CN103424191A - 点源目标红外成像的探测距离估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了点源目标红外成像的探测距离估计方法，主要解决了现有技术中点源目标探测距离估算误差过大的问题。本发明的具体步骤是：1.查询系统参数；2.获取点扩散函数模板；3.获得可见度因子；4.测量温度；5.计算辐射亮度差；6.选取预设距离；7.获得大气衰减系数；8.计算探测信噪比；9.判断探测信噪比是否等于检测信噪比；10.判断探测信噪比是否大于检测信噪比；11.获得探测距离。本发明可以实现点源目标探测信噪比的精确估计，进而可以完成探测距离精确估计，该方法可广泛用于红外成像探测与评估领域。

Description

点源目标红外成像的探测距离估计方法

技术领域

本发明属于电子技术领域，更进一步涉及红外成像技术领域中的点源目标红外成像的探测距离估计方法。本发明可广泛用于红外成像探测与评估领域，实现点源目标探测信噪比的精确估计，进而可以完成探测距离精确估计。

背景技术

红外成像探测技术在军事应用中扮演着重要的角色，红外导引、空间目标搜索侦查、弹道导弹预警等重大的军事活动都离不开红外成像探测技术。红外成像系统的探测距离是系统设计和评价的重要指标。

西安电子科技大学提出的专利申请“基于双波段红外辐射的目标距离估计方法”（申请号：201210376313.8，公开号102889931A）中公开了一种目标距离的估计方法。该方法是利用红外双波段探测目标与背景温差，结合先验数据及数据拟合的方式得到计算参数，再根据这些目标参数估计目标距离。该方法虽然具有计算简单、可靠性强的特点。但是，该方法仍然存在的不足是，计算过程不涉及成像具体过程和参数，因而最终估计的目标距离精度难以保证。

高思峰，何曼丽，王晓等人在论文“红外目标探测距离的估算”（《红外技术》，2008-07，第29卷11期，21-24）中提出了一种结合系统参数的探测距离计算方法。该方法以点源探测信噪比为桥梁建立了系统参数与探测距离之间的关系。该方法在已知系统参数的情况下便可计算得到探测距离。该方法是一种较为准确的探测距离计算方法，但是，该方法存在的不足是，没有考虑点扩散作用对探测距离的影响，因而使得计算所得的探测距离远大于实测值。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出了一种点源目标红外成像的探测距离估计方法，实现了点源目标探测距离的精确估计。

实现本发明目的的基本思路是，通过光线追迹的方法获得红外成像系统光学子系统的点扩散函数模板。利用该模板建立有点扩散效应的红外成像系统点源目标探测信噪比与预设距离之间的关系。通过上述关系利用循环迭代的方法寻找使得红外成像系统点源目标探测信噪比等于红外成像系统检测信噪比的预设距离，将此预设距离作为最终的探测距离。

实现本发明目的的具体实施步骤如下：

（1）查询系统参数：

1a）根据红外成像系统设计手册，查询点源目标红外成像的探测距离所需参数。

1b）查询点源目标表观面积。

（2）获取点扩散函数模板：

对红外成像系统的光学子系统进行光线追迹，得到红外成像系统中光学子系统的点扩散函数模板。

（3）获得可见度因子：

按照下式，计算红外成像系统对点源目标的可见度因子：

$P=\∫\underset{A}{\∫}h(x,y)\mathrm{dxdy}$

其中，P表示红外成像系统对点源目标的可见度因子，A表示红外成像系统中的单元探测器的面积，h(x,y)表示红外成像系统中光学子系统的点扩散函数模板，x表示红外成像系统单元探测器光敏面二维空间的横坐标值，y表示红外成像系统单元探测器光敏面二维空间的纵坐标值，坐标原点位于红外成像系统单元探测器光敏面的几何中心。

