红外成像系统仿真技术的现状与未来

1、第30卷第4期红外与激光工程2001年8月Vol.30No.4InfraredandLaserEngineeringAug.2001文章编号:100722276(2001)0420203205红外成像系统仿真技术的现状与未来3左月萍,张建奇()摘要:,同时也是评价系统性能的有力工具。,。文中概述了红外成像系统计算、研究方法和研究成果的现状,介绍并比较了现有的几个典型仿真模型,并提出了几点看法。关键词:红外成像系统;计算机仿真;模型中图分类号:TN21文献标识码: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设计,也是评价系统性能的有力工具,对科研和生产1引言利用计算机对红外成像系统、搜索跟踪系统等进行仿真,涉及的范围大,可包罗各种工作条件,避免繁琐、艰辛的军事训练,节约开销。再者,利用计算机

4、仿真红外成像系统,可以对给定的参数进行系统的优化收稿日期:2001201210;修订日期:2001203209基金项目:国家自然科学基金资助项目(69877016)都有指导意义。在过去的数十年内,人们一直在做不断的努力,用计算机仿真红外成像系统,形成了两个主要的研究方向,并取得了较好的效果。一个是建立系统的性能模型,以此来评价系统或指导系统的整体设计,如美国的夜视实验室所建立的机载前视系统性能模作者简介:左月萍(19762),女,山西人,硕士,从事红外成像系统计算机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:红外成像系统仿真技术的现状与未来型FLIR921,它是目前评价系统性能和进行系统优化设计最有效的,而且也是最具有权威性的模型;另一个从图像质量的角度,模似红外场景并仿真影响图像质量的各种因素,出现了典型的仿真模型。文中主要讨论成像过程以及图像质量的仿真问题。仿真系统。3仿真技术采用的方法目前,大多数仿真过程是把红外成像系统的各个组成单元分开进行分析、仿真,使用的方法及模,可以根据,对模型中的每、完善,具有开放、灵活的特点。大多数仿真模型所采用的方法主要有三种:光线跟踪法2,3、调制传递函数(MTF)法4,5和点扩散函数(P

6、SF)法6。MTF法和PSF法实质是一致的。3.1光线跟踪法3.1.1工作原理2红外成像系统的组成单元到目前为止,展,正向第三代发展三代,1所示的几个基本单元。光线跟踪法就是从待观察的场景上各个点的图1红外成像系统的基本组成单元Fig.1Essentialcomponentsofinfraredimagingsystems(IRIS)辐射出发,研究辐射经过光学系统的变化,经过采样系统和探测器后辐射转换为电信号的过程,建立观察场景上的各点与红外成像器件输出图像上各点之间的几何位置以及辐射量关系,即建立像素方程。基本的像素方程经过变形后得2:目标和背景组成的场景是辐射源,其辐射经系统形成了反映场景

7、特征的图像。大气的吸收和散射使传输到成像系统的场景辐射削弱,而大气扰动(湍流)会使图像发生畸变,变得模糊。同时大气又S=Tint是一种重要的辐射源。光学系统对场景信号实施空间滤波,以尽可能小的损失,尽最大可能地将场景辐射会聚到探测器上。由于光学材料对不同波长的吸收以及折射的不同,使得图像产生各种光学效应,如几何效应、辐射效应、空间效应等。探测器是成像系统的核心,它把接收到的辐射转换成电信号,同时它也是最复杂的部分。探测器给图像带来的影响是与其物理结构相关的,物理结构不同所考虑的主导因素也不同。经探测器转换得到的信号通过两种输出通道得到场景的信息,一种是把信号转换成图像,直接在显示器显示,供观察

8、者使用,而另一种输出通道是把得到的信号直接输入信号处理器,为探测或识别目标以及其它处理算法提供数据。仿真红外成像系统需要分析每个单元的物理过程,考虑影响图像质量的各种因素,形成一个包含各个组成单元和各种物理现象的完备的、封闭的204maxPiIdetminepri)cos()depL(Pi,ri,)hP(Pi,)dT(Pi)dIR(1)式中S探测器把红外辐射转换得到的电信号;Tint探测器的平均积分时间;LPi,ri,目标的光谱辐射亮度;ep光学系统出瞳所张的立体角;)hP(Pi,光学系统的点扩散函数;Idet探测器的积分面积;)R(探测器的光谱响应度;公式中的乘积因子;T(Pi)公式中第二个

