強(qiáng)光輻射源干擾紅外成像特征量化模型與分析

郭冰濤,王曉蕊,荊衛(wèi)國,王小兵,黃曉敏

(1.西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,陜西西安 710071; 2.中國人民解放軍63870部隊(duì),陜西華陰 714200)

假設(shè)

,強(qiáng)光干擾源干擾后的系統(tǒng)增益調(diào)整為

強(qiáng)光輻射源干擾紅外成像特征量化模型與分析

郭冰濤1,王曉蕊1,荊衛(wèi)國2,王小兵2,黃曉敏1

(1.西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,陜西西安 710071; 2.中國人民解放軍63870部隊(duì),陜西華陰 714200)

針對干擾戰(zhàn)場紅外成像質(zhì)量的強(qiáng)光輻射源(戰(zhàn)場火光),筆者基于紅外成像信號轉(zhuǎn)換機(jī)理,充分考慮信號響應(yīng)特性、動態(tài)范圍、自動增益和灰度量化,建立了強(qiáng)光輻射源作用的紅外成像系統(tǒng)響應(yīng)特性定量化模型.并以該模型為基礎(chǔ),結(jié)合實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的紅外場景仿真平臺,模擬了典型強(qiáng)光光源干擾下的紅外系統(tǒng)輸出圖像,定量分析強(qiáng)光光源亮度變化與紅外圖像對比度及偵察性能的關(guān)系.該研究結(jié)果將為戰(zhàn)場環(huán)境中紅外成像系統(tǒng)抗干擾能力防護(hù)提供理論依據(jù)和支持.

自動增益;系統(tǒng)響應(yīng)特性;成像對比度;信號響應(yīng)特性;動態(tài)范圍

目前,軍用紅外成像系統(tǒng)為提高對軍事目標(biāo)的偵察和感知,通常對目標(biāo)與背景差異電壓信號進(jìn)行灰度量化顯示,采用自動增益改變系統(tǒng)動態(tài)范圍[1]能夠顯示目標(biāo)背景微小差異,增強(qiáng)顯示圖像對比度,但這也將導(dǎo)致成像系統(tǒng)對強(qiáng)光干擾源的適應(yīng)性變差.為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境中紅外成像系統(tǒng)抗強(qiáng)光干擾能力防護(hù),開展強(qiáng)光輻射源干擾紅外成像特征量化模型與性能分析將具有重要的理論意義和應(yīng)用價值.

從國內(nèi)外公開的文獻(xiàn)來看,目前對強(qiáng)光輻射源干擾特性的研究,主要是從強(qiáng)光輻射源自身的輻射特性出發(fā),一方面,通過分析強(qiáng)光輻射源對場景中多個輻射源能量質(zhì)心的影響研究強(qiáng)光輻射源對目標(biāo)跟蹤等方面的干擾特性[2-3];另一方面,通過對比強(qiáng)光輻射源與目標(biāo)輻射光譜特性的一致性研究強(qiáng)光輻射源對目標(biāo)檢測識別等方面的干擾特性[4-6].在這些文獻(xiàn)中,都沒有從成像轉(zhuǎn)換機(jī)理角度定量分析強(qiáng)光輻射源對紅外系統(tǒng)成像的干擾作用.

針對以上問題,筆者首先從紅外成像信號轉(zhuǎn)換機(jī)理出發(fā),充分考慮信號響應(yīng)特性、動態(tài)范圍、自動增益和灰度量化,建立了強(qiáng)光輻射源作用的紅外成像系統(tǒng)響應(yīng)特性定量化模型;然后在上述模型基礎(chǔ)上,結(jié)合實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的紅外場景仿真平臺,模擬了典型強(qiáng)光光源干擾下的紅外系統(tǒng)輸出圖像;最后,利用輸出圖像定量分析強(qiáng)光光源對紅外圖像對比度及偵察性能的影響.

