袁 衛(wèi)

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強(qiáng)光干擾紅外成像系統(tǒng)性能計(jì)算與仿真研究

袁 衛(wèi)1,2

（1.西安電子科技大學(xué)，陜西 西安 710071；2.渭南師范學(xué)院，陜西 渭南 714099）

針對(duì)現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)諸如探照燈、照明彈、戰(zhàn)場(chǎng)火光（多種面光源和點(diǎn)光源等）等強(qiáng)光光源對(duì)紅外成像系統(tǒng)探測(cè)性能的影響，建立紅外成像系統(tǒng)對(duì)面目標(biāo)的識(shí)別性能和對(duì)點(diǎn)目標(biāo)的探測(cè)性能估算的數(shù)學(xué)模型，并在VC6.0下實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)與背景溫差、目標(biāo)的識(shí)別距離等參數(shù)的計(jì)算，建立紅外成像系統(tǒng)作用距離模型。最后，對(duì)紅外成像系統(tǒng)分別受雜散光、強(qiáng)激光干擾以及硬損傷情況下的效果進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果可對(duì)實(shí)際紅外成像系統(tǒng)受強(qiáng)光干擾效果做一借鑒，最后對(duì)干擾效果的提出了主觀評(píng)價(jià)方法。

強(qiáng)光干擾；紅外成像系統(tǒng)；探測(cè)性能；仿真

0 引言

強(qiáng)光干擾作為現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)上一種典型的干擾方式，對(duì)光電裝備成像性能的影響是多種多樣的，強(qiáng)光照射有可能使得目標(biāo)的特征越來(lái)越明顯，也有可能由于成像光學(xué)系統(tǒng)增益和亮度自適應(yīng)性的影響，造成目標(biāo)圖像質(zhì)量和成像對(duì)比度的大幅下降；強(qiáng)光對(duì)光電裝備偵察性能的影響也會(huì)由于干擾光源相對(duì)于目標(biāo)的空間位置不同而表現(xiàn)出不同的效果；在同一種強(qiáng)光干擾下，可見(jiàn)光、微光、紅外等不同波段成像的光電裝備表現(xiàn)出不同的干擾效果[1]。

在干擾源產(chǎn)生的干擾光的照射下，由于目標(biāo)與背景反射的光線強(qiáng)，一定程度上會(huì)影響光電裝備的增益系數(shù)，由此進(jìn)一步改變了目標(biāo)與背景的對(duì)比度。而目標(biāo)與背景對(duì)比度改變對(duì)可見(jiàn)光裝備作用不太明顯，但對(duì)于紅外裝備卻是嚴(yán)重的，以下將對(duì)紅外成像系統(tǒng)的信號(hào)響應(yīng)特性分析，并對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)上經(jīng)常被采用的照明彈和火光這兩種強(qiáng)光源對(duì)紅外成像系統(tǒng)在不同的作用距離下進(jìn)行仿真[2-3]。

1 紅外成像系統(tǒng)識(shí)別性能估算模型

1.1 紅外成像系統(tǒng)對(duì)面目標(biāo)識(shí)別性能估算模型

人眼通過(guò)紅外成像系統(tǒng)能夠觀察到目標(biāo)的基本條件是：對(duì)于空間頻率為的目標(biāo)，它與背景的實(shí)際等效溫差在經(jīng)過(guò)大氣衰減到達(dá)紅外成像系統(tǒng)時(shí)，仍大于或等于系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的該頻率的最小可分辨溫差MRTD()，同時(shí)目標(biāo)對(duì)系統(tǒng)的張角應(yīng)大于或等于觀察等級(jí)所要求的最小視角，即：

D＝Dea()≥MRTD() (1)

式中：D為經(jīng)大氣衰減后目標(biāo)與背景的視在溫差；De為目標(biāo)與背景的實(shí)際等效溫差；a()為距離上的平均大氣透射比；為目標(biāo)高度；e為不同觀察等級(jí)要求的目標(biāo)等效條帶對(duì)數(shù)（周期數(shù)）；為目標(biāo)距離。

滿足(1)和(2)式要求的最大距離max即為紅外成像系統(tǒng)對(duì)面目標(biāo)的識(shí)別距離。

1.2 紅外成像系統(tǒng)對(duì)點(diǎn)源目標(biāo)的探測(cè)性能計(jì)算 模型

在點(diǎn)目標(biāo)探測(cè)情況下，目標(biāo)細(xì)節(jié)已不能探測(cè)，但從能量的觀點(diǎn)看，只要信號(hào)足夠大就能夠探測(cè)到，即要求信噪比達(dá)到探測(cè)閾值。目前，對(duì)點(diǎn)目標(biāo)的視距估算方法主要是基于MDTD的方法。

