紅外成像系統(tǒng)仿真技術(shù)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(hào):100722276(2001)0420203205紅外成像系統(tǒng)仿真技術(shù)的現(xiàn)狀與未來3左月萍,張建奇()摘要:,同時(shí)也是評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能的有力工具。,。文中概述了紅外成像系統(tǒng)計(jì)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(gè)典型仿真模型,并提出了幾點(diǎn)看法。關(guān)鍵詞:紅外成像系統(tǒng);計(jì)算機(jī)仿真;模型中圖分類號(hào):TN21文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(shè)計(jì),也是評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能的有力工具,對(duì)科研和生產(chǎn)1引言利用計(jì)算機(jī)對(duì)紅外成像系統(tǒng)、搜索跟蹤系統(tǒng)等進(jìn)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(xùn)練,節(jié)約開銷。再者,利用計(jì)算機(jī)

4、仿真紅外成像系統(tǒng),可以對(duì)給定的參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化收稿日期:2001201210;修訂日期:2001203209基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(69877016)都有指導(dǎo)意義。在過去的數(shù)十年內(nèi),人們一直在做不斷的努力,用計(jì)算機(jī)仿真紅外成像系統(tǒng),形成了兩個(gè)主要的研究方向,并取得了較好的效果。一個(gè)是建立系統(tǒng)的性能模型,以此來評(píng)價(jià)系統(tǒng)或指導(dǎo)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì),如美國(guó)的夜視實(shí)驗(yàn)室所建立的機(jī)載前視系統(tǒng)性能模作者簡(jiǎn)介:左月萍(19762),女,山西人,碩士,從事紅外成像系統(tǒng)計(jì)算機(jī)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(shù)的現(xiàn)狀與未來型FLIR921,它是目前評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能和進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)最有效的,而且也是最具有權(quán)威性的模型;另一個(gè)從圖像質(zhì)量的角度,模似紅外場(chǎng)景并仿真影響圖像質(zhì)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(zhì)量的仿真問題。仿真系統(tǒng)。3仿真技術(shù)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(gè)組成單元分開進(jìn)行分析、仿真,使用的方法及模,可以根據(jù),對(duì)模型中的每、完善,具有開放、靈活的特點(diǎn)。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(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)法4,5和點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(P

6、SF)法6。MTF法和PSF法實(shí)質(zhì)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(gè)基本單元。光線跟蹤法就是從待觀察的場(chǎng)景上各個(gè)點(diǎn)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(xué)系統(tǒng)的變化,經(jīng)過采樣系統(tǒng)和探測(cè)器后輻射轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過程,建立觀察場(chǎng)景上的各點(diǎn)與紅外成像器件輸出圖像上各點(diǎn)之間的幾何位置以及輻射量關(guān)系,即建立像素方程?；镜南袼胤匠探?jīng)過變形后得2:目標(biāo)和背景組成的場(chǎng)景是輻射源,其輻射經(jīng)系統(tǒng)形成了反映場(chǎng)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(chǎng)景輻射削弱,而大氣擾動(dòng)(湍流)會(huì)使圖像發(fā)生畸變,變得模糊。同時(shí)大氣又S=Tint是一種重要的輻射源。光學(xué)系統(tǒng)對(duì)場(chǎng)景信號(hào)實(shí)施空間濾波,以盡可能小的損失,盡最大可能地將場(chǎng)景輻射會(huì)聚到探測(cè)器上。由于光學(xué)材料對(duì)不同波長(zhǎng)的吸收以及折射的不同,使得圖像產(chǎn)生各種光學(xué)效應(yīng),如幾何效應(yīng)、輻射效應(yīng)、空間效應(yīng)等。探測(cè)器是成像系統(tǒng)的核心,它把接收到的輻射轉(zhuǎn)換成電信號(hào),同時(shí)它也是最復(fù)雜的部分。探測(cè)器給圖像帶來的影響是與其物理結(jié)構(gòu)相關(guān)的,物理結(jié)構(gòu)不同所考慮的主導(dǎo)因素也不同。經(jīng)探測(cè)器轉(zhuǎn)換得到的信號(hào)通過兩種輸出通道得到場(chǎng)景的信息,一種是把信號(hào)轉(zhuǎn)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(hào)直接輸入信號(hào)處理器,為探測(cè)或識(shí)別目標(biāo)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(gè)單元的物理過程,考慮影響圖像質(zhì)量的各種因素,形成一個(gè)包含各個(gè)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(cè)器把紅外輻射轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào);Tint探測(cè)器的平均積分時(shí)間;LPi,ri,目標(biāo)的光譜輻射亮度;ep光學(xué)系統(tǒng)出瞳所張的立體角;)hP(Pi,光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù);Idet探測(cè)器的積分面積;)R(探測(cè)器的光譜響應(yīng)度;公式中的乘積因子;T(Pi)公式中第二個(gè)

