徐振亞，祁 鳴，李麗娟,2

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基于實測數(shù)據(jù)的凝視紅外系統(tǒng)重構(gòu)方法

徐振亞1，祁 鳴1，李麗娟1,2

（1.中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471099；2.航空制導武器航空科技重點實驗室，河南 洛陽 471099）

為充分評估基于凝視紅外成像體制精確制導武器的性能，利用高可信度的數(shù)字建模仿真成為國內(nèi)外普遍關(guān)注的重要途徑。鑒于產(chǎn)品研制過程中能夠獲取大量的實測數(shù)據(jù)，從采樣、信號傳遞、噪聲以及空間傳遞等理論出發(fā)，結(jié)合典型紅外場景仿真平臺中理想傳感器的設(shè)計，完成了基于實測數(shù)據(jù)的凝視紅外成像系統(tǒng)重構(gòu)方法研究，并利用三維噪聲模型、計算機模擬圖像進行了重構(gòu)效果的精度驗證分析。最后通過靈敏度閾值開展了實驗室內(nèi)驗證試驗，從綜合性能評估實例的角度上，再次證明了該重構(gòu)方法有效，為凝視紅外制導武器的實戰(zhàn)化評估應用奠定基礎(chǔ)。

凝視紅外；數(shù)字重構(gòu)；實測數(shù)據(jù)；性能評估

0 引言

由于采用了大規(guī)模探測單元和凝視工作方式，能夠連續(xù)累積目標輻射能量，凝視紅外成像制導技術(shù)具有高分辨率、高靈敏度、高信息更新率的優(yōu)點，已經(jīng)替代單元、多元探測方式，成為國內(nèi)外紅外型空空導彈的普遍體制[1]。與第一代成像系統(tǒng)探測器不同，凝視成像探測器的輸出噪聲在圖像水平方向和垂直方向都具有獨特的特征，呈現(xiàn)典型的三維特性，其噪聲功率譜不可視為白噪聲[2]。因此，在評估紅外系統(tǒng)探測極限時，如何依據(jù)實際產(chǎn)品參數(shù)，建立準確、完善的系統(tǒng)噪聲模型，不僅是開展系統(tǒng)探測性能評估的基礎(chǔ)[3-5]，同時也能促進系統(tǒng)噪聲抑制措施的制定和實施，如系統(tǒng)非均勻性校正、盲元的檢測及替換等。

此外，隱身、對抗等技術(shù)的迅猛發(fā)展使得紅外型空空導彈的作戰(zhàn)環(huán)境更加復雜，進而使復雜背景下弱小目標檢測問題成為一個熱點課題[6]。目前已經(jīng)有針對不同場景的眾多算法[7]，不僅可以應用目標軌跡、方向以及位置等先驗信息，同時還可以通過濾波處理，完成不同背景的有效抑制。使用信噪比、均勻背景下的靈敏閾等簡單指標不能反映產(chǎn)品的真實性能。

因此，本文評估凝視紅外成像制導武器在復雜背景下的探測性能，依據(jù)紅外成像效應的建模理論[8]（信號能量傳遞理論、空間調(diào)制傳遞函數(shù)理論、采樣效應頻譜分析理論及噪聲理論等），建立基于實測數(shù)據(jù)的凝視紅外成像系統(tǒng)的重構(gòu)方法，并經(jīng)過對系統(tǒng)響應、噪聲特性以及成像效應的精度分析，確保重構(gòu)系統(tǒng)的可信度，為紅外型空空導彈在復雜背景下的探測性能評估提供手段支撐。

1 場景投影及采樣特性

根據(jù)采樣定理，為了有效評價凝視成像系統(tǒng)的各種物理效應，輸入的場景分辨率至少為探測器陣列的16倍，即假設(shè)探測器陣列像元數(shù)目為×，則輸入場景的像素數(shù)目至少為4×4，此時，輸入場景相對于探測器陣列才能近似認為連續(xù)[8]?？紤]到在現(xiàn)有的場景仿真軟件中，已經(jīng)完成對場景的高細粒度建模仿真，在稍遠距離觀測時，觀測場景就能滿足連續(xù)的條件，同時常見的場景建模軟件，如SE-Workbench、JRM等，均包含有傳感器模塊，能夠輸出與產(chǎn)品采樣特性一致的理想圖像。因此，在進行系統(tǒng)的空間采樣特性建模時，可以按照以下方法進行：