1 強(qiáng)光輻射源干擾紅外系統(tǒng)成像機(jī)理

1.1 紅外成像系統(tǒng)信號響應(yīng)度函數(shù)

為研究強(qiáng)光輻射源干擾紅外系統(tǒng)成像機(jī)理,從光電信號轉(zhuǎn)換角度出發(fā)分析系統(tǒng)的成像原理,其中光電信號轉(zhuǎn)換原理可以利用信號響應(yīng)度函數(shù)描述.信號響應(yīng)度函數(shù)表示的是在目標(biāo)尺寸固定、強(qiáng)度可變的情況下輸入(目標(biāo)輻射能量)與輸出(圖像灰度)的變換關(guān)系,它充分考慮了系統(tǒng)的信號響應(yīng)特性、動態(tài)范圍、自動增益和灰度量化.

依據(jù)光電信號轉(zhuǎn)換關(guān)系,溫度為T的目標(biāo)在探測器焦平面陣列上產(chǎn)生的響應(yīng)信號經(jīng)過系統(tǒng)增益放大后可表示為

其中,Gs表示探測元響應(yīng)信號的系統(tǒng)增益;R(λ)表示探測元的響應(yīng)度;λ1和λ2表示探測元響應(yīng)光譜范圍; A表示探測元的幾何光敏面積;E(λ,T)表示成像系統(tǒng)接收到目標(biāo)的輻射照度,其表達(dá)式[7]為

其中,L(λ,T)表示目標(biāo)在波長λ處的光譜輻亮度;τo(λ)表示光學(xué)系統(tǒng)的光譜透過率;τa(λ)表示目標(biāo)與成像系統(tǒng)之間大氣的光譜透過率;F表示光學(xué)系統(tǒng)的f數(shù).

依據(jù)紅外成像系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)進(jìn)行灰度量化.假設(shè)A/D轉(zhuǎn)換器為8位,變換的電壓信號范圍為Vm～VM,則目標(biāo)成像灰度級可表示為

圖1 典型的信號響應(yīng)度函數(shù)曲線

考慮噪聲和飽和度對系統(tǒng)成像的影響,典型的信號響應(yīng)度函數(shù)曲線呈“S”形,如圖1所示.其中Em和EM分別表示探測元剛好飽和和信噪比為1時探測器光敏元接收的輻照度(下文中簡稱為最高輻照度和最低輻照度),分別對應(yīng)系統(tǒng)灰度量化最大值GrM和最小值Grm.

1.2 強(qiáng)光輻射源作用紅外系統(tǒng)成像機(jī)理分析

結(jié)合信號響應(yīng)度函數(shù)進(jìn)一步分析強(qiáng)光輻射源作用紅外系統(tǒng)成像機(jī)理.假設(shè)系統(tǒng)接收的最高輻照度和最低輻照度分別為EM和Em,分別對應(yīng)系統(tǒng)灰度量化最大值GrM和最小值Grm.此時,系統(tǒng)信號響應(yīng)度函數(shù)動態(tài)范圍的斜率可表示為

假設(shè)系統(tǒng)接收到目標(biāo)的輻照度為Et,則目標(biāo)產(chǎn)生的灰度可表示為

強(qiáng)光輻射源的存在增加了紅外系統(tǒng)的動態(tài)范圍,導(dǎo)致系統(tǒng)的自動增益發(fā)生變化,系統(tǒng)接收的最高輻照度E′M增大(E′M＞EM).此時,系統(tǒng)接收的最低輻照度和灰度量化范圍分別與系統(tǒng)的基底噪聲和A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)有關(guān)且都保持不變,系統(tǒng)動態(tài)范圍的斜率k′可表示為

由E′M＞EM可知,Δk=k′-k＜0,即強(qiáng)光輻射源作用導(dǎo)致系統(tǒng)動態(tài)范圍的斜率減小.

