红外焦平面探测器图像处理系统噪声分析

红外焦平面探测器图像处理系统噪声分析

1红外焦平面探测器的优点焦平面探测器使用了足够多的焦平面列矩阵器覆盖整个视觉场，而不是用重光机扫描代替重量重复介绍器。因此，它非常适合于体积和重量需要严格规定的应用场所。同时,采用焦平面探测器的红外凝视成像系统也改善了系统的性能,主要体现在如下两个方面:一是使系统的热灵敏度理论上可提高到单元探测器时的(nHnv)1/2倍,其中nH指焦平面列阵器件一行的单元数,nv指焦平面列阵器件一列的单元数;二是采用焦平面探测器的红外凝视成像系统可以最大限度地发挥探测器快速响应的特性,在理论上,红外凝视成像系统对景物辐射的响应时间只受探测器时间常数的限制,而不再受扫描机构扫描速度的影响。总之,红外焦平面探测器的研究和使用使红外热成像技术的发展跃进到了一个新阶段,是研制高水平的热成像系统的重要技术途径。采用焦平面探测器的红外凝视成像系统现在已在许多军、民用系统中得到广泛应用,但对于实际应用中的红外焦平面探测器的成像性能的分析较少见到,本文下面针对红外地面面目标自动目标识别系统中的红外焦平面探测器的成像性能作一点分析。2光谱透过率的计算红外自动目标识别系统中的红外焦平面探测器的基本组成如图1所示,下面可由此模型来推导所得到的红外图像的信噪比计算公式。假设目标是一个温度为T0的绝对黑体,与红外成像系统的距离为D,其光谱辐射强度为Meo(λ,T)。对于朗伯辐射源,光谱辐射强度与亮度之间有如下关系Le(λ)=1πMeo(λ,T)(1)Le(λ)=1πΜeo(λ,Τ)(1)若目标辐射表面与视线垂直,则入瞳内的光谱辐射通量为Φe(λ)=τa(λ)Ie(λ)Ω0=τa(λ)Le(λ)A0bΩ0=1πτa(λ)A0bΩ0Meo(λ,T)(2)Φe(λ)=τa(λ)Ιe(λ)Ω0=τa(λ)Le(λ)A0bΩ0=1πτa(λ)A0bΩ0Μeo(λ,Τ)(2)式中τa(λ)——大气光谱透过率;A0b——进入红外成像系统视场内的目标面积;Ω0=A0/D2——目标辐射对面积为A0的光学系统入瞳所张的立体角,则对光谱灵敏度为Sn(λ)的辐射接收器,其输出端的信号等于Uc=∫λ2λ1Φe(λ)τo(λ)Sn(λ)dλ=1πA0bA0D2∫λ2λ1τa(λ)τo(λ)Sn(λ)Meo(λ,T)dλ(3)Uc=∫λ1λ2Φe(λ)τo(λ)Sn(λ)dλ=1πA0bA0D2∫λ1λ2τa(λ)τo(λ)Sn(λ)Μeo(λ,Τ)dλ(3)式中τo(λ)——光学系统的光谱透过率,可假设在探测器敏感的红外波段其光谱透过率为常数,记为τo。由Sn(λ)的定义,可得Sn(λ)=UmD∗(λ)/AnΔfeϕ−−−−−−−√(4)Sn(λ)=UmD*(λ)/AnΔfeϕ(4)式中Um——噪声信号(V);D*(λ)——比探测率(cmHz1/2W-1);An——辐射接收器的面积(cm2);Δfeϕ——读出放大器的等效噪声带宽(Hz)。由此可得读出放大器输出端的信号为Uc=τoπA0bUmA0D21AnΔfeϕ√∫λ2λ1τa(λ)D∗(λ)Meo(λ,T)dλ(5)Uc=τoπA0bUmA0D21AnΔfeϕ∫λ1λ2τa(λ)D*(λ)Μeo(λ,Τ)dλ(5)对于朗伯辐射源,(5)式还可写作如下形式Uc=τoA0bUmA0D21AnΔfeϕ√∫λ2λ1τa(λ)D∗(λ)Lφ(λ)dλ(6)Uc=τoA0bUmA0D21AnΔfeϕ∫λ1λ2τa(λ)D*(λ)Lφ(λ)dλ(6)考虑到目标可能不是黑体,且具有一定的辐射系数,所