1）在場景建模仿真軟件中，按照目前在研產(chǎn)品空間分辨率的相關(guān)參數(shù)，設(shè)置理想傳感器的采樣模型，按照標準測試彈道生成測試圖像序列。

2）按照目前在研產(chǎn)品通常的系統(tǒng)分辨率的設(shè)置情況，利用場景建模軟件，生成滿足16倍分辨率的通用測試數(shù)據(jù)包，經(jīng)過變換后生成與系統(tǒng)參數(shù)相對應的測試場景圖像。

針對空空導彈應用的凝視紅外成像系統(tǒng)而言，典型飛機目標通常呈現(xiàn)出點狀輻射源的特性，較低的系統(tǒng)空間采樣頻率有可能會給目標輻射帶來較大的計算誤差。同時，為保證在較大視場內(nèi)均具有較好的紋理特性，基于物理的場景建模仿真軟件通常會采用光線追跡的解決方案；但是在模擬遠距離探測所關(guān)注的點源目標特性方面，較少數(shù)量的追跡光線必然會帶來較大的仿真誤差，而大幅度的增加追跡光線數(shù)量必然會引起計算量的急劇上升。因此，在利用場景仿真軟件中理想探測器模型進行場景投影時，需要特別注意目標強度特性的誤差，必要時可以通過解析修正或者人為添加的方式對目標輻射能量進行處理。

2 信號傳遞特性模型和噪聲特性模型

根據(jù)光電成像原理，紅外系統(tǒng)在對接收到的場景投影信息響應時，不僅包括其對接收輻射的電信號變換，同時也包括附加在信號上的噪聲特性。在系統(tǒng)噪聲模型建模方面，Eddie Jacobs等人[9]對噪聲參數(shù)逆推（noise parameter inversion，NPI）、功率譜匹配（power spectrum matching，PSM）和針對實際噪聲估計的物理噪聲模型（physical noise model，PNM）3種系統(tǒng)噪聲模擬方法進行了對比，得到了如圖1[9]所示的圖像以及如圖2[9]所示的三維噪聲分量對比結(jié)果。

分析圖1和圖2可知：雖然NPI和PSM兩種基于實測數(shù)據(jù)方法在噪聲統(tǒng)計量水平上的表現(xiàn)與實際測試值相當，但是從重構(gòu)的噪聲紋理來講，兩種方法與實際數(shù)據(jù)還存在較大的差異。

圖1 實測及仿真噪聲圖像從a)到d)：實際測試，噪聲估計，功率譜匹配，噪聲參數(shù)逆推

圖2 實測及仿真結(jié)果的三維噪聲分析

結(jié)合NPI和PSM這兩種基于實測數(shù)據(jù)的系統(tǒng)噪聲圖像疊加思路，同時考慮到對于單元探測系統(tǒng)而言，僅存在功率譜接近白噪聲的時間噪聲，且焦平面陣列的串擾特性可以測量，因此，這里以單元響應特性作為系統(tǒng)信號傳遞特性模型和噪聲特性模型基礎(chǔ)。基本方法及流程如下：

1）使用均勻性較好的標準面源黑體作為目標源，采集探測系統(tǒng)全動態(tài)范圍內(nèi)的系統(tǒng)響應數(shù)據(jù)。

2）獲取探測系統(tǒng)各個像元在不同溫度點上的響應灰度均值及時域噪聲；并作為產(chǎn)品響應特性的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)加以保存。