9、方括号内的项光学系统造成图像模糊时,探测器光敏元上的一点所接收到的平均光谱辐射亮度;公式中第三个方括号内的项在积分时间内探测器光敏元上接收到的辐射光谱量。乘积因子表示探测器面观察Pi点所需时间与积分时 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 左月萍:红外成像系统仿真技术的现状与未来间之比,是一个无量纲的量,它也表示Pi点接收到的辐射亮度与积分时间内探测器面接收到的平均辐射亮度之比。对于凝视系统,T(Pi)等于1,Idet等于探测器单元的面积;对于扫描式系统,T(Pi)是

10、一个以探测器面在扫描方向上扫过的像平面Idet上的点的位置为变量的函数。T(Pi)的最大值为Td/Tint,其中Td为探测器的滞留时间,这是因为探测器观察一个式中Ho(fx,fy)光学系统的传输函数;Hd(fx,fy)、He(fx,fy)、Hc(fx,fy)、Heye(fx,fy)分别为探测器、信号处理系统、显示器、人眼的传输函数。调制传递函数法仿真成像系统可以用一个框图表示,见图2。点所需时间不可能大于探测器的驻留时间。3.1.2光线跟踪法的特点:(1)探测器有机结合图2MTF法仿真红外成像系统的基本流程Fig.2FlowchartofsimulatingIRISwithMTF起来,用一种方

11、法建立模型,使模型具有普遍适用性;(2)它又能把光学系统、采样机构、探测器这三个部分合理分开,使它们相互独立,具有开放、灵活的特点;(3)这种方法深入物理过程,囊括了几乎所有3.2.2调制传递函数法的特点从以上分析可以看出,用调制传递函数法仿真成像系统有以下优势:(1)与光线跟踪法相比,调制传递函数法能仿的物理现象,分析全面、透彻。光线跟踪法存在以下不足:(1)无法仿真信号处理、监视器、观察者对成像真更多的成像系统组成单元,比较全面;(2)计算量较小;(3)方便、灵活,可以任意取舍系统单元,其准系统的影响;(2)光线跟踪法是微观分析法,在分析采样过确程度取决于对各单元的要求,可分别深入研究各单

12、元,使模型更能准确解释物理现象。当然,调制传递函数法也存在不足。有些物理现象如光学系统的辐射效应、探测器的响应非均匀性等不能用调制传递函数法来仿真,因此使用调制传递函数法也存在着一定的局限性。3.3点扩散函数法程及探测器的效应时比较复杂;(3)像素方程中涉及到积分计算,不利于算法的简便性,影响运算速度。3.2调制传递函数法3.2.1基本思想调制传递函数法是一种宏观分析法,它表征了系统对不同空间频率的信号(辐射、电信号)的增益,同时也描述了系统不同单元接收到的辐射能量的分布情况。用调制传递函数法仿真红外系统的思想是:对系统的各个组成单元的调制传递函数进行分析、求解,然后把各个组成单元的信号与其相

13、应的调制传递函数相乘,作为下一单元的输入数据,直到观察者看到结果。用数学表达式表示,则有:H(fx,fy)=Ho(fx,fy)Hd(fx,fy)He(fx,fy)Hc(fx,fy)Heye(fx,fy)点扩散函数法也是一种微观分析法,它的基本思想与调制传递函数法完全一样。实际上,点扩散函数法和调制传递函数的实质是一致的,因为调制传递函数法是在频域内分析信号的,而点扩散函数法是在空域内分析信号的,它们之间存在着傅氏变换关系,即MTF(fx,fy)=FPSF(x,y)。因此,在仿真系统的图像效果时,在空域内,仿真图像是原始图像与系统的点扩散函数的卷积,而在频域内,则是原始图像与系统的调制传递函数相

14、乘,再经过反傅里叶变换得到(2)空域内的仿真图像。通常把调制传递函数法和点扩散函数法看作是类似的仿真方法。205 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 左月萍:红外成像系统仿真技术的现状与未来206 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 左月萍:红外成像系统仿真技术的现状与未来合。成像系统的仿真目前有两大方向:一个是从图像4典型的仿真模型许多

15、研究人员在仿真红外成像系统方面做出了许多努力,形成了多样的系统模型,并取得了良好的效果,下面就把目前典型的模型做一简单地回顾和分析,如表1所示。质量的角度出发,另一个是从系统性能参数的角度出发。两种仿真的共同目标就是系统性能的提高,可以设想把这两个模型有机地结合起来,形成一个既能从图像质量角度评价系统,也能从性能参数评价系统的完善系统。5几点看法。,目的就是使仿真效果与实际情况相吻合。存在的问题有:(1)以上列举的典型仿真模型中没有一个完全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