以作如下假设:在工作光谱范围内目标的光谱辐射为常数,即εo(λ,T)=εo,则读出放大器输出端的信号为Uc=τoπA0bUmA0D21AnΔfeϕ√∫λ2λ1τa(λ)D∗(λ)ε0Meo(λ,T)dλ(7)Uc=τoπA0bUmA0D21AnΔfeϕ∫λ1λ2τa(λ)D*(λ)ε0Μeo(λ,Τ)dλ(7)根据图像处理中信噪比的定义,可按如下定义读出放大器输出端的信噪比SNR=|Uc−Ub|Um(8)SΝR=|Uc-Ub|Um(8)式中Uc——目标所对应的探测单元的输出电压信号;Ub——背景所对应的探测单元的输出电压信号;Um——辐射接收器的等效噪声电压信号。对于地面面目标这种情况,则信噪比计算公式可写为如下形式SNR=τoπA0bA0D21AnΔfeϕ√⋅∫λ2λ1D∗(λ)τa(λ)(ε0Meo(λ,To)−εbMeb(λ,Tb))dλ(9)SΝR=τoπA0bA0D21AnΔfeϕ⋅∫λ1λ2D*(λ)τa(λ)(ε0Μeo(λ,Τo)-εbΜeb(λ,Τb))dλ(9)3大气传输特性与红外辐射衰减红外辐射在到达红外焦平面探测器的光学系统之前必须通过大气,并被衰减。红外辐射在大气中被衰减主要与3种现象有关:①大气气体分子的吸收;②大气中分子、气溶胶和微粒的散射;③因气象条件(云、雾、雨、雪)引起的衰减。在红外自动目标识别系统中,目标与探测器之间要经过较远距离的大气传输,目标的红外辐射被衰减是影响红外焦平面探测器成像质量的一个重要因素,这一点也可从式(9)中看出。图2和图3是由LOWTRAN7计算出的分别在2km及5km高空垂直下视的8μm～12μm波段的红外大气光谱透过率。图4和图5则是在相同条件下假设地面有50m厚的雾的情况下大气的光谱透过率。从图中可以看出:(1)大气对红外辐射的损耗主要集中在低层大气,在晴天无云情况下,从地面至2km高度,平均透过率可达0.7659,损耗达到了0.2341,至5km高度平均透过率也可达0.7276,距离增加了3km,但损耗只增加了0.0383。这是因为大气中的气溶胶和微粒的散射对红外辐射损耗影响很大,而大气中的气溶胶和微粒则主要集中在2km以下的低层大气中。(2)天气情况对红外辐射的透过率影响非常大,同样在2km高度,因为地面有雾,平均透过率就从0.7659降到了0.116,大气中的各种天气情况也都集中在低层大气中。4红外焦平面探测器的信噪比分析红外焦平面探测器的成像质量是影响其后红外自动目标识别系统数据处理的关键,红外探测器的成像质量高,则红外自动目标识别系统的识别概率也高。表1所示是一个对地面面目标的红外自动目标识别系统使用的红外焦平面探测器的相关参数。将目标与背景均视为灰体,目标在8μm～12μm的红外段辐射系数为0.92,背景则为0.95,目标与背景的温差约为3K,则由前面所推得公式计算得到红外焦平面探测器所成红外图像的信噪比如表2所示。从计算结果可见,在地面有较大的雾的情况下,此时大气对红外辐射的损耗较大,但使用高性能的红外焦平面探测器后,输出的图像信噪比仍达到5.6(5km,有雾情况下)。根据美国NMD对抗技术的有关资料,单帧探测概率与得到的红外图像信噪比之间有如下关系。Pd=90%要求SNR=5.4Pd=95%要求SNR=10.2Pd=97%要求SNR=16而对于红外自动目标识别系统,还可充分利用前后各帧红外图像的信息,所以其识别概率可以更大,由此可见,这个系统在地面有较大的雾的情况下仍然可以正常工作。5红外自动目标识别系统的要求红外焦平面探测器的灵敏度较高,所以在晴朗无云的天气情况下其