（4）测量温度：

用红外热像仪分别测量点源目标的温度和背景温度。

（5）计算辐射亮度差：

按照下式，计算点源目标与背景的单色辐射亮度差：

$L=\frac{1}{\mathrm{\π}}(\mathrm{\αM}-\mathrm{\βG})$

其中，L表示点源目标与背景的单色辐射亮度差，α表示点源目标的发射率，M表示与点源目标温度相同的黑体单色辐射出射度，β表示背景的发射率，G表示与背景温度相同的黑体单色辐射出射度。

（6）选取预设距离：

在满足点源目标角准则范围内，任意选取一个点源目标与红外成像系统之间的距离，将该距离作为预设距离。

（7）获得大气衰减系数：

用大气辐射工具包，获得预设距离内的大气衰减系数。

（8）计算探测信噪比：

按照下式，计算红外成像系统探测点源目标的探测信噪比：

$N=\frac{\mathrm{PDC\τ\σ}\underset{a}{\overset{b}{\∫}}\mathrm{LSd\λ}}{R^2\sqrt{\mathrm{A\ξ}}}$

其中，N表示红外成像系统探测点源目标的探测信噪比，P表示红外成像系统的点源可见度因子，D表示红外成像系统中探测器的归一化探测度，C表示红外成像系统中光学子系统入瞳面积，τ表示预设距离内的大气衰减系数，σ表示红外成像系统中光学子系统衰减系数，a表示红外成像系统工作的下限波长，b表示红外成像系统工作的上限波长，L表示点源目标与背景的单色辐射亮度差，S表示点源目标表观面积，λ表示红外成像系统工作上下限波段内的波长，dλ表示对红外成像系统波长进行微分，R表示预设距离，A表示红外成像系统单元探测器面积，ξ表示红外成像系统的噪声等效带宽。

（9）判断探测信噪比是否等于检测信噪比：

判断红外成像系统探测点源目标的探测信噪比是否等于红外成像系统检测信噪比，若是，则执行步骤（11），否则，执行步骤（10）。

（10）判断探测信噪比是否大于检测信噪比；

判断红外成像系统探测点源目标的探测信噪比是否大于红外成像系统检测信噪比，如果是，将预设距离增大1公里步长，执行步骤（7），否则，将预设距离缩小1公里步长，执行步骤（7）。

（11）获得探测距离：

将满足红外成像系统探测点源目标的探测信噪比等于红外成像系统检测信噪比的预设距离作为探测距离。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

第一，由于本发明将光线追迹运用于点扩散函数模板的获取当中，使得点扩散函数模板的获取简单且精确，克服了现有技术中对点扩散函数模板的获取脱离实际系统的不足，使得本发明紧密结合实际应用系统。

第二，由于本发明通过引入点源目标探测的点可见度因子，将红外成像系统对点源成像的点扩散效应加入到红外成像系统点源目标探测信噪比估算中，使得红外成像系统点源目标的探测信噪比的估计精度提高，克服了现有技术中对点扩散效应的估计不足，使得本发明提高了探测距离估计精度。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

参照图1，本发明的具体步骤如下：

步骤1.查询系统参数。

根据红外成像系统设计手册，查询点源目标红外成像的探测距离所需参数。查询点源目标表观面积。

本发明点源目标红外成像的探测距离所需参数包括，红外成像系统的光学子系统焦距，红外成像系统的光学子系统的入瞳直径，红外成像系统的光学子系统透镜数目、透镜的位置、透镜厚度、透镜材料、透镜各面曲率，红外成像系统中探测器的归一化探测度，红外成像系统单元探测器尺寸、面积，红外成像系统工作的下限波长，红外成像系统工作的上限波长，红外成像系统的噪声等效带宽，红外成像系统检测信噪比。