3）利用上述數(shù)據(jù)基礎(chǔ)對不同系統(tǒng)響應過程中的擬仿真溫度點進行插值，各像元的噪聲按照白噪聲進行添加。

4）利用三維噪聲模型對現(xiàn)有測試數(shù)據(jù)以及仿真數(shù)據(jù)進行噪聲分析，說明建模的合理性。

表1為在定標點和非定標點處，針對高精度面源黑體的實測及仿真圖像，相應圖像的灰度人為映射到相同的灰度級。

表1 系統(tǒng)響應重構(gòu)精度評估

從表1所示的仿真結(jié)果可以看出：由于將體現(xiàn)系統(tǒng)空間噪聲特性的像元差異進行了拆分，仿真產(chǎn)生的圖像在圖像紋理上具有與測試圖像完全一致的固定圖案噪聲；再次利用三維噪聲模型對比上述兩圖像序列的噪聲統(tǒng)計特性，所得結(jié)果如表2、表3所示，表中數(shù)值為直接對圖像灰度直接計算的結(jié)果。

表2 系統(tǒng)定標溫度點處三維噪聲對比

表3 系統(tǒng)非定標溫度點處三維噪聲對比

從表2、表3中主要噪聲分量絕對值的差異可以看出：系統(tǒng)總噪聲的仿真誤差分別為0.4827%（非定標溫度點）和0.0019%（定標溫度點），系統(tǒng)響應及噪聲模型的數(shù)字重構(gòu)精度較高。

3 系統(tǒng)成像及空間傳遞特性

紅外系統(tǒng)空間傳遞特性的圖像效果上表現(xiàn)為模糊，主要原因包括光學系統(tǒng)的像差、衍射，探測器的空間和時間濾波效應，信號處理電路的線性濾波效應等。從國內(nèi)外公開資料來看，目前建模所采用的方法主要有以下4種[10]：調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）法、光線追跡法、點擴散函數(shù)（PSF）法和基于圖像像素處理法。由于基于實際測試獲取的數(shù)據(jù)包含了系統(tǒng)正常狀態(tài)下所有效應的共同影響，如位標器的振動、光學系統(tǒng)的衍射等。同時，基于圖像的MTF的光電系統(tǒng)模糊效應仿真與光學傳遞函數(shù)的定義直接相對應，在原理上沒有任何誤差。因此，考慮到本項目需求，通過實測圖像數(shù)據(jù)估算出系統(tǒng)的綜合MTF，并在系統(tǒng)理想成像結(jié)果進行卷積運算的方法，可以作為實現(xiàn)系統(tǒng)成像及空間傳遞特性數(shù)字重構(gòu)的可行方案。

目前基于圖像的MTF測試方法[11-12]可以分為3類，即：點光源法、線光源法、刃邊法；這里通過相關(guān)文獻的調(diào)研學習，從MTF測試精度及實驗復雜程度的對比，確定在利用MTF進行系統(tǒng)空間傳遞特性的數(shù)字重構(gòu)中，采用容易實現(xiàn)的傾斜刃邊法進行，基本流程如圖3[11]所示。

為避免實測數(shù)據(jù)中系統(tǒng)MTF真值未知的影響，這里對基于傾斜刃邊法的系統(tǒng)MTF測試效果進行驗證分析，即利用如圖4所示的半月靶完成理想圖像的建模仿真，通過確定的PSF對理想靶標圖像進行模糊處理，并添加隨機噪聲代替探測系統(tǒng)的測試圖像，進行系統(tǒng)MTF的測試處理。

圖3 采用傾斜刃邊法獲得系統(tǒng)空間傳遞特性示意圖

圖4 理想刀口靶及模糊處理后仿真圖像

考慮到系統(tǒng)PSF的對稱性，對系統(tǒng)成像特性數(shù)字重構(gòu)的精度分析可以參照表4所示PSF中心截面的對比結(jié)果，度量單位仍是系統(tǒng)響應灰度。

表4 PSF重構(gòu)精度評估

表4中的對比結(jié)果表明：基于傾斜刃邊法的系統(tǒng)空間傳遞特性數(shù)字重構(gòu)方法具有較高的反演精度，在彌散斑能量分布80%像元的相對誤差均值約為1.16%，相對誤差最大值為2.19%；因此，上述方法能夠用于完成凝視紅外成像系統(tǒng)的空間傳遞特性數(shù)字重構(gòu)。

4 系統(tǒng)驗證

考慮到實際外場實驗中，目標、背景以及大氣等因素均會給系統(tǒng)的作用距離引入不確定因素，使本項目中基于實測數(shù)據(jù)的凝視紅外成像系統(tǒng)的數(shù)字重構(gòu)誤差淹沒在驗證系統(tǒng)的誤差當中。因此，針對計算工具的評估精度驗證，可以通過如圖5所示的系統(tǒng)靈敏閾評估設(shè)備具體開展?；静襟E如下：

