CN109211408B - 一种基于半实物的深空红外点目标成像仿真方法 - Google Patents

一种基于半实物的深空红外点目标成像仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于半实物的深空红外点目标成像仿真方法，本发明方法首先构建基于半实物的深空红外点目标成像仿真系统，所构建的系统包括：半实物模型构建模块、参数定义模块和仿真模块，通过半实物模型构建模块构建半实物低温红外背景成像器模型，参数定义模块对成像参数进行定义，仿真模块仿真红外点目标在探测器焦平面上的成像。本发明经过半实物的方法完成了深空背景红外点目标数字场景仿真得到数字场景图像，解决了背景模拟图像与深空背景高度接近，探测器和电路特性与实物一致的问题。

Description

一种基于半实物的深空红外点目标成像仿真方法
技术领域
本发明涉及一种深空红外点目标成像仿真方法，特别是一种基于半实物的深空红外点目标成像仿真方法。
背景技术
红外点目标探测是验证深空红外探测和预警系统能力的一个重要部分，通常为了验证系统对点目标的探测能力采用半实物仿真来生成序列红外点目标图像。现有仿真方法中红外点目标数字场景仿真器对于背景、成像器特性的模拟不能准确反映实际系统的特性，如时域、空域噪声分布、探测器坏元特性及分布等，导致仿真结果不能准确演示红外背景和成像器特性在红外点目标成像仿真中的作用，从而直接影响红外探测和预警系统的能力验证工作。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于半实物的深空红外点目标成像仿真方法，解决现有方法不能准确反映实际系统的特性，仿真结果不能准确演示红外背景和成像器特性在红外点目标成像仿真中的作用的问题。
一种基于半实物的深空红外点目标成像仿真方法的具体步骤为：
第一步构建基于半实物的深空红外点目标成像仿真系统
基于半实物的深空红外点目标成像仿真系统，包括：半实物模型构建模块、参数定义模块和仿真模块。所述：
半实物模型构建模块的功能为：构建半实物低温红外背景成像器模型；
参数定义模块的功能为：对成像参数进行定义；
仿真模块的功能为：仿真红外点目标在探测器焦平面上的成像。
第二步半实物模型构建模块构建半实物低温红外背景成像器模型
半实物模型构建模块将整个成像器放置于真空舱中模拟深空环境，低温背景采用低温黑体。将成像器光轴与低温黑体中心对齐，调整两者之间的距离，保证低温黑体充满成像器视场，对真空舱抽真空后，当低温黑体制冷到温，根据需要设置不同的积分时间采集低温背景图像。
第三步参数定义模块对成像参数进行定义
相关成像参数包括：光学系统参数、探测器参数和成像电路参数。
参数定义模块对光学系统参数进行定义：光学入瞳面积Sopt、光学系统等效F/#、光学系统透过率εopt。
参数定义模块对探测器参数进行定义：探测器焦平面面阵大小M*N、像元大小s、平均响应率像元填充率FF、积分时间tint、响应波段(λ1,λ2)。
参数定义模块对成像电路参数进行定义：AD位数n、读出电路基准电压V0、读出电路响应电压范围N。
第四步仿真模块仿真红外点目标在探测器焦平面上的成像
深空背景点目标的红外成像过程为：目标和背景的红外辐射经过光学系统成像在探测器焦平面上，探测器的像元将接收到的红外辐射经过光电转换输出为多路模拟电压信号，然后电压信号经过AD采样输出为数字信号，这些数字信号经过成像电路处理输出为灰度图像，此灰度图像即为深空背景下的红外点目标数字场景。
仿真模块通过四个方面完成红外点目标在探测器焦平面上的成像仿真：
仿真模块获取点目标的红外辐射：设一个点目标在(λ1,λ2)波段上的辐射强度为I(W/Sr)，与成像器光轴夹角为θ，两者之间的距离为R，则该点目标在光学系统入瞳前的饿辐射照度E为：
当目标与成像器距离时，目标在焦平面上的成像在一个像素以内，称为点目标，ω为成像器焦平面单个像元的有效视场，为目标的有效半径。