步骤2.获取点扩散函数模板。

将红外成像系统的光学子系统的透镜数目、透镜的位置、透镜厚度、透镜材料，透镜各面曲率参数，输入光学系统设计软件工具中进行光线追迹，得到点扩散函数模板。

步骤3.获得可见度因子。

按照下式，计算红外成像系统对点源目标的可见度因子：

$P=\∫\underset{A}{\∫}h(x,y)\mathrm{dxdy}$

其中，P表示红外成像系统对点源目标的可见度因子，A表示红外成像系统中的单元探测器的面积，h(x,y)表示红外成像系统中光学子系统的点扩散函数模板，x表示红外成像系统单元探测器光敏面二维空间的横坐标值，y表示红外成像系统单元探测器光敏面二维空间的纵坐标值，坐标原点位于红外成像系统单元探测器光敏面的几何中心。

步骤4.测量温度。

用红外热像仪分别测量点源目标的温度和背景温度。

步骤5.计算辐射亮度差。

按照下式，计算点源目标与背景的单色辐射亮度差：

$L=\frac{1}{\mathrm{\π}}(\mathrm{\αM}-\mathrm{\βG})$

其中，L表示点源目标与背景的单色辐射亮度差，α表示点源目标的发射率，M表示与点源目标温度相同的黑体单色辐射出射度，β表示背景的发射率，G表示与背景温度相同的黑体单色辐射出射度。

步骤6.选取预设距离。

在满足点源目标角准则范围内，任意选取一个点源目标与红外成像系统之间的距离，将该距离作为预设距离。

本发明点源目标角准则是指，点源目标对红外成像系统的张角小于红外成像系统的瞬时视场角，可用下式来表示：

$R>\sqrt{\frac{{\mathrm{Sf}}^2}{A}}$

其中，R表示预设距离，S表示点源目标的表观面积，f表示红外成像系统光学子系统焦距，A表示红外成像系统单元探测器面积。

步骤7.获得大气衰减系数。

用大气辐射工具包，获得预设距离内的大气衰减系数。

步骤8.计算探测信噪比。

按照下式，计算红外成像系统探测点源目标的探测信噪比：

$N=\frac{\mathrm{PDC\τ\σ}\underset{a}{\overset{b}{\∫}}\mathrm{LSd\λ}}{R^2\sqrt{\mathrm{A\ξ}}}$

其中，N表示红外成像系统探测点源目标的探测信噪比，P表示红外成像系统的点源可见度因子，D表示红外成像系统中探测器的归一化探测度，C表示红外成像系统中光学子系统入瞳面积，τ表示预设距离内的大气衰减系数，σ表示红外成像系统中光学子系统衰减系数，a表示红外成像系统工作的下限波长，b表示红外成像系统工作的上限波长，L表示点源目标与背景的单色辐射亮度差，S表示点源目标表观面积，λ表示红外成像系统工作上下限波段内的波长，dλ表示对红外成像系统波长进行微分，R表示预设距离，A表示红外成像系统单元探测器面积，ξ表示红外成像系统的噪声等效带宽。

步骤9.判断探测信噪比是否等于检测信噪比。

判断红外成像系统探测点源目标的探测信噪比是否等于红外成像系统检测信噪比，若是，则执行步骤（11），否则，执行步骤（10）。

步骤10.判断探测信噪比是否大于检测信噪比。

判断红外成像系统探测点源目标的探测信噪比是否大于红外成像系统检测信噪比，如果是，将预设距离增大1公里步长，执行步骤（7），否则，将预设距离缩小1公里步长，执行步骤（7）。

步骤11.获得探测距离。

将满足红外成像系统探测点源目标的探测信噪比等于红外成像系统检测信噪比的预设距离作为探测距离。

Claims (3)

1.点源目标红外成像的探测距离估计方法，包括如下步骤：

（1）查询系统参数：

1a）根据红外成像系统设计手册，查询点源目标红外成像的探测距离所需参数；

1b）查询点源目标表观面积；

（2）获取点扩散函数模板：

对红外成像系统的光学子系统进行光线追迹，得到红外成像系统中光学子系统的点扩散函数模板；

（3）获得可见度因子：

按照下式，计算红外成像系统对点源目标的可见度因子：

$P=\∫\underset{A}{\∫}h(x,y)\mathrm{dxdy}$

其中，P表示红外成像系统对点源目标的可见度因子，A表示红外成像系统中的单元探测器的面积，h(x,y)表示红外成像系统中光学子系统的点扩散函数模板，x表示红外成像系统单元探测器光敏面二维空间的横坐标值，y表示红外成像系统单元探测器光敏面二维空间的纵坐标值，坐标原点位于红外成像系统单元探测器光敏面的几何中心；

