基于NVThermIP模型的紅外成像性能評估

高 勇

（中國航空工業(yè)集團公司洛陽電光設備研究所，河南 洛陽 471000）

0 引言

紅外成像系統(tǒng)廣泛應用于偵察、跟蹤、預警和對抗等領域[1-3]，以約翰遜準則（Johnson準則）為基礎的最小可分辨溫差模型（MRTD模型）是應用最為廣泛的性能評估模型。

Johnson準則僅考慮最高空間頻率，忽略了眼睛對比度閾值的限制，對于焦平面探測器和數(shù)字圖像處理的系統(tǒng)性能不能很好的評估。針對Johnson準則的不足，出現(xiàn)了以目標任務性能準則（TTP 準則）為基礎的NVThermIP目標獲取性能模型。TTP準則優(yōu)于Johnson準則主要表現(xiàn)為3個方面[1，3]。1）采用目標對比度超過人眼CTF空間頻率的加權(quán)積分代替Johnson準則的極限空間頻率。2）采用Barton模型代替只有低通特性的人眼模型。3）采用對成像系統(tǒng)性能具有更好預測性的全新周期準則V50。

該文開展以TTP準則為理論基礎的NVThermIP目標獲取性能模型的建模和仿真實現(xiàn)。

1 NVThermIP模型

NVThermIP模型引入基于新的周期靶板的目標任務準則（TTP準則），紅外成像系統(tǒng)性能評估更加準確可靠。

1.1 NVThermIP基本思想

NVThermIP模型思想是利用系統(tǒng)對比度閾值函數(shù)（CTFsys）代替 MRTD 函數(shù)，采用目標對比度超過人眼CTF的空間頻率加權(quán)積分代替 Johnson 準則中的極限空間頻率。采用具有帶通特性的Barton人眼模型，與實際的人眼視覺特性更加匹配。采用全新的周期準則V50代替N50，進一步完善系統(tǒng)目標獲取性能和視覺感知圖像質(zhì)量的關系[2-4]。圖1為實現(xiàn)性能評價模型的目標傳遞概率函數(shù)的過程[3-5]。

1.2 TTP準則

TTP準則數(shù)學表達式，如公式（1）所示。

式中：Ctgt為目標表現(xiàn)對比度，CTFsys為系統(tǒng)的對比度閾值函數(shù)，ξhigh和ξlow為空間頻率上下限。

目標背景的對比度采用輻射對比度[2]，具體數(shù)學表達式，如公式（2）所示。

圖1 NVThermIP模型性能評估過程

式中：MT、MB分別為目標和背景的輻射出射度，ΔT為目標與背景的溫差，T為背景溫度。距離系統(tǒng)R處的目標表現(xiàn)對比度Ctgt按照表達式，如公式（3）所示。

式中：τ（R）為R距離上的平均大氣透過率，使用Lowtran和MODTRAN等透過率工具軟件計算。

2 系統(tǒng)建模

系統(tǒng)對比度閾值函數(shù)CTFsys為裸眼的對比度閾值函數(shù)CTFeye經(jīng)過紅外成像系統(tǒng)模糊和噪聲疊加退化得到的對比度閾值，考慮人眼視覺的空間頻率特性、探測器噪聲和圖像模糊等。

2.1 系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)

紅外成像系統(tǒng)主要由光學系統(tǒng)、紅外探測器、信號處理電路、監(jiān)視器及觀察者組成。MTF函數(shù)對紅外成像系統(tǒng)建模的是先計算各子系統(tǒng)的MTF，再相乘得到整個系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)MTFsys。

2.1.1 光學系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)

光學系統(tǒng)建模中考慮光學系統(tǒng)的衍射效應和像差，調(diào)制傳遞函數(shù)如公式（4）所示。

式中：MTFop為光學系統(tǒng)MTF，MTFdiff為衍射效應、MTFab為像差。

光學系統(tǒng)的衍射的MTF如公式（5）、公式（6）所示。

式中：fc為空間截止頻率，單位為cycs/mrad，D是有效通光口徑，λ為平均波長，fx、fy為方位和俯仰的空間頻率，單位為cycs/mrad。

光學像差的傳遞函數(shù)如公式（7）所示。

式中：σ為像差引起的彌散斑標準差，單位為mm。fx、fy為方位和俯仰的空間頻率，單位為cycs/mrad。

2.1.2 探測器的調(diào)制傳遞函數(shù)

面積為a×b，瞬時視場為α×β的面陣探測器的空間調(diào)制傳遞函數(shù)如公式（8）所示。

時間濾波效應等效為一個低通濾波器，調(diào)制傳遞函數(shù)如公式（9）所示。

式中：f為空間頻率，f0為3 dB頻率，τd為積分時間，單位為μs。fx、fy為方位和俯仰的空間頻率，單位為cycs/mrad。

因此，探測器的調(diào)制傳遞函數(shù)如公式（10）所示。

2.1.3 信號處理電路的調(diào)制傳遞函數(shù)