人眼通過(guò)紅外成像系統(tǒng)對(duì)點(diǎn)源目標(biāo)探測(cè)的基本要求是：系統(tǒng)視頻圖像信噪比應(yīng)大于或等于閾值信噪比，根據(jù)MDTD的定義，點(diǎn)源目標(biāo)探測(cè)的MDTD法模型可描述為：對(duì)于空間張角角頻率為的點(diǎn)目標(biāo)，其與背景的實(shí)際等效溫差De經(jīng)過(guò)大氣衰減到達(dá)紅外成像系統(tǒng)時(shí)，仍大于或等于系統(tǒng)對(duì)應(yīng)該頻率的最小可探測(cè)溫差MDTD()，即：

D＝Dea()≥MRTD() (3)

/＝＝1/(2)(4)

與擴(kuò)展源目標(biāo)視距估算一樣，MDTD法要實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)目標(biāo)探測(cè)的視距估算也要進(jìn)行一些修正，主要的修正有：目標(biāo)和背景輻射特性的修正、探測(cè)概率對(duì)閾值信噪比的修正、大氣傳輸衰減等[4-5]。修正后的對(duì)點(diǎn)目標(biāo)的MDTD為：

在考慮了上述修正后，滿足(3)和(4)式的最大作用距離max就是紅外成像系統(tǒng)對(duì)點(diǎn)源目標(biāo)探測(cè)距離。

1.3 參數(shù)的確定和作用距離計(jì)算

1.3.1 目標(biāo)與背景溫差的確定

在視距估算模型中，模型化目標(biāo)是用一個(gè)相對(duì)背景溫差為D0的均勻矩形目標(biāo)代替真實(shí)目標(biāo)。矩形目標(biāo)的大小選擇是其面積等于實(shí)際目標(biāo)在觀察方向的投影面積，目標(biāo)相對(duì)背景的平均溫差D0是通過(guò)對(duì)整個(gè)信息區(qū)的溫差用面積加權(quán)平均而得[6]。即目標(biāo)平均溫度T為：

于是，目標(biāo)相對(duì)背景溫度m的平均溫差D0為：

D0＝T－m(7)

式中：m為目標(biāo)附近背景平均溫度。

1.3.2 背景輻射特性對(duì)目標(biāo)的影響

如果目標(biāo)和背景均為灰體，且發(fā)射率不等，則等效黑體的溫度差按式(8)計(jì)算。

如果探測(cè)器為光子探測(cè)器，有：

有：

對(duì)于熱探測(cè)器，其探測(cè)率與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，即*＝*，得：

1.3.3 識(shí)別距離計(jì)算

以為橫坐標(biāo)（利用目標(biāo)距離與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系描出軸線上所對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)），以e和MRTD為縱坐標(biāo)作圖，從e與MRTD曲線的交點(diǎn)向橫坐標(biāo)作垂線，與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)所在的距離即為在該種天候條件下，對(duì)該種目標(biāo)在要求的識(shí)別等級(jí)下的識(shí)別距離[7]。

1.3.4 探測(cè)性能計(jì)算

用與上述類似的方法，對(duì)理論計(jì)算的MDTD值進(jìn)行修正，并利用目標(biāo)張角與距離的對(duì)應(yīng)關(guān)系做出e與MDTD的曲線圖的交點(diǎn)向橫坐標(biāo)作垂線，與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)所在的距離即為在該種天候條件下，對(duì)該種目標(biāo)在要求的發(fā)現(xiàn)等級(jí)下的探測(cè)距離。依據(jù)以上理論分析及建立的計(jì)算模型，設(shè)計(jì)了紅外成像系統(tǒng)野外作用距離計(jì)算軟件，軟件操作方法及界面如圖1所示。

圖1 軟件操作方法及界面

2 強(qiáng)光干擾下紅外成像系統(tǒng)仿真

紅外熱像儀進(jìn)行了強(qiáng)光干擾試驗(yàn)，試驗(yàn)用鎢燈、太陽(yáng)光模擬器、手電筒和火堆作為干擾源，對(duì)紅外成像的效果進(jìn)行仿真，圖2為不同情況下的仿真效果。

3 干擾效果的評(píng)價(jià)方法

有了可靠的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，才能正確評(píng)價(jià)圖像質(zhì)量的好壞、處理技術(shù)的優(yōu)越及系統(tǒng)性能的高低。以下將通過(guò)定量評(píng)價(jià)干擾圖像質(zhì)量對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

常用的客觀圖像評(píng)價(jià)指標(biāo)根據(jù)其適用情況分為兩類，一類是對(duì)單幅圖像直接進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，這類指標(biāo)包括均值、方差、信息熵、平均梯度等，另一類是在圖像壓縮與復(fù)原中廣泛使用的均方誤差（MSE，Mean Square Error）和峰值信噪比（PSNR，Peak Signal-to-noise Ratio），用于對(duì)原始圖像與干擾圖像2幅圖像進(jìn)行比較。