9、方括號(hào)內(nèi)的項(xiàng)光學(xué)系統(tǒng)造成圖像模糊時(shí),探測(cè)器光敏元上的一點(diǎn)所接收到的平均光譜輻射亮度;公式中第三個(gè)方括號(hào)內(nèi)的項(xiàng)在積分時(shí)間內(nèi)探測(cè)器光敏元上接收到的輻射光譜量。乘積因子表示探測(cè)器面觀察Pi點(diǎn)所需時(shí)間與積分時(shí) 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(shù)的現(xiàn)狀與未來間之比,是一個(gè)無量綱的量,它也表示Pi點(diǎn)接收到的輻射亮度與積分時(shí)間內(nèi)探測(cè)器面接收到的平均輻射亮度之比。對(duì)于凝視系統(tǒng),T(Pi)等于1,Idet等于探測(cè)器單元的面積;對(duì)于掃描式系統(tǒng),T(Pi)是

10、一個(gè)以探測(cè)器面在掃描方向上掃過的像平面Idet上的點(diǎn)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(cè)器的滯留時(shí)間,這是因?yàn)樘綔y(cè)器觀察一個(gè)式中Ho(fx,fy)光學(xué)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(cè)器、信號(hào)處理系統(tǒng)、顯示器、人眼的傳輸函數(shù)。調(diào)制傳遞函數(shù)法仿真成像系統(tǒng)可以用一個(gè)框圖表示,見圖2。點(diǎn)所需時(shí)間不可能大于探測(cè)器的駐留時(shí)間。3.1.2光線跟蹤法的特點(diǎn):(1)探測(cè)器有機(jī)結(jié)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(xué)系統(tǒng)、采樣機(jī)構(gòu)、探測(cè)器這三個(gè)部分合理分開,使它們相互獨(dú)立,具有開放、靈活的特點(diǎn);(3)這種方法深入物理過程,囊括了幾乎所有3.2.2調(diào)制傳遞函數(shù)法的特點(diǎn)從以上分析可以看出,用調(diào)制傳遞函數(shù)法仿真成像系統(tǒng)有以下優(yōu)勢(shì):(1)與光線跟蹤法相比,調(diào)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(hào)處理、監(jiān)視器、觀察者對(duì)成像真更多的成像系統(tǒng)組成單元,比較全面;(2)計(jì)算量較小;(3)方便、靈活,可以任意取舍系統(tǒng)單元,其準(zhǔn)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(duì)各單元的要求,可分別深入研究各單

12、元,使模型更能準(zhǔn)確解釋物理現(xiàn)象。當(dāng)然,調(diào)制傳遞函數(shù)法也存在不足。有些物理現(xiàn)象如光學(xué)系統(tǒng)的輻射效應(yīng)、探測(cè)器的響應(yīng)非均勻性等不能用調(diào)制傳遞函數(shù)法來仿真,因此使用調(diào)制傳遞函數(shù)法也存在著一定的局限性。3.3點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)法程及探測(cè)器的效應(yīng)時(shí)比較復(fù)雜;(3)像素方程中涉及到積分計(jì)算,不利于算法的簡(jiǎn)便性,影響運(yùn)算速度。3.2調(diào)制傳遞函數(shù)法3.2.1基本思想調(diào)制傳遞函數(shù)法是一種宏觀分析法,它表征了系統(tǒng)對(duì)不同空間頻率的信號(hào)(輻射、電信號(hào))的增益,同時(shí)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(diào)制傳遞函數(shù)法仿真紅外系統(tǒng)的思想是:對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)組成單元的調(diào)制傳遞函數(shù)進(jìn)行分析、求解,然后把各個(gè)組成單元的信號(hào)與其相

13、應(yīng)的調(diào)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(jié)果。用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示,則有:H(fx,fy)=Ho(fx,fy)Hd(fx,fy)He(fx,fy)Hc(fx,fy)Heye(fx,fy)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)法也是一種微觀分析法,它的基本思想與調(diào)制傳遞函數(shù)法完全一樣。實(shí)際上,點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)法和調(diào)制傳遞函數(shù)的實(shí)質(zhì)是一致的,因?yàn)檎{(diào)制傳遞函數(shù)法是在頻域內(nèi)分析信號(hào)的,而點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)法是在空域內(nèi)分析信號(hào)的,它們之間存在著傅氏變換關(guān)系,即MTF(fx,fy)=FPSF(x,y)。因此,在仿真系統(tǒng)的圖像效果時(shí),在空域內(nèi),仿真圖像是原始圖像與系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的卷積,而在頻域內(nèi),則是原始圖像與系統(tǒng)的調(diào)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(nèi)的仿真圖像。通常把調(diào)制傳遞函數(shù)法和點(diǎn)擴(kuò)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(shù)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(shù)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(gè)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(jiǎn)單地回顧和分析,如表1所示。質(zhì)量的角度出發(fā),另一個(gè)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(biāo)就是系統(tǒng)性能的提高,可以設(shè)想把這兩個(gè)模型有機(jī)地結(jié)合起來,形成一個(gè)既能從圖像質(zhì)量角度評(píng)價(jià)系統(tǒng),也能從性能參數(shù)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的完善系統(tǒng)。5幾點(diǎn)看法。,目的就是使仿真效果與實(shí)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(gè)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