1）在實驗室內(nèi)，利用平行光管等設(shè)備，按照如圖5搭建驗證系統(tǒng)，并結(jié)合實際工程測試規(guī)范測定產(chǎn)品靈敏度閾值，做好實驗記錄。

圖5 驗證實驗示意圖

2）利用測試數(shù)據(jù)，完成某凝視紅外成像系統(tǒng)數(shù)字重構(gòu)以后，按照當前型號測試規(guī)范，生成系統(tǒng)對點源目標測試圖像序列，如圖6所示；并利用相應算法計算紅外系統(tǒng)的檢測特性曲線，確定本項目計算出的系統(tǒng)閾值水平。

圖6 不同場景下的仿真結(jié)果

將仿真結(jié)果與實際測試結(jié)果相比較，可得：在設(shè)定的均勻黑體背景測試條件下，實際測試所得到的系統(tǒng)靈敏度閾值稍大，相對誤差約10%，與背景稍復雜的固定云背景仿真結(jié)果相當。

考慮到測試使用的平行光管視場僅有樣機視場的2/3，相對視場較大的測試樣機接收的背景輻射除來自靶盤反射外，還有平行光管的管壁，進而導致實際測試時，即使采取輻射相近的背景黑體的控制策略，測試產(chǎn)品所觀測到的背景復雜程度也會因為靶盤反射面與平行光管管壁之間的表面屬性差異而略高于仿真時所設(shè)定的絕對均勻背景。因此，仍可以認為：本文基于實測數(shù)據(jù)的凝視紅外成像系統(tǒng)探測性能評估工具基本滿足項目預期，能夠利用實測數(shù)據(jù)完成系統(tǒng)的數(shù)字重構(gòu)，計算結(jié)果具有較高的準確度。

5 結(jié)論

針對凝視紅外成像的探測性能評估應用需求，通過對實測數(shù)據(jù)的深度挖掘，建立了當前普遍應用的凝視紅外成像系統(tǒng)數(shù)字重構(gòu)技術(shù)途徑，并通過紅外場景仿真平臺、成像體制信息處理算法等領(lǐng)域的研究成果的應用，為復雜環(huán)境下紅外型空空導彈的戰(zhàn)術(shù)應用提供手段支撐。相關(guān)研究成果也可為其他采用凝視成像體制的應用提供參考。

此外，相關(guān)研究成果也可以通過利用通用設(shè)備以及較為豐富的高性能計算資源完成性能評估，降低多項目對高性能動態(tài)場景目標模擬器等實驗關(guān)鍵設(shè)備的應用沖突；同時，可以直接利用紅外場景建模仿真結(jié)果，使擴大系統(tǒng)測試范圍成為可能，具有較大的應用價值。

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Staring Infrared Systems Reconstruction Based on Measured Data

XU Zhenya1，QI Ming1，LI Lijuan1,2

（1.,471009,; 2.,471099,）

In order to evaluate the performance of precision guided weapon using staring infrared imaging systems, using the method of reliable digital modeling and simulation has become an important solution and attracted worldwide attention. Due to plenty of measured data has been achieved during previous research and development, a method of staring infrared systems reconstruction based on measured data is researched in this paper, which is combined with ideal sensor of typical IR scene simulation platform and considering sampling, respond, noise and modulation transfer theory, etc. In addition, 3D-noise model and computer simulated image is used to validate the reconstruction's precision. Finally, in the view of comprehensive evaluation, sensitivity threshold as an example is measured in the laboratory, which revalidated this effective method. The study lays a foundation for staring infrared guided weapon's actual combat application.

staring infrared system，digital reconstruction，measured data，performance evaluation

TJ765.4

A

1001-8891(2017)05-0404-05

2016-09-21；

2017-02-20.

徐振亞（1985-），男，山東菏澤人，工程師，主要從事紅外目標與環(huán)境特性、紅外探測系統(tǒng)性能評估等。E-mail：xzy17342@163.com。