基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的凝視紅外系統(tǒng)重構(gòu)方法

徐振亞，祁 鳴，李麗娟,2

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基于實(shí)測(cè)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(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng) 471099；2.航空制導(dǎo)武器航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471099）

為充分評(píng)估基于凝視紅外成像體制精確制導(dǎo)武器的性能，利用高可信度的數(shù)字建模仿真成為國(guó)內(nèi)外普遍關(guān)注的重要途徑。鑒于產(chǎn)品研制過(guò)程中能夠獲取大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，從采樣、信號(hào)傳遞、噪聲以及空間傳遞等理論出發(fā)，結(jié)合典型紅外場(chǎng)景仿真平臺(tái)中理想傳感器的設(shè)計(jì)，完成了基于實(shí)測(cè)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(jì)算機(jī)模擬圖像進(jìn)行了重構(gòu)效果的精度驗(yàn)證分析。最后通過(guò)靈敏度閾值開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)驗(yàn)證試驗(yàn)，從綜合性能評(píng)估實(shí)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(dǎo)武器的實(shí)戰(zhàn)化評(píng)估應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

凝視紅外；數(shù)字重構(gòu)；實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；性能評(píng)估

0 引言

由于采用了大規(guī)模探測(cè)單元和凝視工作方式，能夠連續(xù)累積目標(biāo)輻射能量，凝視紅外成像制導(dǎo)技術(shù)具有高分辨率、高靈敏度、高信息更新率的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)替代單元、多元探測(cè)方式，成為國(guó)內(nèi)外紅外型空空導(dǎo)彈的普遍體制[1]。與第一代成像系統(tǒng)探測(cè)器不同，凝視成像探測(cè)器的輸出噪聲在圖像水平方向和垂直方向都具有獨(dú)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(píng)估紅外系統(tǒng)探測(cè)極限時(shí)，如何依據(jù)實(shí)際產(chǎn)品參數(shù)，建立準(zhǔn)確、完善的系統(tǒng)噪聲模型，不僅是開(kāi)展系統(tǒng)探測(cè)性能評(píng)估的基礎(chǔ)[3-5]，同時(shí)也能促進(jìn)系統(tǒng)噪聲抑制措施的制定和實(shí)施，如系統(tǒng)非均勻性校正、盲元的檢測(cè)及替換等。

此外，隱身、對(duì)抗等技術(shù)的迅猛發(fā)展使得紅外型空空導(dǎo)彈的作戰(zhàn)環(huán)境更加復(fù)雜，進(jìn)而使復(fù)雜背景下弱小目標(biāo)檢測(cè)問(wèn)題成為一個(gè)熱點(diǎn)課題[6]。目前已經(jīng)有針對(duì)不同場(chǎng)景的眾多算法[7]，不僅可以應(yīng)用目標(biāo)軌跡、方向以及位置等先驗(yàn)信息，同時(shí)還可以通過(guò)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(jiǎn)單指標(biāo)不能反映產(chǎn)品的真實(shí)性能。

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

1 場(chǎng)景投影及采樣特性

根據(jù)采樣定理，為了有效評(píng)價(jià)凝視成像系統(tǒng)的各種物理效應(yīng)，輸入的場(chǎng)景分辨率至少為探測(cè)器陣列的16倍，即假設(shè)探測(cè)器陣列像元數(shù)目為×，則輸入場(chǎng)景的像素?cái)?shù)目至少為4×4，此時(shí)，輸入場(chǎng)景相對(duì)于探測(cè)器陣列才能近似認(rèn)為連續(xù)[8]?？紤]到在現(xiàn)有的場(chǎng)景仿真軟件中，已經(jīng)完成對(duì)場(chǎng)景的高細(xì)粒度建模仿真，在稍遠(yuǎn)距離觀測(cè)時(shí)，觀測(cè)場(chǎng)景就能滿足連續(xù)的條件，同時(shí)常見(jiàn)的場(chǎng)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(jìn)行系統(tǒng)的空間采樣特性建模時(shí)，可以按照以下方法進(jìn)行：

1）在場(chǎng)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(biāo)準(zhǔn)測(cè)試彈道生成測(cè)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(chǎng)景建模軟件，生成滿足16倍分辨率的通用測(cè)試數(shù)據(jù)包，經(jīng)過(guò)變換后生成與系統(tǒng)參數(shù)相對(duì)應(yīng)的測(cè)試場(chǎng)景圖像。

