基于不同静态性能模型的热成像系统视距估算

1、第16卷第8期2004年8月强激光与粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSVol.16,No.8Aug.,2004文章编号:100124322(2004)0820967205基于不同静态性能模型的热成像系统视距估算卓红艳,张蓉,陈涛,宋影松(中国工程物理研究院应用电子学研究所,四川绵阳621900)摘要:基于NVL75,FLIR92和CFLIR国内外3种不同的热成像系统静态性能模型,采用静态性能参量MRTD建立对面目标的视距估算方程,并通过CFLIR40软件计算,比较不同模型下视距估算结果,得出:凝视型热成像系统在CFLIR模型下计算得到的MRTD值比FLIR92模

2、型计算得到的MRTD值更接近实际测量值;在基本参数相同的条件下,利用MRTD估算的凝视系统的视距远远优于扫描系统的视距;对凝视型系统,从视距估算的结果来看,CFLIR模型略优于FLIR92模型。关键词:静态性能模型;热成像系统;最小可分辨温差;视距中图分类号:TN216文献标识码:A热成像系统静态性能模型是热成像技术的重要环节,常被用作系统评价、系统设计、系统性能预测、系统性能指标研究等,合理地选择并建立性能模型是十分重要的。不同的静态性能模型将直接影响系统视距估算的结果。准确地进行视距估算是一项很困难的工作,涉及的因素很多,如目标特征、大气条件、系统参数以及肉眼或显示设备参数等,其关键是建立

3、合适的估算模型,这个模型应将上述因素有机地包容。国际上,从20世纪70年代就开始对热成像系统性能模型进行较为系统地研究1。随着热成像系统由第一代光机扫描向第二代焦平面阵列技术发展,热成像静态性能模型也由美国的NVL75模型改进完善为FLIR92模型2,并在此基础上发展了NVTherm和TRM33,4等改进模型。国内也建立了CFLIR模型,并开发了相应的热成像静态性能软件包。基于不同的静态性能模型,预测和评价热成像系统的性能指标也不相同,用于静态目标的视距估算也有所差别。1不同的热成像系统静态性能模型热成像系统性能模型主要包括静态性能模型和动态性能模型。静态模型所描述的热成像系统对静态目标的识别

4、、跟踪是由肉眼来完成的;而动态性能模型所描述的热成像系统对动态目标的识别跟踪是由机器视觉来自动完成的。静态性能模型主要包括最小可分辨温差(简称MRTD)、最小可探测温差(MDTD)、调制传递函数(MTF)、噪声等效温差(NETD)等参量的计算模型。国外的NVL75模型、FLIR92模型以及国内的CFLIR模型在总体方案上是相似的,只是在应用场合和一些细节的认识处理方法上有所区别。目前公认的对扩展源目标的视距估算方法是利用表征系统综合静态性能的参量MRTD来计算,计算MRTD的一般公式为5T2Tmr(f)=()1/2(1)thfHs(f)TeFfftd414式中:f角为空间频率;Tmr表示最小可

5、分辨温差;Tne表示噪声等效温差;Hs(f)是系统总的传递函数;Te为肉眼积分时间;th为阈值显示信噪比;,为瞬时视场的平面角;td是扫描驻留时间;Ff是帧频。NVL75模型主要针对于第一代扫描系统而建立,FLIR92模型对于第一、二代扫描型和凝视型热成像系统是有效的,CFLIR模型则是针对凝视型热成像系统而建立的。在NVL75模型中,对MRTD的计算完全是在实验室的条件下进行的,在此过程中进行了理想化处理:一是将目标和背景都看作是黑体,但实际目标并不是黑体,而是灰体;二是只考虑了随机噪声,没有包括采样效应,因而对低频或高频的目标预测不准。在FLIR92模型中考虑了采样效应和虚警效应以及对随机

6、噪声的预测,建立了3维噪声模型,提出了3维噪声分系统的定义及其隐含值、噪声校正函数等概念,具体的计算公式为5收稿日期:2003205226;修订日期:2004202219基金项目:国家863计划项目资助课题),女,硕士,高级工程师,主要从事激光技术研究;绵阳91921011信箱。作者简介:卓红艳(1972© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.968强激光与粒子束1/2第16卷Tmr(f)=(2)()MTFz(f)EtEh(f)Ev(f)(2)式中:下标z表示垂直或水平方向;tv

7、h是随机时空噪声;kz(f)是整个系统的MTF;Et,Eh(f)和Ev(f)表示时间的、水平空间的、垂直空间的肉眼/大脑积分。从(2)式中可以看出,MRTD的计算是在水平方向和垂直方向上进行几何平均,得到2维MRTD,把肉眼/大脑的响应模拟为同步积分模型。采样效应主要考虑了采样过程中在Nyquist限内的MRTD的计算和MTF相位调整的情况。应用FLIR92模型计算MRTD存在低频偏低、高频偏高的问题,其原因是在计算NETD时采用的系统对比传递函数R(f)近似为三角波响应,根据R(f)与MTF的关系,近似取为R(f)=(4/)MTFz(f),这种近似Tmr(f)变小。FLIR92模型忽略了MT

