紅外成像系統(tǒng)仿真技術的現(xiàn)狀與未來

1、第30卷第4期紅外與激光工程2001年8月Vol.30No.4InfraredandLaserEngineeringAug.2001文章編號:100722276(2001)0420203205紅外成像系統(tǒng)仿真技術的現(xiàn)狀與未來3左月萍,張建奇()摘要:,同時也是評價系統(tǒng)性能的有力工具。,。文中概述了紅外成像系統(tǒng)計算、研究方法和研究成果的現(xiàn)狀,介紹并比較了現(xiàn)有的幾個典型仿真模型,并提出了幾點看法。關鍵詞:紅外成像系統(tǒng);計算機仿真;模型中圖分類號:TN21文獻標識碼:AReviewofmodelinginfraredimagingsystems3ZUOYue2ping,ZHANGJian2qi(In

2、stituteofTechnicalPhysics,XianUniv.ofelectronicscienceandtechnology,Xian710071,China)Abstract:Theinfraredimagingsystem(IRIS)simulationwithPCscanhelpustodesignIRIS.Anditisalsoahelpfultooltoevaluatetheperformanceofthesystem.Manyresearchershavemadegreateffortsandgotgoodresultsinthisimportantfield.Thead

3、optedmethodsandsomeimportantideasatpresentareintroducedinthispaper.Thensomecomparisonsbetweenseveraltypicalmodelsaremade.Finally,someopinionsarepro2posed.Keywords:Infraredimagingsystems;PCssimulation;Models設計,也是評價系統(tǒng)性能的有力工具,對科研和生產(chǎn)1引言利用計算機對紅外成像系統(tǒng)、搜索跟蹤系統(tǒng)等進行仿真,涉及的范圍大,可包羅各種工作條件,避免繁瑣、艱辛的軍事訓練,節(jié)約開銷。再者,利用計算機

4、仿真紅外成像系統(tǒng),可以對給定的參數(shù)進行系統(tǒng)的優(yōu)化收稿日期:2001201210;修訂日期:2001203209基金項目:國家自然科學基金資助項目(69877016)都有指導意義。在過去的數(shù)十年內,人們一直在做不斷的努力,用計算機仿真紅外成像系統(tǒng),形成了兩個主要的研究方向,并取得了較好的效果。一個是建立系統(tǒng)的性能模型,以此來評價系統(tǒng)或指導系統(tǒng)的整體設計,如美國的夜視實驗室所建立的機載前視系統(tǒng)性能模作者簡介:左月萍(19762),女,山西人,碩士,從事紅外成像系統(tǒng)計算機仿真方面的研究工作。203 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publish

5、ing House. All rights reserved. 左月萍:紅外成像系統(tǒng)仿真技術的現(xiàn)狀與未來型FLIR921,它是目前評價系統(tǒng)性能和進行系統(tǒng)優(yōu)化設計最有效的,而且也是最具有權威性的模型;另一個從圖像質量的角度,模似紅外場景并仿真影響圖像質量的各種因素,出現(xiàn)了典型的仿真模型。文中主要討論成像過程以及圖像質量的仿真問題。仿真系統(tǒng)。3仿真技術采用的方法目前,大多數(shù)仿真過程是把紅外成像系統(tǒng)的各個組成單元分開進行分析、仿真,使用的方法及模,可以根據(jù),對模型中的每、完善,具有開放、靈活的特點。大多數(shù)仿真模型所采用的方法主要有三種:光線跟蹤法2,3、調制傳遞函數(shù)(MTF)法4,5和點擴散函數(shù)(P

6、SF)法6。MTF法和PSF法實質是一致的。3.1光線跟蹤法3.1.1工作原理2紅外成像系統(tǒng)的組成單元到目前為止,展,正向第三代發(fā)展三代,1所示的幾個基本單元。光線跟蹤法就是從待觀察的場景上各個點的圖1紅外成像系統(tǒng)的基本組成單元Fig.1Essentialcomponentsofinfraredimagingsystems(IRIS)輻射出發(fā),研究輻射經(jīng)過光學系統(tǒng)的變化,經(jīng)過采樣系統(tǒng)和探測器后輻射轉換為電信號的過程,建立觀察場景上的各點與紅外成像器件輸出圖像上各點之間的幾何位置以及輻射量關系,即建立像素方程?；镜南袼胤匠探?jīng)過變形后得2:目標和背景組成的場景是輻射源,其輻射經(jīng)系統(tǒng)形成了反映場景