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

2 信號(hào)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(duì)接收到的場(chǎng)景投影信息響應(yīng)時(shí)，不僅包括其對(duì)接收輻射的電信號(hào)變換，同時(shí)也包括附加在信號(hào)上的噪聲特性。在系統(tǒng)噪聲模型建模方面，Eddie Jacobs等人[9]對(duì)噪聲參數(shù)逆推（noise parameter inversion，NPI）、功率譜匹配（power spectrum matching，PSM）和針對(duì)實(shí)際噪聲估計(jì)的物理噪聲模型（physical noise model，PNM）3種系統(tǒng)噪聲模擬方法進(jìn)行了對(duì)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(duì)比結(jié)果。

分析圖1和圖2可知：雖然NPI和PSM兩種基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)方法在噪聲統(tǒng)計(jì)量水平上的表現(xiàn)與實(shí)際測(cè)試值相當(dāng)，但是從重構(gòu)的噪聲紋理來(lái)講，兩種方法與實(shí)際數(shù)據(jù)還存在較大的差異。

圖1 實(shí)測(cè)及仿真噪聲圖像從a)到d)：實(shí)際測(cè)試，噪聲估計(jì)，功率譜匹配，噪聲參數(shù)逆推

圖2 實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)噪聲圖像疊加思路，同時(shí)考慮到對(duì)于單元探測(cè)系統(tǒng)而言，僅存在功率譜接近白噪聲的時(shí)間噪聲，且焦平面陣列的串?dāng)_特性可以測(cè)量，因此，這里以單元響應(yīng)特性作為系統(tǒng)信號(hào)傳遞特性模型和噪聲特性模型基礎(chǔ)?；痉椒傲鞒倘缦拢?/p>

1）使用均勻性較好的標(biāo)準(zhǔn)面源黑體作為目標(biāo)源，采集探測(cè)系統(tǒng)全動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的系統(tǒng)響應(yīng)數(shù)據(jù)。

2）獲取探測(cè)系統(tǒng)各個(gè)像元在不同溫度點(diǎn)上的響應(yīng)灰度均值及時(shí)域噪聲；并作為產(chǎn)品響應(yīng)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(duì)不同系統(tǒng)響應(yīng)過(guò)程中的擬仿真溫度點(diǎn)進(jìn)行插值，各像元的噪聲按照白噪聲進(jìn)行添加。

4）利用三維噪聲模型對(duì)現(xiàn)有測(cè)試數(shù)據(jù)以及仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲分析，說(shuō)明建模的合理性。

表1為在定標(biāo)點(diǎn)和非定標(biāo)點(diǎn)處，針對(duì)高精度面源黑體的實(shí)測(cè)及仿真圖像，相應(yīng)圖像的灰度人為映射到相同的灰度級(jí)。

表1 系統(tǒng)響應(yīng)重構(gòu)精度評(píng)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(jìn)行了拆分，仿真產(chǎn)生的圖像在圖像紋理上具有與測(cè)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(duì)比上述兩圖像序列的噪聲統(tǒng)計(jì)特性，所得結(jié)果如表2、表3所示，表中數(shù)值為直接對(duì)圖像灰度直接計(jì)算的結(jié)果。

表2 系統(tǒng)定標(biāo)溫度點(diǎn)處三維噪聲對(duì)比

表3 系統(tǒng)非定標(biāo)溫度點(diǎn)處三維噪聲對(duì)比

從表2、表3中主要噪聲分量絕對(duì)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(biāo)溫度點(diǎn)）和0.0019%（定標(biāo)溫度點(diǎn)），系統(tǒng)響應(yīng)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(xué)系統(tǒng)的像差、衍射，探測(cè)器的空間和時(shí)間濾波效應(yīng)，信號(hào)處理電路的線性濾波效應(yīng)等。從國(guó)內(nèi)外公開(kāi)資料來(lái)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(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF）法和基于圖像像素處理法。由于基于實(shí)際測(cè)試獲取的數(shù)據(jù)包含了系統(tǒng)正常狀態(tài)下所有效應(yīng)的共同影響，如位標(biāo)器的振動(dòng)、光學(xué)系統(tǒng)的衍射等。同時(shí)，基于圖像的MTF的光電系統(tǒng)模糊效應(yīng)仿真與光學(xué)傳遞函數(shù)的定義直接相對(duì)應(yīng)，在原理上沒(méi)有任何誤差。因此，考慮到本項(xiàng)目需求，通過(guò)實(shí)測(cè)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(jìn)行卷積運(yùn)算的方法，可以作為實(shí)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(cè)試方法[11-12]可以分為3類，即：點(diǎn)光源法、線光源法、刃邊法；這里通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)的調(diào)研學(xué)習(xí)，從MTF測(cè)試精度及實(shí)驗(yàn)復(fù)雜程度的對(duì)比，確定在利用MTF進(jìn)行系統(tǒng)空間傳遞特性的數(shù)字重構(gòu)中，采用容易實(shí)現(xiàn)的傾斜刃邊法進(jìn)行，基本流程如圖3[11]所示。