8、Fz(f)后面的有限项,使得(2)式中的处于分母位置的MTFz(f)变大,计算的是Nyquist频率以内的MRTD和MTF,而高于Nyquist频率的MRTD和MTF被忽略,并被叠加进入低频部分,这样就会出现低频和高频计算不充分的现象。CFLIR模型在FLIR92模型的基础上进行了改进,改进后的MRTD模型将R(f)取为方波响应,计算了MTFz(f)后面的有限项,并建立了新的肉眼模型。CFLIR模型中对MRTD的计算采用工程积分模型,表达式为6Tmr(f)=Tnethtefp81/2MTFs(f)MTFeye(f)1/2(3)式中:为垂直瞬时视场;为条带长宽比;te为肉眼积分时间;fp为帧频;

9、MTFs(f)和MTFeye(f)分别为热成像系统和肉眼视觉的传递函数,其曲线可由文献5提供的基本的测试方法和数据确定;Q(f)为噪声等效带宽转换函数。2观察等级和探测概率的确定观察等级是将系统性能与肉眼视觉结合的一种视觉能力划分方法。目前公认的是Johnson根据实验提出的Johnson准则,它用目标等效条带图案可分辨力来确定成像系统对目标的识别能力。目标等效条带图案是一组黑白间隔相等的条带状图案,条带的宽w为目标最小的投影尺寸,L为垂直于w的目标横跨尺寸。目标等效条带图案可分辨力定义为包含在目标最小的投影尺寸中的可分辨的条带数,单位为“周/临界尺寸”。根据Johnson准则,将观察的等级分

10、为探测、定向、识别和辨别4个等级,小于50%的探测概率的目标等效条带数Ne与观察等级的关系见表1。表1观察等级和等效条带Table1DetectinglevelandequivalentstripesgradefindclassifydiscriminateseeclearlyFig.1EquivalentstripesofobjectN01.0±0.251.4±0.354.0±图1目标等效条带J.A.Rathes研究了探测概率P与条带数N0的关系8,表达式为P=N-N-exp(-z2)dz(4)式中为随观察等级而定的系数。3对面目标的视距估算方

11、程对面目标的视距估算方程采用MRTD法。MRTD是综合评价热成像系统温度分辨力和空间分辨力的重要参数。NVL75,FLIR92,CFLIR中静态性能模型正是以MRTD数学模型为基础的,并考虑了各种因素对系统性能的影响,利用MRTD曲线和Johnson准则,预测不同分辨等级对应的系统视距和探测概率。面目标视距估算的基本思路是:考虑角空间频率为f的目标与背景的实际等效温差在经过大气衰减,到达成像系统时仍大于或等于系统对应该频率的最小可分辨温差,同时目标对系统的张角应大于或等于观察等级所需要的最小视角,表达式为7© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical D

12、isc Co., Ltd. All rights reserved.第8期卓红艳等:基于不同静态性能模型的热成像系统视距估算969T=T(R)Tmr(f)=1/2fH/NR(5)式中:T是目标与背景的实际温差;为这段大气路径对的衰减系数;T为经过大气衰减后到达探测器的温差;H为目标的临界尺寸;N为按Johnson原则选取的等效条带数;R为目标与探测系统之间的距离。满足上述要求的Rmax就是所求的视距,给定作用距离的初值,通过迭代的方法求解。Rmax的迭代表达式为Rmax=2(H/N)fmax,其中fmax为满足(5)式的最高频率。考虑到实验室与外场的差异,在应用上述公式时还必须考虑到目标形状、

13、目标和背景的辐射特性、实际背景温度、大温差、大气传输衰减等因素的影响,从而对其进行必要的修正,以适应外场的参数的变化。例如,在实际的目标探测中,大气衰减是影响视距的重要因素之一,在Rmax的大气衰减修正时,设黑体目标与背景之间的零视距表现温差为Ta,在大气中传输l距离到达热成像系统时,目标与背景之间的等效温差T(l)可近似表示为8T(l)=Tae-l=Taa(l)(6)式中:,a分别是在热成像系统的工作波段内,沿目标方向在大气中传输l距离的平均消光系数和平均大气透射率。对大气传输特性的计算常应用美国的LOWTRAN或HITRAN7,在CFLIR40软件中以LOW2TRAN6为基础通过单独的大气