（4）测量温度：

用红外热像仪分别测量点源目标的温度和背景温度；

（5）计算辐射亮度差：

按照下式，计算点源目标与背景的单色辐射亮度差：

$L=\frac{1}{\mathrm{\π}}(\mathrm{\αM}-\mathrm{\βG})$

其中，L表示点源目标与背景的单色辐射亮度差，α表示点源目标的发射率，M表示与点源目标温度相同的黑体单色辐射出射度，β表示背景的发射率，G表示与背景温度相同的黑体单色辐射出射度；

（6）选取预设距离：

在满足点源目标角准则范围内，任意选取一个点源目标与红外成像系统之间的距离，将该距离作为预设距离；

（7）获得大气衰减系数：

用大气辐射工具包，获得预设距离内的大气衰减系数；

（8）计算探测信噪比：

按照下式，计算红外成像系统探测点源目标的探测信噪比：

$N=\frac{\mathrm{PDC\τ\σ}\underset{a}{\overset{b}{\∫}}\mathrm{LSd\λ}}{R^2\sqrt{\mathrm{A\ξ}}}$

其中，N表示红外成像系统探测点源目标的探测信噪比，P表示红外成像系统的点源可见度因子，D表示红外成像系统中探测器的归一化探测度，C表示红外成像系统中光学子系统入瞳面积，τ表示预设距离内的大气衰减系数，σ表示红外成像系统中光学子系统衰减系数，a表示红外成像系统工作的下限波长，b表示红外成像系统工作的上限波长，L表示点源目标与背景的单色辐射亮度差，S表示点源目标表观面积，λ表示红外成像系统工作上下限波段内的波长，dλ表示对红外成像系统波长进行微分，R表示预设距离，A表示红外成像系统单元探测器面积，ξ表示红外成像系统的噪声等效带宽；

（9）判断探测信噪比是否等于检测信噪比：

判断红外成像系统探测点源目标的探测信噪比是否等于红外成像系统检测信噪比，若是，则执行步骤（11），否则，执行步骤（10）；

（10）判断探测信噪比是否大于检测信噪比；

判断红外成像系统探测点源目标的探测信噪比是否大于红外成像系统检测信噪比，如果是，将预设距离增大1公里步长，执行步骤（7），否则，将预设距离缩小1公里步长，执行步骤（7）；

（11）获得探测距离：

将满足红外成像系统探测点源目标的探测信噪比等于红外成像系统检测信噪比的预设距离作为探测距离。

2.根据权利要求1所述的点源目标红外成像的探测距离估计方法，其特征在于，步骤1a）所述的参数是指，红外成像系统的光学子系统焦距，红外成像系统的光学子系统的入瞳直径，红外成像系统的光学子系统透镜数目、透镜的位置、透镜厚度、透镜材料、透镜各面曲率，红外成像系统中探测器的归一化探测度，红外成像系统单元探测器尺寸、面积，红外成像系统工作的下限波长，红外成像系统工作的上限波长，红外成像系统的噪声等效带宽，红外成像系统检测信噪比。

3.根据权利要求1所述的点源目标红外成像的探测距离估计方法，其特征在于，步骤（6）中所述的点源目标角准则是指，点源目标对红外成像系统的张角小于红外成像系统的瞬时视场角，可用下式来表示：

$R>\sqrt{\frac{{\mathrm{Sf}}^2}{A}}$

其中，R表示预设距离，S表示点源目标的表观面积，f表示红外成像系统光学子系统焦距，A表示红外成像系统单元探测器面积。

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