摘要该文以全天候导弹景像匹配模拟训练和性能评估为工程背景，架构了虚拟仿真成像
系统的组成模块和关键流程，分析了数据接口关系，给出了全天候条件下航空图像成像模
型，提出了基于图像链技术的仿真方案。在WindowsNT支持下，采用C++和面向对象方法
设计，自主研制了面向图像增强型CCD相机的虚拟仿真成像系统IICCD-SIG。
导弹模拟飞行和景像匹配训练不受自然环境、气象条件和时间的影响，安全、经济、
重复性强、训练效益显著，已成为导弹研制、效能评估、算法验证的重要手段。其关键
技术是数字景像匹配图的模拟生成。因此，研制具有自主知识产权的下视景象匹配仿真
实用化、功能较为完善的导弹下视环境中的景象匹配仿真成像系统，称之为ICCD-SIG.
该系统运行的软件环境为WindowsNT，以PC机作为硬件平台，VisualC++语言为主要
的程序运行和开发环境。该系统人机交互良好，图像生成效率高，仿真匹配图像符合要
求，目前已提交一些同行单位或专家使用，效果核反应良好。本文将对ICCD-SIG系统
在航空图像成像过程的仿真中，必须计算场景每一成像面元在探测器成像面上对应
像元的辐射。它包括场景（背景/目标）对太阳（或月亮）直接辐射的反射（包括漫反射
到达成像面上各点的辐射应是其对应的这些辐射与大气衰减以及成像系统光谱响应共同
定义为一点所接收的天空漫反射与未被遮挡的水平表面所接受的漫反射之比，显然
由(2)(3)(4)可知计算场景每一成像面元在探测器成像面上对应像元的辐射,必须
据能量传递路径的不同，系统必须四次调用大气计算软件包LOWTRAN-7，而在每次调用
阳到地面），根据太阳的天顶角的不同，可以是通过大气的一条垂直或者倾斜的路径。
过大气的一条垂直或者倾斜的路径，这取决于探测器的天顶角。它表示了由于散射和吸
为1时的程辐射亮度，从而探测器接收到的总程辐射通过两个极端值进行插值得到：
系统相机成像模型，主要考虑场景经上行大气、探测器光谱响应、光电转换、增强
型CCD(简称ICCD)相机内部的空间频率响应、系统的随机噪声、信号增益和偏置等各
真系统实现了完整的后段仿真。鉴于篇幅所限，下面简单阐述其中二个关键环节。
系统相机的空间频率响应，主要体现在存在一条表达 ICCD 相机各个环节空间响应
特性的调制传递函数链—MTF 链，主要包括镜头光学系统的 MTF、像增强器的 MTF、
光纤面板的 MTF、CCD 的 MTF。在空间线性不变系统的假设条件下，总体响应的是各
根据前面的讨论，若将 ICCD 相机响应看作一个数学变换，则可认为 ) , (
σ 表示系统噪声，G 表示信号增益，B 表示直流偏置常数。在导弹景象匹配系统
(1) 系统管理模块。负责系统初始化设置，人机交互设置，调用各种模块；(2)用户
界面模块。产生用户界面，接收上级仿真命令或者用户的输入，显示输出结果；(3)仿真
功能模块。包括查看功能模块、图像仿真模块、图像处理模块、反射率反演模块、仿真
图像质量评估模块等。(4)仿真过程信息提示模块。能够跟踪仿真流程中的关键步骤、仿
系统包括两类对象：数据对象和界面对象。数据对象包括系统要处理的数据集合，
本系统包括以下数据对象：①多光谱图像对象和 DEM 数据对象；②材料属性数据
对象：主要包括各种材料的漫反射率、镜面反射率、双向反射分布函数的光谱数据；③
探测器方位与观察几何数据对象：导弹飞行的当前视点的地理坐标（或经纬度），高度，
姿态角（俯仰角、偏航角和横滚角）；④大气设定参数数据对象：大气的气压、湿度、相
对湿度和大气成分密度的海拔分布（或标准模式大气廓线数据）、边界层的气溶胶吸收和
散射系数（或标准模式）、能见距离、风速，大气折射率结构常数、以及季节、日期、或
太阳天顶角和方位角等；⑤ICCD 参数数据对象：光谱范围和光谱分辨率、光学系统口
径、焦距、透过率、杂散辐射照明，像元面积、光谱响应、积分时间、噪声、增益和偏
射率矩阵FIMG、下行大气传输参数、生成地物表面反射辐亮度的二维矩阵SIMG；
v．生成含阴影的零气象视距的二维场景。由 2 值阴影图像 BIMG 和地物表面反射辐亮
vi．由上行大气模块调用：传感器方位和观察几何数据文件、大气设定参数数据文件，
vii．合成对比度衰减的二维场景 IMG2。把零气象视距的二维场景 IMG1 与大气透过率
viii．对 IMG2 进行传感器光谱响应滤波，生成可供进一步处理的、没有包含空间模糊效
ix． 把数字图像 IMG3 做快速傅立叶（FFT）正变换，并与系统 MTF 链相耦合。然后，
再作 FFT 逆变换得到无噪声的空间退化图像 IMG4；在计算 MTF 过程中，需要调用相关
x．最后，引入系统噪声，进行图像量化，得到分辨率和对比度都发生退化、且包含噪
图，因此衡量仿真匹配图的有效性具有重要的意义。理论上，应利用实拍匹配图与仿真
匹配图，建立面向匹配算法的指标评价系统。由于实拍匹配图往往弥足珍贵，在本文的
评估实验中，采取半实物匹配图代替实拍匹配图。令实拍或半实物匹配图为 f ，仿真匹
配图为 f ，评估指标分为三类：像素级差异指标、边缘级差异指标和纹理级差异指标。
(2) 边缘级差异指标，该量刻画灰度跃变程度。由图像Laplacian算子定义梯度信息，
(3) 纹理级差异指标：该量从频域内刻画景物灰度空间分布，用极坐标并以不同的
半径在圆域内对功率谱进行积分，积分值除以全部的信号能量，所得的值反映纹理的粗
335 2003 全国系统仿线中：(a)为在晴朗天气卫星拍摄图像中抽取的部分图像，（b）为半实物仿真图，
实验中首先利用四个投影仪分别投影，然后通过真实导弹导引头和弹上ICCD相机在室内
拍摄；图b中的折痕是由于图像拼接造成的，图像评估时应分别在四个小图中进行.（c）
为本文仿真系统在当时天气情况下模拟的仿真图。从目视效果看，仿真图像具有很好的
说明虽然存在较大的灰度统计差异，但边缘和纹理吻合较好，能够应用于景像匹配的模
1 王恒霖、曹建国，.仿真系统的设计与应用. 北京：科学出版社，2003，1。
作者简介：肖亮, 男，1976 年生，博士研究生，研究兴趣：虚拟现实与系统仿真，模式识别，小波分
析和偏微分方程在图像处理中的应用。吴慧中，女, 1942 年生，教授，博士生导师，研究方向为虚拟
现实，智能 CAD，计算机图形图像理论。汤淑春，博士，高级工程师，主要研究领域为制导控制与导
航，复杂系统建模与仿真。刘扬，硕士，工程师，主要研究工作为景象匹配和计算机仿真。
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