六级考试成绩查询-纪检委员职责

第
30
卷第
4
期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　红外与激光工程　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
2001
年
8
月
Vol.30No.4
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
Infrare dandLaserEngineering
　　　　　　　　　　　　　　　　
Aug.20 01
　　文章编号
:1007
2
2276
(
2001
)
04
2
0203
2
05
红外成像系统仿真技术的现状与 未来
3
左月萍
,
张建奇
(
西安电子科技大学技术物理学院< br>,
陕西西安　
710071
)
　　摘要
:
利用计算机 进行红外成像系统的仿真有助于系统的整体设计
,
同时也是评价系统性能的
有力工具。 人们在这一领域做了大量工作
,
并取得了良好的效果。文中概述了红外成像系统计算
机 仿真技术所采取的重要技术路线、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
:A
Reviewofmodelinginfraredimagingsy stems
3
ZUOYue
2
ping,ZHANGJian
2qi
(
InstituteofTechnicalPhysics,Xi
’tronicscienceandtechnology,Xi
’
an
　
710071,
　
China
)
Abstract:Theinfrare dimagingsystem
(
IRIS
)
s
searchers havemadegreateffortsandgot
ptedmethodsandsomeim portantideasatpresentareintroducedin
y,someopin ionsarepro
2
posed.
Keywords:
　　
In fraredimagingsystems;
　
PCssimulation;
　< br>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
:2001
2
0 1
2
10;
　修订日期
:2001
2
03
2
09
基金项目
:
国家自然科学基金资助项目
(
69877016< br>)
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
(
1976
2
)
,
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 Publishing House. All rights reserved. http:

左月萍
:
红外成像系统仿真技术的现状与未来
型< br>FLIR92
[1]
,
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
,< br>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
型趋向多样化
,
而每一种模型是重点研究其中某 一
单元或某一物理现象。这样做的好处是
,
可以根据
使用的技术以及所要求的 计算精度
,
对模型中的每
个部分进行改进、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
(
PSF
)
法
[6]
。
MTF< br>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
,
红外 成像系统已经历了两代的发
展
,
正向第三代发展。不论第一代、第二代还是第
三代
,
它们的组成虽有差异
,
但都可分为如图
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.1
　
Essentialcomponentsofi nfraredimagingsystems
(
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=T
int
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< br>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
・
204・
∫
∫
∫
λ
max
P
i
∈
I
det
λ
min
Ω
ep
r
i
∈
)
cos
(
θ
)
d
Ω
ep
L
λ(
P
i
,r
i
,
λ
)
h
P< br>(
P
i
,
λ
)
d
λ
T
(< br>P
i
)
d
I
det
R
(
λ
(
1
)
式中　
S
———探测器把红外辐射转换得到的电信号
;
T
int
———探测器的平均积分时间
;
L
λ
P
i
,r
i
,
λ
———目标的光谱辐射亮度
;
Ω
ep
———光学系统出瞳所张的立体角
;
)
—
h
P
(
P
i
,
λ
——光学系统的点扩散函数
;I
det
———探测器的积分面积
;
)
—
R
(
λ
——探测器的光谱响应度
;
——公式中的乘积因子
;T
(
P
i
)
—
公式中第二个方括号内的项———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
P
i
点所需时间与积分时
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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< br>,
它也表示
P
i
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
(
P
i
)等于
1,
I
det
等于探
测器单元的面积
;
对 于扫描式系统
,
T
(
P
i
)
是一个以
探测 器面在扫描方向上扫过的像平面
I
det
上的点的
位置为变量的函数。
T
(
P
i
)
的最大值为
T
d