圖2 仿真效果

1）均值

均值就是圖像中所有像素的灰度平均值，它近似反映了圖像的灰度分布情況?；叶确植记闆r接近的圖像，均值也會(huì)比較接近。均值的基本的表達(dá)式如下：

式中：和是圖像的行列數(shù)，表示大小為×的圖像，(X,)表示圖像中(,)點(diǎn)的灰度值。

2）方差

方差是反映圖像整體灰度分布的統(tǒng)計(jì)量。方差越大，對(duì)比度越大；反之，若方差越小，則對(duì)比度也越小。方差的基本表達(dá)式如下：

式中：為整幅圖像的平均值。

上面直接計(jì)算方差的公式比較繁瑣，實(shí)際應(yīng)用中多采用如下計(jì)算公式：

3）平均梯度

平均梯度是指能夠反映了圖像中的微小細(xì)節(jié)反差與紋理變化特征，也反映了圖像的清晰程度，一般來(lái)說(shuō)，平均梯度越大，表明圖像越清晰，反差越好。其計(jì)算公式為：

式中：(,)、?(,)和?(,)分別為像點(diǎn)灰度及其在行、列方向上的梯度。

4）均方誤差

均方誤差主要用于比較原始圖像與重建圖像之間的偏差情況，適用于根據(jù)已知原始圖像進(jìn)行模擬試驗(yàn)的情形。均方誤差的定義為：

式中：(,)、(,)分別表示原始圖像和重建圖像在像點(diǎn)(,)處的灰度值。

5）峰值信噪比

在將重建圖像看成是原始圖像加噪聲圖像的情況下，可以用峰值信噪比對(duì)圖像間的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。峰值信噪比的定義為：

6）相關(guān)函數(shù)

式中：f和g分別為干擾實(shí)施前后圖像第行第列的像素灰度值；和分別是圖像像素的行數(shù)和列數(shù)。根據(jù)Cauchy-Schwarz不等式，在任何情況下，均有0≤≤1。當(dāng)2幅圖像完全相同時(shí)，＝1為最大值，這時(shí)圖像最相似或稱相關(guān)性最高。當(dāng)由于干擾使得圖像灰度發(fā)生變化時(shí)必有＜1，而且變化越大，則值越小，相似性或相關(guān)性越低。當(dāng)＝0時(shí)相似性最低或稱完全不相關(guān)。可見(jiàn)，相關(guān)函數(shù)值的大小反映圖像之間的相似性或相關(guān)性[8-10]。

4 結(jié)論

主要圍繞強(qiáng)光干擾下的紅外成像系統(tǒng)作用距離模擬計(jì)算展開(kāi)。圍繞紅外裝備的能量傳遞特性，分別建立了強(qiáng)光干擾下紅外系統(tǒng)作用距離計(jì)算模型；為了獲取強(qiáng)光干擾源數(shù)據(jù)資料，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試計(jì)劃和方案，開(kāi)展了針對(duì)強(qiáng)光光源的實(shí)驗(yàn)測(cè)試工作；并對(duì)干擾效果進(jìn)行了仿真，同時(shí)建立了干擾效果的主觀評(píng)價(jià)方法和基于均值法、方差法、平均梯度法、均方誤差法和峰值信噪比法的干擾效果的客觀評(píng)價(jià)方法。

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Study on Performance Computing and Simulation of Infrared Imaging System under Light Interference

YUAN Wei1,2

(1.,’710071,; 2.,714099,)

Aiming at modern battlefield, in which searchlights, flares, fire and other intensive light source would affect the performance of infrared imaging system and its detection function, the study is to build a mathematical model evaluating infrared imaging system’s recognition performance on the target and detection performance on the spot target, to realize the computing of parameters such as temperature difference between the target and background, recognition distance under VC 6.0, and to build action distance model of infrared imaging system. Finally, the study simulates the results of infrared imaging system under stray light, intensive light and physical damage. Simulation results would be a reference for the actual result of infrared imaging system performance under intensive light interference, at last, interference effects on subjective evaluation method is proposed.

light interference，infrared imaging system，detection performance，simulation

TN215

A

1001-8891(2015)02-0110-04

2014-08-19；

2014-11-24.

袁衛(wèi)（1973-），男（漢族），陜西省渭南市人，西安電子科技大學(xué)博士生，渭南師范學(xué)院副教授，研究領(lǐng)域?yàn)榧t外成像系統(tǒng)仿真與評(píng)估。

陜西省科技廳項(xiàng)目：紅外成像系統(tǒng)半實(shí)物仿真與研究，編號(hào)：2013kw04-03；陜西省教育廳項(xiàng)目：紅外監(jiān)視告警系統(tǒng)中復(fù)雜背景抑制算法研究，編號(hào)：14JK1247；渭南師范學(xué)院特色學(xué)科項(xiàng)目，編號(hào)：14TSXK07。