紅外信號處理電路的傳遞函數(shù)如公式（11）所示。

低通濾波器的空間頻率域傳遞函數(shù)數(shù)學表達式如公式（12）所示。

式中：f為空間頻率，f0為3 dB頻率。

高通濾波器的空間頻率域傳遞函數(shù)數(shù)學表達式如公式（13）所示。

式中：f為空間頻率，f0為3 dB頻率。

光電轉(zhuǎn)換電路存在轉(zhuǎn)換衰減和時間延遲，傳遞函數(shù)表達式如公式（14）所示。

式中：N為數(shù)據(jù)位數(shù)，η為轉(zhuǎn)換效率，ft為轉(zhuǎn)換時間，fclk為時鐘頻率。

2.1.4 顯示器的調(diào)制傳遞函數(shù)

平板液晶顯示器等效為N×M的平面矩陣，數(shù)學表達式如公式（15）所示。

式中：N為顯示器像素行數(shù)，M為顯示器像素列數(shù)，fx、fy為水平和垂直方向的空間頻率，F(xiàn)OVx、FOVy為水平和垂直方向的光學視場。

綜上所述，系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)，如公式（16）所示。

2.2 人眼視覺建模

人眼視覺系統(tǒng)是一個多信道模型，具有多頻信道分解特性，Barton提出一種人眼帶通濾波器模型[1-5]。

2.2.1 Barton人眼視覺模型

Barton人眼模型的數(shù)學表達式，如公式（17）所示。

式中：f0為柵格的空間頻率。

2.2.2 人眼對比度閾值函數(shù)

人眼對比度閾值函數(shù)采用的是 Eddie Jacobs和 Richard H.Vollmerhausen 提出的CTFeye數(shù)據(jù)采集的方法[3]，即采集數(shù)據(jù)來自強迫性二者擇其一（2AFC，Two-Alternative Forced Choice）的實驗，數(shù)學表達式如公式（18）所示。

式中：f為空間頻率，a、b、c取值分別如公式（19）、公式（20）、公式（21）所示。

式中：L為顯示器的亮度，單位為cd/m2，θ為表現(xiàn)目標角，數(shù)學表達式，如公式（22）所示。

式中：At為目標面積，M為系統(tǒng)放大倍數(shù)，R為目標與傳感器之間的距離。

2.3 系統(tǒng)對比度閾值函數(shù)

系統(tǒng)的對比度閾值函數(shù)CTFsys是裸眼的對比度閾值函數(shù)CTFeye被系統(tǒng)模糊和噪聲疊加退化得到的， Richard H.Vollmerhausen 和 Eddie Jacobs 推導了噪聲對系統(tǒng)對比度閾值的影響，其模型表達式如公式（23）所示[3-6]。

式中：σ為顯示的均方根噪聲，ne為顯示的人眼均方根噪聲，根據(jù)Weber定律，假設人眼噪聲與顯示亮度L成正比，則上式可表示為公式（24）。

式中：α是關于噪聲對亮度的校正因子。

綜上，系統(tǒng)對比度閾值函數(shù)如公式（25）所示。

3 仿真實現(xiàn)

系統(tǒng)仿真通過Matlab軟件實現(xiàn)，有3個計算步驟[3]。1）分別計算各個組成部分的MTF，然后計算出系統(tǒng)MTF。2）由目標對比度Ctgt和系統(tǒng)對比度閾值函數(shù)（CTFsys（ξ））計算系統(tǒng)起始和截止頻率，并利用TTP準則計算TTP值。3）利用給定的面積（Atgt）和識別距離（R），結(jié)合步驟2計算的TTP值，計算目標任務周期數(shù)V[4]，如公式（26）所示。

最后，將目標任務周期數(shù)V代入TTP準則的目標傳遞概率函數(shù)，計算目標任務的完成概率[3，6]，如公式（27）、公式（28）所示。

圖2 仿真結(jié)果圖

式中：V50指在50%概率下完成任務所需的目標周期數(shù)，由具體探測、識別和確認的任務決定。為了對比Johnson 準則的N50值，通過人眼視覺測試試驗，得到不同任務的目標識別周期數(shù)，可近似得到如下關系[3，6]，如公式（29）所示。

仿真計算選取系統(tǒng)的參數(shù)見表1，將目標尺寸設定為12.8 m×4.2 m，對比度為0.3。探測、識別、辨認選擇V50分別為6.4、12.96、21.6，TTP值為20.52，仿真計算結(jié)果如圖2所示。

表1 仿真計算選取系統(tǒng)

紅外成像系統(tǒng)的探測、識別、辨認50%概率的距離分別為25.94 km、11.55 km、6.93 km。系統(tǒng)設計時可以調(diào)整參數(shù)進行設計迭代，計算結(jié)果可以指導系統(tǒng)設計優(yōu)化和改進。

4 結(jié)語

該文介紹的NVThermIP 模型可以替代當前的MRTD模型，適用于紅外成像系統(tǒng)性能評估預測、設計分析和優(yōu)化改進等。