7、特征的圖像。大氣的吸收和散射使傳輸?shù)匠上裣到y(tǒng)的場景輻射削弱,而大氣擾動(湍流)會使圖像發(fā)生畸變,變得模糊。同時大氣又S=Tint是一種重要的輻射源。光學系統(tǒng)對場景信號實施空間濾波,以盡可能小的損失,盡最大可能地將場景輻射會聚到探測器上。由于光學材料對不同波長的吸收以及折射的不同,使得圖像產(chǎn)生各種光學效應,如幾何效應、輻射效應、空間效應等。探測器是成像系統(tǒng)的核心,它把接收到的輻射轉換成電信號,同時它也是最復雜的部分。探測器給圖像帶來的影響是與其物理結構相關的,物理結構不同所考慮的主導因素也不同。經(jīng)探測器轉換得到的信號通過兩種輸出通道得到場景的信息,一種是把信號轉換成圖像,直接在顯示器顯示,供觀察

8、者使用,而另一種輸出通道是把得到的信號直接輸入信號處理器,為探測或識別目標以及其它處理算法提供數(shù)據(jù)。仿真紅外成像系統(tǒng)需要分析每個單元的物理過程,考慮影響圖像質量的各種因素,形成一個包含各個組成單元和各種物理現(xiàn)象的完備的、封閉的204maxPiIdetminepri)cos()depL(Pi,ri,)hP(Pi,)dT(Pi)dIR(1)式中S探測器把紅外輻射轉換得到的電信號;Tint探測器的平均積分時間;LPi,ri,目標的光譜輻射亮度;ep光學系統(tǒng)出瞳所張的立體角;)hP(Pi,光學系統(tǒng)的點擴散函數(shù);Idet探測器的積分面積;)R(探測器的光譜響應度;公式中的乘積因子;T(Pi)公式中第二個

9、方括號內的項光學系統(tǒng)造成圖像模糊時,探測器光敏元上的一點所接收到的平均光譜輻射亮度;公式中第三個方括號內的項在積分時間內探測器光敏元上接收到的輻射光譜量。乘積因子表示探測器面觀察Pi點所需時間與積分時 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 左月萍:紅外成像系統(tǒng)仿真技術的現(xiàn)狀與未來間之比,是一個無量綱的量,它也表示Pi點接收到的輻射亮度與積分時間內探測器面接收到的平均輻射亮度之比。對于凝視系統(tǒng),T(Pi)等于1,Idet等于探測器單元的面積;對于掃描式系統(tǒng),T(Pi)是

10、一個以探測器面在掃描方向上掃過的像平面Idet上的點的位置為變量的函數(shù)。T(Pi)的最大值為Td/Tint,其中Td為探測器的滯留時間,這是因為探測器觀察一個式中Ho(fx,fy)光學系統(tǒng)的傳輸函數(shù);Hd(fx,fy)、He(fx,fy)、Hc(fx,fy)、Heye(fx,fy)分別為探測器、信號處理系統(tǒng)、顯示器、人眼的傳輸函數(shù)。調制傳遞函數(shù)法仿真成像系統(tǒng)可以用一個框圖表示,見圖2。點所需時間不可能大于探測器的駐留時間。3.1.2光線跟蹤法的特點:(1)探測器有機結合圖2MTF法仿真紅外成像系統(tǒng)的基本流程Fig.2FlowchartofsimulatingIRISwithMTF起來,用一種方

11、法建立模型,使模型具有普遍適用性;(2)它又能把光學系統(tǒng)、采樣機構、探測器這三個部分合理分開,使它們相互獨立,具有開放、靈活的特點;(3)這種方法深入物理過程,囊括了幾乎所有3.2.2調制傳遞函數(shù)法的特點從以上分析可以看出,用調制傳遞函數(shù)法仿真成像系統(tǒng)有以下優(yōu)勢:(1)與光線跟蹤法相比,調制傳遞函數(shù)法能仿的物理現(xiàn)象,分析全面、透徹。光線跟蹤法存在以下不足:(1)無法仿真信號處理、監(jiān)視器、觀察者對成像真更多的成像系統(tǒng)組成單元,比較全面;(2)計算量較小;(3)方便、靈活,可以任意取舍系統(tǒng)單元,其準系統(tǒng)的影響;(2)光線跟蹤法是微觀分析法,在分析采樣過確程度取決于對各單元的要求,可分別深入研究各單