仿真模块确定每帧点目标中心在探测器焦平面上的位置：每帧点目标中心在探测器焦平面上的位置通过每一帧目标在焦平面上的速度矢量来获取：
目标在焦平面上的运动速度为 其中为探测器焦平面二维平面上的水平方向x轴、俯仰方向y轴的单位向量，探测器左上角像元编号为(1，1)，右下角像元编号为(M，N)，为速度矢量在x、y轴上的分量，目标在焦平面上的初始位置为(x0，y0)，经过时间t后，目标在空间的位置(x1，y1)为：
公式(2)中，每帧的速度为
仿真模块获取弥散斑能量分布：波长为λ的弥散斑能量分布为：
其中，(x、y)为弥散斑上的二维平面坐标点，坐标系原点为弥散斑的中心点；NA为光学系统的数值孔径，J1为一阶贝塞尔函数；Sopt为光学入瞳面积；εopt为光学系统透过率。
设探测器像元大小为s×s，不考虑像元间隙对响应信号的影响，弥散斑中心在探测器焦平面上的坐标为(a，b)，根据需要的精度选择E(x,y,λ)中(x,y)的半径r；根据坐标(a，b)和半径r获取弥散斑落在探测器焦平面以像元(a，b)为中心的周围几个像元上的响应电压：
其中(xmin(m,n),xmax(m,n))、(ymin(m,n),ymax(m,n))为弥散斑在像元(m,n)上的分布范围；(λmin,λmax)为探测器响应波段。
仿真模块获取目标所在像元信号响应灰度：点目标在探测器焦平面像元上的响应电压为：
其中，tint为探测器的积分时间；为探测器在单位时间内的平均响应率。
探测器响应电压Vpix(m,n)经过AD采样和读出电路输出为数字信号，即目标的灰度值Tgray(m,n)：
其中，n为AD采样位数，V0为读出电路基准电压，N为读出电路响应电压范围。
将目标在像元(m,n)上的响应信号值Tgray(m,n)叠加在半实物采集的图像像元(m,n)的灰度值上。
至此，得到在深空背景红外点目标在红外焦平面上的数字成像结果。
更优的，其中低温黑体采用液氮制冷的方式，温度为80K。
更优的，其中第四步中r取值为1.22×λ×F/#，即只计算弥散斑一级衍射斑的能量分布。
本发明采用基于半实物的深空红外点目标成像仿真方法，经过半实物的方法完成了深空背景红外点目标数字场景仿真得到数字场景图像，解决了背景模拟图像与深空背景高度接近，探测器和电路特性与实物一致的问题，对深空背景运动点目标焦平面半实物成像仿真具有重要意义。
附图说明
图1本发明方法的真空舱低温背景数据采集过程示意图；
图2本发明方法的深空背景目标成像过程示意图；
图3本发明方法的点目标在红外焦平面上成像过程示意图；
图4本发明方法的点目标弥散斑在探测器像元上的边界示意图。
具体实施方式
以下结合附图进一步解释说明本发明的内容。但是以下附图仅仅是运动点目标在凝视焦平面上的成像仿真示意图，为了清晰展示本发明所设计的几何示意图，对图示中某些结构和几何位置进行了表示，但其作为示意图不应该被认为严格反应了几何尺寸的比例关系。另外，本发明所示的实施例亦不应该被认为仅限于图中所示的特定结构和形状。附图是计算示意图，不应该被认为限制本发明的范围。
一种基于半实物的深空红外点目标成像仿真方法的具体步骤为：
第一步 构建基于半实物的深空红外点目标成像仿真系统
基于半实物的深空红外点目标成像仿真系统，包括：半实物模型构建模块、参数定义模块和仿真模块。所述：
半实物模型构建模块的功能为：构建半实物低温红外背景成像器模型；
参数定义模块的功能为：对成像参数进行定义；
仿真模块的功能为：仿真红外点目标在探测器焦平面上的成像。
第二步 半实物模型构建模块构建半实物低温红外背景成像器模型
半实物模型构建模块将整个成像器放置于真空舱中模拟深空环境，低温背景采用低温黑体，低温黑体采用液氮制冷的方式，温度为80K。将成像器光轴与低温黑体中心对齐，调整两者之间的距离，保证低温黑体充满成像器视场，对真空舱抽真空后，当低温黑体制冷到温，根据需要设置不同的积分时间采集低温背景图像。
第三步 参数定义模块对成像参数进行定义