強(qiáng)光輻射源作用紅外系統(tǒng)時,系統(tǒng)接收目標(biāo)的輻照度不變,目標(biāo)成像灰度G′rt可表示為

結(jié)合式(5)和式(7)可知,強(qiáng)光輻射源作用紅外系統(tǒng)引起的目標(biāo)成像灰度變化為

由上述定量分析過程可知,當(dāng)成像系統(tǒng)受到強(qiáng)光輻射源作用時,系統(tǒng)的動態(tài)范圍變寬,自動增益降低,信號響應(yīng)度函數(shù)動態(tài)范圍斜率減小(如圖2所示),使原場景輻射轉(zhuǎn)換的電壓信號被較少灰度級層次量化,原圖像變暗.圖2中El表示系統(tǒng)接收到強(qiáng)光輻射源的輻照度,實(shí)曲線表示強(qiáng)光輻射源作用前系統(tǒng)的信號響應(yīng)度函數(shù)曲線,虛曲線表示強(qiáng)光輻射源作用時系統(tǒng)的信號響應(yīng)度函數(shù)曲線.

圖2 強(qiáng)光輻射源輻照時系統(tǒng)信號響應(yīng)度函數(shù)曲線

2 強(qiáng)光輻射源作用紅外系統(tǒng)成像響應(yīng)特性量化表征

由強(qiáng)光輻射源作用紅外成像機(jī)理可知,強(qiáng)光輻射源干擾紅外成像特征的變化不僅取決于探測像元的信號響應(yīng)特性,還與紅外成像動態(tài)范圍和自動增益模式密切相關(guān).為實(shí)現(xiàn)干擾后紅外圖像特征的定量化描述,有必要綜合考慮上述因素確立強(qiáng)光輻射源亮度與圖像灰度的量化關(guān)系模型.

為實(shí)現(xiàn)該模型構(gòu)建,首先假設(shè)某典型場景的最大輻射亮度為LM,最小輻射亮度為Lm,某場景局部區(qū)域?yàn)長,強(qiáng)光輻射源亮度為Lin,最大灰度量化電壓為VM,最小灰度量化電壓為Vm,系統(tǒng)存在9個擋位自動增益(G1,G2,G3,G4,G5,G6,G7,G8,G9).依據(jù)系統(tǒng)信號響應(yīng)傳遞函數(shù)可知,無強(qiáng)光干擾時紅外成像轉(zhuǎn)換電壓灰度值可表示為

當(dāng)強(qiáng)光輻射源出現(xiàn)在視場內(nèi)時,整個視場內(nèi)觀測場景輻射的電壓轉(zhuǎn)換增益發(fā)生變化,以滿足對場景高動態(tài)范圍顯示.然而,考慮到A/D灰度量化電壓為恒定值,這時增益擋位自動進(jìn)行調(diào)整.其調(diào)整的幅度與強(qiáng)光輻射源對紅外像面貢獻(xiàn)的照度值密切相關(guān),可表示為或者根據(jù)m確定增益所在的擋位區(qū)間,那么,此時場景不同像素轉(zhuǎn)換的圖像電壓變?yōu)?/p>

假設(shè)

,強(qiáng)光干擾源干擾后的系統(tǒng)增益調(diào)整為

以上述理論為基礎(chǔ),在實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的紅外仿真平臺上實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)光輻射源對系統(tǒng)成像對比度影響的計(jì)算和仿真,具體仿真過程可分為以下3個過程:

(1)計(jì)算強(qiáng)光輻射源產(chǎn)生的電壓信號.由上述理論分析可知,強(qiáng)光輻射源產(chǎn)生的電壓信號直接影響成像系統(tǒng)的自動增益倍數(shù),因此,在仿真過程中首先需要計(jì)算強(qiáng)光輻射源產(chǎn)生的電壓信號.在圖像渲染的每一幀,依據(jù)普朗克公式及式(10)計(jì)算出強(qiáng)光輻射源產(chǎn)生的電壓信號Vl.