T
int
,
其中
T
d
为探测器的滞留时间
,
这是因为探测器观察一个
式中　
H
o
(
f
x
,f< br>y
)
———光学系统的传输函数
;
　
H
d
(
f
x
,f
y
)
、
H
e
(
f
x
,f
y
)
、
H
c
(
f
x
,f
y
)
、
H
eye
(
f
x
,f
y
)
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
从以上分析可以看出光线跟踪法有如下优点
:
(
1
)
　它把光学系统 、采样机构、探测器有机结合
图
2
　
MTF
法仿真红外成像系统的基 本流程
Fig.2
　
FlowchartofsimulatingIRISwith MTF
起来
,
用一种方法建立模型
,
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
元
,
使模型更能准确解释物理现象。
当然
,< br>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
,< br>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
(
f
x< br>,f
y
)
=H
o
(
f
x
,f
y
)
H
d
(
f
x
,f
y
)H
e
(
f
x
,f
y
)
×
H< br>c
(
f
x
,f
y
)
H
eye
(
f
x
,f
y
)
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< br>,
即
MTF
(
f
x
,f
y
)
=
F[PSF
(
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・
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左月萍
:
红外成像系统仿真技术的现状与未来
・< br>206
・
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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
目前仿真模型领 域的研究已取得了重大的成就。
建立的红外成像系统模型形式多样
,
目的就是使仿真< br>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
参考文献
:
[1]
　
isionmod eling[A].SPIEProceedings,
InfraredImagingSystem s:Design,Analysis,Modeling,andTest
2
ingX[C] .1999,3701.2
2
12.
[2]
　
ally
2< br>basedinfraredsensoreffortsmodeling
[A].SPIEP roceedings,InfraredImagingSystems:Design,Analy
2
sis,Modeling,andTestingX[C].1999,3701.81
2
94.
[3]
　
effectssimulationforsynther icsignaturemodel
2
ingusingthestrategicscene workstation[A].SPIEProceedings,
InfraredImaging Systems:Design,Analysis,Modeling,andTest
2
i ngIII[C].1992,1689.319
2
337.
[4]
　
fimagegenerationinoptronic
(
electro
2op
2
tical
)
sensorsystems
(
I GOSS
)
[A].SPIEProceedings,Infrared
Imagi ngSystems:Design,Analysis,Modeling,andTestingIX
[C].1998,3377.89
2
94.
[5]
　
model ingusingprogrammableinterface
forhardware
2< br>in
2
the
2
loopIREOtesting[A].SPIEP roceedings,
TechnologiesforSyntheticEnvironment sHardware
2
in
2
the
2
loopTest< br>2
ingIV[C].1999,3697.470
2
481.
[6]
　
ionoftheTACOMthermalimagemodel
(
TT IM
)
[A].SPIEProceedings,InfraredImagingSyst ems:De
2
sign,Analysis,Modeling,andTestingX[ C].1994,2224.14
2
21.
[7]
　
ngandsi mulationofIRscenesandsensorsin
theUK
2
cu rrentandfuturecapabilities[A].SPIEProceedings,In2
fraredTechnologyandApplicationsXXII[C].1996 ,2744.591
2
598.
[8]
　
edsensormode lingforimprovingsystemde
2
sign[A].edImaging Systems:Design,
Analysis,Modeling,andTestingVII [C].1996,2743.23
2
34.
包含了系统的所有组成单元
,< br>所以需要建立一个完备
的系统仿真模型
,
包括场景的模拟一直到最终观察效果的仿真
;
(
2
)
　仿真模型应随着不同的应用场合和需要不< br>断完善
,
而且建立的模型与系统的发展紧密联系
,
不
断更新。 先前建立的单个探测器成像系统的仿真模
型
,
在出现了线列探测器后
,
有些模型如噪声模型需
考虑得更为全面
,
进一步完善。在出现了第三代成像
系统后
,
第二代系统的仿真模型也必须根据实际情况
进行修改、完善和更新
;
(
3
)
　目前对信号处理、显示器以及观察者的模
拟多数使用调制传 递函数法
,
考虑的因素比较少
,
需
要深入进行研究
,
进一步完善模型
;
(
4
)
　建立的模型不仅能从理论上准确地描述 物
理现象
,
而且要建立判断模型准确性的标准。把模型
与实际情况进行比较< br>,
证明模型的合理性
;
(
5
)
　仿真系统不仅能仿真 静止图像的效果
,
而
且能仿真动态图像的效果。建立系统的动态模型
,
使
得仿真图像会随着系统性能瞬时的变化
(
如突发的抖
动或随机噪声
)
而改变
;
(
6
)
　系统仿真模型与系统性能模型的有机 结
・
207
・
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