為避免實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中系統(tǒng)MTF真值未知的影響，這里對(duì)基于傾斜刃邊法的系統(tǒng)MTF測(cè)試效果進(jìn)行驗(yàn)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(guò)確定的PSF對(duì)理想靶標(biāo)圖像進(jìn)行模糊處理，并添加隨機(jī)噪聲代替探測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試圖像，進(jìn)行系統(tǒng)MTF的測(cè)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(duì)稱性，對(duì)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(duì)比結(jié)果，度量單位仍是系統(tǒng)響應(yīng)灰度。

表4 PSF重構(gòu)精度評(píng)估

表4中的對(duì)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(duì)誤差均值約為1.16%，相對(duì)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(yàn)證

考慮到實(shí)際外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中，目標(biāo)、背景以及大氣等因素均會(huì)給系統(tǒng)的作用距離引入不確定因素，使本項(xiàng)目中基于實(shí)測(cè)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(méi)在驗(yàn)證系統(tǒng)的誤差當(dāng)中。因此，針對(duì)計(jì)算工具的評(píng)估精度驗(yàn)證，可以通過(guò)如圖5所示的系統(tǒng)靈敏閾評(píng)估設(shè)備具體開(kāi)展?；静襟E如下：

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

圖5 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)示意圖

2）利用測(cè)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(dāng)前型號(hào)測(cè)試規(guī)范，生成系統(tǒng)對(duì)點(diǎn)源目標(biāo)測(cè)試圖像序列，如圖6所示；并利用相應(yīng)算法計(jì)算紅外系統(tǒng)的檢測(cè)特性曲線，確定本項(xiàng)目計(jì)算出的系統(tǒng)閾值水平。

圖6 不同場(chǎng)景下的仿真結(jié)果

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

考慮到測(cè)試使用的平行光管視場(chǎng)僅有樣機(jī)視場(chǎng)的2/3，相對(duì)視場(chǎng)較大的測(cè)試樣機(jī)接收的背景輻射除來(lái)自靶盤(pán)反射外，還有平行光管的管壁，進(jìn)而導(dǎo)致實(shí)際測(cè)試時(shí)，即使采取輻射相近的背景黑體的控制策略，測(cè)試產(chǎn)品所觀測(cè)到的背景復(fù)雜程度也會(huì)因?yàn)榘斜P(pán)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(shí)所設(shè)定的絕對(duì)均勻背景。因此，仍可以認(rèn)為：本文基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的凝視紅外成像系統(tǒng)探測(cè)性能評(píng)估工具基本滿足項(xiàng)目預(yù)期，能夠利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)完成系統(tǒng)的數(shù)字重構(gòu)，計(jì)算結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確度。

5 結(jié)論

針對(duì)凝視紅外成像的探測(cè)性能評(píng)估應(yīng)用需求，通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的深度挖掘，建立了當(dāng)前普遍應(yīng)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(guò)紅外場(chǎng)景仿真平臺(tái)、成像體制信息處理算法等領(lǐng)域的研究成果的應(yīng)用，為復(fù)雜環(huán)境下紅外型空空導(dǎo)彈的戰(zhàn)術(shù)應(yīng)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(yīng)用提供參考。

此外，相關(guān)研究成果也可以通過(guò)利用通用設(shè)備以及較為豐富的高性能計(jì)算資源完成性能評(píng)估，降低多項(xiàng)目對(duì)高性能動(dòng)態(tài)場(chǎng)景目標(biāo)模擬器等實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵設(shè)備的應(yīng)用沖突；同時(shí)，可以直接利用紅外場(chǎng)景建模仿真結(jié)果，使擴(kuò)大系統(tǒng)測(cè)試范圍成為可能，具有較大的應(yīng)用價(jià)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(biāo)與環(huán)境特性、紅外探測(cè)系統(tǒng)性能評(píng)估等。E-mail：xzy17342@163.com。