12、元,使模型更能準確解釋物理現(xiàn)象。當然,調制傳遞函數(shù)法也存在不足。有些物理現(xiàn)象如光學系統(tǒng)的輻射效應、探測器的響應非均勻性等不能用調制傳遞函數(shù)法來仿真,因此使用調制傳遞函數(shù)法也存在著一定的局限性。3.3點擴散函數(shù)法程及探測器的效應時比較復雜;(3)像素方程中涉及到積分計算,不利于算法的簡便性,影響運算速度。3.2調制傳遞函數(shù)法3.2.1基本思想調制傳遞函數(shù)法是一種宏觀分析法,它表征了系統(tǒng)對不同空間頻率的信號(輻射、電信號)的增益,同時也描述了系統(tǒng)不同單元接收到的輻射能量的分布情況。用調制傳遞函數(shù)法仿真紅外系統(tǒng)的思想是:對系統(tǒng)的各個組成單元的調制傳遞函數(shù)進行分析、求解,然后把各個組成單元的信號與其相

13、應的調制傳遞函數(shù)相乘,作為下一單元的輸入數(shù)據(jù),直到觀察者看到結果。用數(shù)學表達式表示,則有:H(fx,fy)=Ho(fx,fy)Hd(fx,fy)He(fx,fy)Hc(fx,fy)Heye(fx,fy)點擴散函數(shù)法也是一種微觀分析法,它的基本思想與調制傳遞函數(shù)法完全一樣。實際上,點擴散函數(shù)法和調制傳遞函數(shù)的實質是一致的,因為調制傳遞函數(shù)法是在頻域內分析信號的,而點擴散函數(shù)法是在空域內分析信號的,它們之間存在著傅氏變換關系,即MTF(fx,fy)=FPSF(x,y)。因此,在仿真系統(tǒng)的圖像效果時,在空域內,仿真圖像是原始圖像與系統(tǒng)的點擴散函數(shù)的卷積,而在頻域內,則是原始圖像與系統(tǒng)的調制傳遞函數(shù)相

14、乘,再經(jīng)過反傅里葉變換得到(2)空域內的仿真圖像。通常把調制傳遞函數(shù)法和點擴散函數(shù)法看作是類似的仿真方法。205 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 左月萍:紅外成像系統(tǒng)仿真技術的現(xiàn)狀與未來206 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 左月萍:紅外成像系統(tǒng)仿真技術的現(xiàn)狀與未來合。成像系統(tǒng)的仿真目前有兩大方向:一個是從圖像4典型的仿真模型許多

15、研究人員在仿真紅外成像系統(tǒng)方面做出了許多努力,形成了多樣的系統(tǒng)模型,并取得了良好的效果,下面就把目前典型的模型做一簡單地回顧和分析,如表1所示。質量的角度出發(fā),另一個是從系統(tǒng)性能參數(shù)的角度出發(fā)。兩種仿真的共同目標就是系統(tǒng)性能的提高,可以設想把這兩個模型有機地結合起來,形成一個既能從圖像質量角度評價系統(tǒng),也能從性能參數(shù)評價系統(tǒng)的完善系統(tǒng)。5幾點看法。,目的就是使仿真效果與實際情況相吻合。存在的問題有:(1)以上列舉的典型仿真模型中沒有一個完全1JamesARatches.NightvisionmodelingA.SPIEProceedings,InfraredImagingSystems:Des

16、ign,Analysis,Modeling,andTest2ingXC.1999,3701.2212.2ChristelleGarnier.Physically2basedinfraredsensoreffortsmodelingA.SPIEProceedings,InfraredImagingSystems:Design,Analy2sis,Modeling,andTestingXC.1999,3701.81294.3SieglingerB.Sensoreffectssimulationforsynthericsignaturemodel2ingusingthestrategicscenew

17、orkstationA.SPIEProceedings,InfraredImagingSystems:Design,Analysis,Modeling,andTest2ingIIIC.1992,1689.3192337.4ChristerWigren.Modelofimagegenerationinoptronic(electro2op2tical)sensorsystems(IGOSS)A.SPIEProceedings,InfraredImagingSystems:Design,Analysis,Modeling,andTestingIXC.1998,3377.89294.5Douglas

18、CMcKee.Sensormodelingusingprogrammableinterfaceforhardware2in2the2loopIR/EOtestingA.SPIEProceedings,TechnologiesforSyntheticEnvironmentsHardware2in2the2loopTest2ingIVC.1999,3697.4702481.6SeegersPA.PCversionoftheTACOMthermalimagemodel(TTIM)A.SPIEProceedings,InfraredImagingSystems:De2sign,Analysis,Modeling,andTestingXC.1994,2224.14221.7MarshallA.ModelingandsimulationofIRscenesandsensorsintheUK2currentandfuturecapabilitiesA.SPIEProceedings,In2fraredTechnologyandApplicationsXXIIC.1996,2744.5912598.8EvwardJCasey.Infraredsensormodeling