14、传输模块来计算。4不同静态性能模型下视距估算结果采用CFLIR40软件对3种模型下的视距进行估算,以HgCdTe(320×240)碲焦平面阵列中波热成像系统m×m,像素中心距为30m,响应波段为3为例,采用司特林制冷器,探测器具体参数如下:像素尺寸为2525m,视场为11°5×8°,NETD值为27mK,焦距为50mm,F数为4,fp=60Hz,th=2.8。目标选定为一辆静止汽车,宽4.1m,高1.5m,经红外探测器测定目标温度为18,背景温度为12,假定目标辐射率、背景辐射率为1。大气计算条件是在中纬度冬季条件,乡村衰减,能见度5km,水平

15、路径观察,利用LOWTRAN6对大气传输衰减特性进行计算。在上述参数条件下,得到根据不同模型估算的MRTD,见图2。对NVL模型采用光机扫描型热成像系统,响应波段、焦距、视场等基本参数与焦平面阵列热成像系统参数相同。估算出的MRTD曲线见图3。实验室测量MRTD采用的是直接观察热成像系统显示器上的靶标像的主观测量法,测试结果见图2中的曲线1。从图2中可以看出,用FLIR92和CFLIR两种模型计算出来的MRTD的值与实验室直接对中波HgCdTe热成像系统实际标定的MRTD的值相比较,在曲线趋势上基本是一致的,并且CFLIR模型计算出来的MRTD值更接近实测的值。因为NVL75模型仅适用于扫描系

16、统,所以单独计算,从图3中看出,在曲线的走势上扫描系统与凝视型系统相近。在计算出MRTD值的基础上,对面目标进行视距估算。在3种模型条件下对发现、定向、识别、认清4个观察等级、探测概率从0.1到1.0依次估算热成像系统面目标的视距(表中只列举了发现和认清等级的视距估算结果),并在大气条件相同以及焦距、探测波段、视场等系统基本参数相同的条件下,对光机扫描型系统和HgCdTe焦平面凝视型系统的扩展原目标视距进行了计算,结果见表24。© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.970强激光

17、与粒子束第16卷表2NVL75模型下面扩展源目标视距估算结果Table2ResultofvisualrangepredictionforextendsourcetargetinNVL75modelxdirectionvisualrangerecognitionprobability/mfindrange/mseeclearlyrange/mrecognitionprobability/mfindrange/mseeclearlyrange/m0.1034376130.1013942290.3027984880.3011621880.5023434060.5010151630.602141370

18、0.609801520.7020163470.709011440.8018933240.808511350.9017532980.907921251.0013772291.0063098ydirectionvisualrange表3FLIR92模型下面扩展源目标视距估算结果Table3ResultofvisualrangepredictionforextendsourcetargetinFLIR92modelxdirectionvisualrangerecognitionprobability/mfindrange/mseeclearlyrange/mrecognitionprobabilit

19、y/mfindrange/mseeclearlyrange/m0.10897317400.1054149340.30740613970.3045197630.50632211770.5039416610.60583610810.6036866170.70552810160.7035015830.8052239520.8033135490.9048718790.9030905081.0039066831.002474399ydirectionvisualrange表4CFLIR模型下面扩展源目标视距估算结果Table4Resultofvisualrangepredictionforextends

20、ourcetargetinCFLIRmodelxdirectionvisualrangerecognitionprobability/mfindrange/mseeclearlyrange/mrecognitionprobability/mfindrange/mseeclearlyrange/m0.10903318780.10590710250.30743614880.3042908390.50624212260.5042647270.60570711130.6039706770.70539210420.7037666390.8050889740.8035576000.9047408960.9

21、033165561.0037886901.002652435ydirectionvisualrange5结论从上述计算结果可以得到如下结论:从MRTD的计算结果来看,凝视型热成像系统在CFLIR模型下计算得到的MRTD值比FLIR92模型计算得到的MRTD值更接近实际测量值,这是因为在CFLIR模型中对R(f)和肉眼模型采用了更为充分的处理方法。在基本参数相同的条件下,利用MRTD来估算的凝视系统的视距远远优于扫描系统的视距。与光机扫描型系统相比,HgCdTe凝视型焦平面热成像系统具有复杂信号处理功能的超大规模集成的读出电路,热成像画质达到高清晰度电视图像的水平。对凝视型系统,从视距估算的结果

22、来看,CFLIR模型略优于FLIR92模型,这是因为对MRTD计算的差异以及在视距估算中考虑的修正因素不同而产生的。在本文中,视距计算所依据的热成像系统性能参数MRTD是理论模拟和实验室测量的结果,它基本能反映实际系统的特性,但在具体应用中会与系统本身性能有所偏差。作为一种考虑了有限项修正因素的较理想化的研究方法,随着科学技术的发展,将得到不断的修正和完善。致谢感谢北京理工大学金伟其教授、仇谷峰博士在工作过程中的有益讨论。参考文献:1DriggersRG,VollmerhausenR,EdwardsT.Thetargetidentificationperformanceofinfraredim

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