相关成像参数包括：光学系统参数、探测器参数和成像电路参数。
参数定义模块对光学系统参数进行定义：光学入瞳面积Sopt、光学系统等效F/#、光学系统透过率εopt。
参数定义模块对探测器参数进行定义：探测器焦平面面阵大小M*N、像元大小s、平均响应率像元填充率FF、积分时间tint、响应波段(λ1,λ2)。
参数定义模块对成像电路参数进行定义：AD位数n、读出电路基准电压V0、读出电路响应电压范围N。
第四步 仿真模块仿真红外点目标在探测器焦平面上的成像
深空背景点目标的红外成像过程为：目标和背景的红外辐射经过光学系统成像在探测器焦平面上，探测器的像元将接收到的红外辐射经过光电转换输出为多路模拟电压信号，然后电压信号经过AD采样输出为数字信号，这些数字信号经过成像电路处理输出为灰度图像，此灰度图像即为深空背景下的红外点目标数字场景。如图2和图3所示。
仿真模块通过四个方面完成红外点目标在探测器焦平面上的成像仿真：
仿真模块获取点目标的红外辐射：设一个点目标在(λ1,λ2)波段上的辐射强度为I(W/Sr)，与成像器光轴夹角为θ，两者之间的距离为R，则该点目标在光学系统入瞳前的饿辐射照度E为：
当目标与成像器距离时，目标在焦平面上的成像在一个像素以内，称为点目标，ω为成像器焦平面单个像元的有效视场，为目标的有效半径。
仿真模块确定每帧点目标中心在探测器焦平面上的位置：每帧点目标中心在探测器焦平面上的位置通过每一帧目标在焦平面上的速度矢量来获取：
目标在焦平面上的运动速度为 其中为探测器焦平面二维平面上的水平方向x轴、俯仰方向y轴的单位向量，探测器左上角像元编号为(1，1)，右下角像元编号为(M，N)，为速度矢量在x、y轴上的分量，目标在焦平面上的初始位置为(x0，y0)，经过时间t后，目标在空间的位置(x1，y1)为：
公式(2)中，每帧的速度为
仿真模块获取弥散斑能量分布：波长为λ的弥散斑能量分布为：
其中，(x、y)为弥散斑上的二维平面坐标点，坐标系原点为弥散斑的中心点；NA为光学系统的数值孔径，J1为一阶贝塞尔函数；Sopt为光学入瞳面积；εopt为光学系统透过率。
设探测器像元大小为s×s，不考虑像元间隙对响应信号的影响，弥散斑中心在探测器焦平面上的坐标为(a，b)，根据需要的精度选择E(x,y,λ)中(x,y)的半径r，r取值为1.22×λ×F/#，即只计算弥散斑一级衍射斑的能量分布；根据坐标(a，b)和半径r获取弥散斑落在探测器焦平面以像元(a，b)为中心的周围几个像元上的响应电压：
其中(xmin(m,n),xmax(m,n))、(ymin(m,n),ymax(m,n))为弥散斑在像元(m,n)上的分布范围；(λmin,λmax)为探测器响应波段，如图4所示。
仿真模块获取目标所在像元信号响应灰度：点目标在探测器焦平面像元上的响应电压为：
其中，tint为探测器的积分时间；为探测器在单位时间内的平均响应率。
探测器响应电压Vpix(m,n)经过AD采样和读出电路输出为数字信号，即目标的灰度值Tgray(m,n)：
其中，n为AD采样位数，V0为读出电路基准电压，N为读出电路响应电压范围。
将目标在像元(m,n)上的响应信号值Tgray(m,n)叠加在半实物采集的图像像元(m,n)的灰度值上。
至此，得到在深空背景红外点目标在红外焦平面上的数字成像结果。

Claims (3)

1.一种基于半实物的深空红外点目标成像仿真方法，其特征在于具体步骤为：
第一步构建基于半实物的深空红外点目标成像仿真系统
基于半实物的深空红外点目标成像仿真系统，包括：半实物模型构建模块、参数定义模块和仿真模块；所述：
半实物模型构建模块的功能为：构建半实物低温红外背景成像器模型；
参数定义模块的功能为：对成像参数进行定义；
仿真模块的功能为：仿真红外点目标在探测器焦平面上的成像；
第二步半实物模型构建模块构建半实物低温红外背景成像器模型