(2)系統(tǒng)自動增益擋位.根據(jù)強(qiáng)光輻射源產(chǎn)生的電壓信號及上述系統(tǒng)自動增益擋位調(diào)整方式,計(jì)算強(qiáng)光輻射源作用系統(tǒng)的自動增益所在擋位區(qū)間

判斷Gp所在增益區(qū)間:如果Gi+1＜Gp＜Gi,此時系統(tǒng)自動增益處于第i+1擋位.

(3)紅外輸出圖像.根據(jù)以上兩步計(jì)算出的自動增益倍數(shù),結(jié)合式(9)計(jì)算每個探測元成像轉(zhuǎn)換電壓灰度值,即紅外輸出圖像.

3 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

根據(jù)上述強(qiáng)光輻射源亮度與圖像灰度的量化關(guān)系模型,筆者模擬了強(qiáng)光輻射源干擾下某型號紅外成像系統(tǒng)的輸出圖像.系統(tǒng)參數(shù)如下:響應(yīng)波段范圍3～5μm,探測元響應(yīng)度R為4×106V/W,探測元幾何光敏面積A為25μm×25μm,光學(xué)系統(tǒng)的f數(shù)F為3,光學(xué)系統(tǒng)的光譜透過率τo為0.9,系統(tǒng)自動增益擋位對應(yīng)增益系數(shù)如表1所示.

表1 紅外成像系統(tǒng)自動增益擋位對應(yīng)的自動增益系數(shù)值

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)

仿真實(shí)驗(yàn)建立在實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的紅外仿真平臺之上,設(shè)置目標(biāo)位置(0,0,0),紅外系統(tǒng)位置(50,17,10),輸出圖像如圖3(a)所示.設(shè)置強(qiáng)光輻射源(黑體)位置(0,0,30),實(shí)驗(yàn)過程中強(qiáng)光輻射源、目標(biāo)及紅外系統(tǒng)位置不變,逐漸升高強(qiáng)光輻射源溫度(初始溫度60℃,最高溫度160℃),每隔10℃進(jìn)行一次圖像采集,結(jié)果如圖3(b)～(l)所示.

圖3 不同強(qiáng)光輻射源干擾下系統(tǒng)成像結(jié)果

從圖像輸出結(jié)果可以看出,隨著強(qiáng)光輻射源溫度升高(即能量增大),系統(tǒng)自動增益擋位逐漸降低,輸出圖像中目標(biāo)及其背景的亮度和對比度下降,而且強(qiáng)光輻射源能量越大,亮度和對比度降低越明顯.由此可以合理推斷,在戰(zhàn)場環(huán)境中,紅外成像系統(tǒng)受到強(qiáng)光輻射源(如戰(zhàn)場火光)作用會導(dǎo)致系統(tǒng)無法對目標(biāo)進(jìn)行正常成像.

3.2 偵察性能分析

為了進(jìn)一步研究強(qiáng)光輻射源對系統(tǒng)偵察性能的影響,筆者利用上述模擬結(jié)果分析了不同溫度強(qiáng)光輻射源干擾成像系統(tǒng)的最大探測距離.實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,當(dāng)相鄰兩塊區(qū)域灰度相差8時,人眼難以區(qū)分甚至無法區(qū)別[7],因此,文中假設(shè)目標(biāo)與其背景平均成像灰度差小于8時,目標(biāo)與成像系統(tǒng)之間的距離(強(qiáng)光輻射源與系統(tǒng)間距離不變)為系統(tǒng)的最大探測距離.結(jié)果如圖4所示.

