煒度夏季，氣溶膠模型選海洋氣溶膠，能見度為23km，假設地 表為海面，觀測地點為北煒35°，東經(jīng)120°，觀測時間為7月1日2:30(格林威治時間），觀測高 度為6km，計算天、地背景輻射亮度時分別設觀測天頂角為45°、135°。天、地背景輻射亮度數(shù) 據(jù)文件結構相似，分2列，第一列為波長，單位為μπι，第二列為對應的輻亮度，單位為Watts/ (cm 2*str*ym)〇
[0038] 步驟2,實際中絕大多數(shù)材料表面為非朗伯面，雙向反射分布函數(shù)(BRDF)可以表征 非朗伯面的散射特征。
[0039] 我們選擇了五參數(shù)BRDF模型對目標表面材料進行光譜BRDF建模，定義如下：
[0040]
[0041] 式中，θ ,，Θ s，命分別為入射天頂角，散射天頂角和相對方位角， /r;'-cosa/(l + (/t：;'_-l)cos?)是樣片表面小面元法線的分布函數(shù)，exp[b · (Ι-cos γ )a]是菲涅 耳反射函數(shù)的近似描述，G(Φ約尤代）是遮蔽函數(shù)，本例中我們取為1。kb，kd，kr，a，b為待 定參數(shù):kb和kd分別反映相干(鏡反射分量)和非相干(漫反射分量)散射分量的大小，與樣 片表面的粗糙度和反射率有關，kr反映樣片表面的斜率分布，與樣片表面的粗糙度和紋理 分布有關;a和b均反映樣片表面的菲涅耳反射函數(shù)，與樣片的折射率有關。
[0042]假設目標表面材料為經(jīng)過涂漆的鋁，經(jīng)過建模BRDF五參數(shù)1^上山，&，13分別選為 0.135,0.2775,0.2295,1.578,-14.2875〇
[0043] 步驟3，由步驟2可以看出，BRDF是針對小面元定義的，我們就需要將目標坐標系中 的入射向量、散射向量轉換到各個小面元的坐標系中。
[0044] 根據(jù)目標坐標系建立面元坐標系，如圖2所示，其中，面元的法線方向定為面元坐 標系的z軸，z軸與背景輻射亮度入射向量匕叉乘獲得y軸，y軸與z軸叉乘獲得X軸，這樣定義 使得入射方位角恒為〇°，散射方位角即為相對方位角，將散射向量k s投影到xoy平面繞X軸 逆時針旋轉的角度即為相對方位角，背景輻射亮度入射向量h、散射向量1^與2軸的夾角為 面元坐標系中入射天頂角、散射天頂角。
[0045] 步驟4,對于特定的散射方向，由于存在面元間的遮擋，并不是所有面元的散射都 可以被探測器接收到；同理，對于特定的入射方向，并不是所有的面元都可以被照射到，故 需要進行遮擋判斷。在目標坐標系中，如果入射、散射向量與面元法線之間的夾角都小于 90°，則該面元為可見面元。循環(huán)所有面元完成遮擋判斷。然后