半实物模型构建模块将整个成像器放置于真空舱中模拟深空环境，低温背景采用低温黑体，将成像器光轴与低温黑体中心对齐，调整两者之间的距离，保证低温黑体充满成像器视场，对真空舱抽真空后，当低温黑体制冷到温，根据需要设置不同的积分时间采集低温背景图像；
第三步参数定义模块对成像参数进行定义
相关成像参数包括：光学系统参数、探测器参数和成像电路参数；
参数定义模块对光学系统参数进行定义：光学入瞳面积Sopt、光学系统等效F/#、光学系统透过率εopt；
参数定义模块对探测器参数进行定义：探测器焦平面面阵大小M*N、像元大小s、平均响应率像元填充率FF、积分时间tint、响应波段(λ1,λ2)；
参数定义模块对成像电路参数进行定义：AD采样位数n、读出电路基准电压V0、读出电路响应电压范围N；
第四步仿真模块仿真红外点目标在探测器焦平面上的成像
深空背景点目标的红外成像过程为：目标和背景的红外辐射经过光学系统成像在探测器焦平面上，探测器的像元将接收到的红外辐射经过光电转换输出为多路模拟电压信号，然后电压信号经过AD采样输出为数字信号，这些数字信号经过成像电路处理输出为灰度图像，此灰度图像即为深空背景下的红外点目标数字场景；
仿真模块通过四个方面完成红外点目标在探测器焦平面上的成像仿真：
仿真模块获取点目标的红外辐射：设一个点目标在(λ1,λ2)波段上的辐射强度为I(W/Sr)，与成像器光轴夹角为θ，两者之间的距离为R，则该点目标在光学系统入瞳前的辐射照度E为：
当目标与成像器距离时，目标在焦平面上的成像在一个像素以内，称为点目标，ω为成像器焦平面单个像元的有效视场，为目标的有效半径；
仿真模块确定每帧点目标中心在探测器焦平面上的位置：每帧点目标中心在探测器焦平面上的位置通过每一帧目标在焦平面上的速度矢量来获取：
目标在焦平面上的运动速度为其中为探测器焦平面二维平面上的水平方向x轴、俯仰方向y轴的单位向量，探测器左上角像元编号为(1，1)，右下角像元编号为(M，N)，为速度矢量在x、y轴上的分量，目标在焦平面上的初始位置为(x0，y0)，经过时间t后，目标在空间的位置(x1，y1)为：
公式(2)中，每帧的速度为
仿真模块获取弥散斑能量分布：波长为λ的弥散斑能量分布为：
其中，(x、y)为弥散斑上的二维平面坐标点，坐标系原点为弥散斑的中心点；NA为光学系统的数值孔径，J1为一阶贝塞尔函数；Sopt为光学入瞳面积；εopt为光学系统透过率；
设探测器像元大小为s×s，不考虑像元间隙对响应信号的影响，弥散斑中心在探测器焦平面上的坐标为(a，b)，根据需要的精度选择E(x,y,λ)中(x,y)的半径r；根据坐标(a，b)和半径r获取弥散斑落在探测器焦平面以像元(a，b)为中心的周围几个像元上的响应电压：
其中(xmin(m,n),xmax(m,n))、(ymin(m,n),ymax(m,n))为弥散斑在像元(m,n)上的分布范围；(λmin,λmax)为探测器响应波段；
仿真模块获取目标所在像元信号响应灰度：点目标在探测器焦平面像元上的响应电压为：
其中，tint为探测器的积分时间；为探测器在单位时间内的平均响应率；
探测器响应电压Vpix(m,n)经过AD采样和读出电路输出为数字信号，即目标的灰度值Tgray(m,n)：
其中，n为AD采样位数，V0为读出电路基准电压，N为读出电路响应电压范围；
将目标在像元(m,n)上的响应信号值Tgray(m,n)叠加在半实物采集的图像像元(m,n)的灰度值上；
至此，得到在深空背景红外点目标在红外焦平面上的数字成像结果。
2.如权利要求1所述的基于半实物的深空红外点目标成像仿真方法，其特征在于：所述第二步中低温黑体采用液氮制冷的方式，温度为80K。
3.如权利要求1所述的基于半实物的深空红外点目标成像仿真方法，其特征在于：所述第四步中r取值为1.22×λ×F/#，即只计算弥散斑一级衍射斑的能量分布。
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