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,隨著強(qiáng)光輻射源能量增大,系統(tǒng)的最大探測距離減小.當(dāng)強(qiáng)光輻射源達(dá)到140℃時,系統(tǒng)的最大探測距離已經(jīng)遠(yuǎn)小于強(qiáng)光輻射源作用前系統(tǒng)的最大探測距離.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用自動增益顯示目標(biāo)背景微觀差異,將導(dǎo)致系統(tǒng)無法適應(yīng)大動態(tài)范圍的復(fù)雜環(huán)境,成像系統(tǒng)對強(qiáng)光干擾源的適應(yīng)性變差;在戰(zhàn)場環(huán)境中,紅外成像系統(tǒng)受到強(qiáng)光輻射源作用會導(dǎo)致系統(tǒng)的探測偵察能力下降.

圖4 不同強(qiáng)光輻射源干擾成像系統(tǒng)的探測距離

4 結(jié)束語

筆者首先根據(jù)紅外成像系統(tǒng)的圖像生成原理,利用系統(tǒng)的信號響應(yīng)度函數(shù)分析了強(qiáng)光輻射源輻照時系統(tǒng)的響應(yīng)特性、動態(tài)范圍、自動增益和灰度量化的變化規(guī)律;然后綜合考慮上述因素建立了強(qiáng)光輻射源亮度與圖像灰度的量化關(guān)系模型;最后基于實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的紅外仿真平臺模擬了強(qiáng)光輻射源干擾下某型號紅外成像系統(tǒng)的輸出圖像,并利用輸出結(jié)果定量分析了強(qiáng)光輻射源對系統(tǒng)偵察性能的影響.模擬結(jié)果顯示了在不同能量強(qiáng)光輻射源作用成像系統(tǒng)時,系統(tǒng)成像亮度和對比度的變化規(guī)律.偵察性能分析結(jié)果表明,隨著強(qiáng)光輻射源能量增大,系統(tǒng)的最大探測距離減小.因此,在實(shí)際戰(zhàn)場環(huán)境中,利用帶有自動增益控制的紅外成像系統(tǒng)做偵察或跟蹤工作時,應(yīng)盡量避免強(qiáng)光輻射源對系統(tǒng)的直接輻照,以免強(qiáng)光輻射源輻照引起的成像質(zhì)量和系統(tǒng)探測偵察能力的下降.同時,筆者的工作為接下來“如何提高戰(zhàn)場環(huán)境中紅外成像系統(tǒng)抗干擾能力防護(hù)”的研究提供實(shí)驗(yàn)平臺和理論依據(jù).

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(編輯:李恩科)

Feature quantitative model and performance analysis of infrared imaging under strong radiation source disturbance

GUO Bingtao1,WANG Xiaorui1,JIN Weiguo2,WANG Xiaobing2,HUANG Xiaomin1
(1.School of Physics and Optoelectronic Engineering,Xidian Univ.,Xi’an 710071,China; 2.No.63870 Unit of PLA,Huayin 714200,China)

The strong radiation source(such as battlefield fire)has become an important factor affecting the infrared imaging quality.First,a feature quantitative model of infrared imaging under strong radiation source disturbance is built based on the imaging signal conversion mechanism and by simultaneously considering the signal response characteristic,dynamic range,automatic gain characteristic(AGC)and gray level quantization and display.Then,a simulation of the output image of the infrared imaging system is performed on the basis of the model mentioned above and the simulation platform developed in our laboratory.Finally,a quantitative analysis of the relationship between the energy of the strong radiation source and the brightness(contrast)of the system’s output image is made.The results will be used for providing a theoretical basis and technical support for the research on the infrared imaging system antiinterference ability protection in the battled environment.

automatic gain characteristic;signal response characteristic;imaging contrast;signal response characteristic;dynamic range

TN972

A

1001-2400(2014)01-0064-05

10.3969/j.issn.1001-2400.2014.01.012

2012-09-24 < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間:

時間:2013-09-16

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61007014);航空科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2010181004)

郭冰濤(1988-),男,西安電子科技大學(xué)博士研究生,E-mail:gbtedu@sina.com.

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20130916.0926.201401.81_008.html