CN110196491A - 一种双视场红外成像系统散焦的建模仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种对双视场红外成像系统散焦成像进行建模仿真的方法。首先，使用专门光学设计软件分别计算得到两个视场在散焦时调焦量与光学系统MTF、调焦量与系统有效焦距之间的关系曲线。然后，一方面由散焦时调焦量与系统MTF之间的关系，用频率样本法设计表征散焦成像空间分辨率的二维低通滤波器，并用其对蓝本图像进行空间滤波处理以仿真散焦导致的红外图像模糊效应；另一方面，由散焦时调焦量与视场倍率之间的关系，对蓝本图像进行缩放或剪裁处理以仿真散焦成像的视场变化。理论分析和实验均表明这种方法对双视场红外成像系统散焦效应建模的精确度高，仿真的效果好。

Description

一种双视场红外成像系统散焦的建模仿真方法

技术领域

本发明涉及红外成像系统建模仿真技术领域，具体的涉及一种双视场红外成像系统散焦的建模仿真方法。

背景技术

在光学成像系统中，对一定距离的目标成像若最佳像面位置满足物像共轭关系时为称为聚焦，若偏离了该位置将导致系统散焦。由温度变化引起的光学材料特性和传播介质的折射率变化或对远近不同物距景物成像都将导致红外光学成像系统发生散焦。

随着红外成像技术的飞速发展，多视场红外光学系统应用越来越广泛。双视场红外成像系统应满足在较大的温度范围内工作，若采用传统的被动消热差方法将导致光学系统设计过于复杂而不能实现。但无论是由物距变化、还是由热差引起的散焦效应，都可以通过“驱动调焦透镜轴向运动”的调焦操作克服。此时，若以手动方式调焦主要依靠用户的目测判断和人为操控调焦伺服系统运作，耗时长、主观性大，难以实时克服由热差引起的散焦效应；若以基于实时图像处理的自动方式调焦将直接以获取图像的高清晰度为目标，通过对输出红外图像分析处理判断成像是否清晰，据此给出反馈信号自动控制调焦镜的运动完成聚焦，避免了解决散焦问题的传统方法和手动调焦的各种缺点，为双视场红外成像系统的使用提供更大的便利。

在对双视场红外成像系统进行自动聚焦设计之前，需要先建立适合于研究、能较好体现双视场红外成像系统散焦关键特征的模型，并在构建模型的基础上进行红外图像散焦效应计算机仿真，以便选择合适的自动聚焦算法和策略，以及随时修正设计参数。散焦对红外成像光学系统带来的影响主要来自于弥散斑和视场变化，最终导致红外成像空间分辨率下降和横向放大率变化。一方面，调制传递函数(MTF)是一个从客观上反映红外成像系统空间分辨率性能的重要参数指标，将红外成像系统的设计参数输入到系统的调制传递函数数学模型中，就可以计算各个调焦量处的MTF曲线，进而对散焦成像引起空间分辨率下降造成的红外图像模糊效应进行仿真；另一方面，光学系统的有效焦距决定了红外成像系统视场倍率的关键参数，通过计算各个调焦量处的光学系统有效焦距，然后与与探测器透镜焦距相比就可得到各个调焦量处的视场倍率值，进而对散焦成像引起视场倍率变化造成的红外图像缩放效应进行仿真。

然而，对于双视场红外成像系统这样的复杂光学系统，采用几何光学方法手工计算并推导各个调焦量处的探测器面上弥散斑大小和光学系统有效焦距，并建立各个调焦量对应的空间分辨率MTF数学模型，难度和复杂度过大以致几乎不可能做到，其有效性和准确性也难以评估。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种双视场红外成像系统散焦的建模仿真方法，特别针对复杂的双视场红外光学系统，首先使用专门的光学设计软件分别计算两个视场在散焦时调焦量与光学系统MTF和视场倍率之间的关系曲线。然后，一方面采用频率样本法设计模拟散焦成像空间分辨率的二维低通滤波器，用其对蓝本图像进行空间滤波处理以实现对散焦模糊效应的仿真；另一方面，由散焦时各个调焦量处的视场倍率值，对蓝本图像进行缩放处理以实现对散焦成像视场变化的仿真。理论分析和实验均表明该方法对双视场红外成像系统散焦效应建模的精确度高，仿真的效果好。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：

一种双视场红外成像系统散焦的建模仿真方法，包括：

步骤一、对双视场红外成像系统散焦分析

通过对双视场红外成像散焦的分析，总结散焦的发生原因、成像特点、呈现效应和传统解决方法，是建立适用于双视场红外成像光学系统的散焦成像模型的基础。

步骤二、散焦成像空间分辨率的MTF建模

红外成像系统的空间分辨率性能是由调制传递函数(MTF)参数指标反映，因此对由散焦引起的红外成像空间分辨率下降建模可以由各个调焦量对应的系统整机MTF建模实现。特别提出采用专门的光学设计软件代替典型的MTF建模方法，计算得到散焦时离焦量对应的更为精确的系统MTF模型。

步骤三、散焦成像空间分辨率下降的仿真

由散焦造成的红外成像空间分辨率下降，首先会直观表现为输出红外图像的模糊效应。在对双视场红外成像系统散焦成像空间分辨率的MTF建模基础上，采用频率样本法设计二维空间低通滤波器，并用其对蓝本图像进行空间滤波处理，就可以实现对由散焦成像引起的红外图像模糊效应进行仿真。

步骤四、散焦成像视场倍率的建模

红外光学系统倍率直接由系统有效焦距EFL参数决定，同样由于双视场红外光学系统的复杂性，对由散焦导致红外光学系统倍率变化建模需要分别在宽窄两个视场下计算各调焦量对应的EFL，采用光学设计分析软件软件可以对轴上中心视场处、宽窄两个视场进行计算机分析和精确计算。

步骤五、散焦成像视场变化的仿真

散焦导致另一现象是红外光学系统倍率变化，直观地表现为输出红外图像的缩放效应。只要用光学设计分析软件计算得到双视场各个调焦量对应的视场倍率值，对蓝本图像进行简单的缩放和剪裁，就可实现对由散焦导致的红外图像缩放效应的仿真。

进一步的，所述步骤一中对双视场红外成像散焦的分析，总结其散焦效应的特点，包括以下几部分：

(1)由物距变化引起散焦的原理分析；

(2)由热差引起散焦的原理分析；

(3)双视场红外光学成像系统的散焦分析和计算。

进一步的，所述步骤二中提出采用专门的光学设计软件代替典型的MTF建模方法，计算得到散焦时系统MTF与离焦量更为精确的关系曲线，为了对比验证进行了以下两部分：

(1)采用典型MTF模型对双视场红外成像系统建模；

(2)采用光学设计软件对双视场散焦红外成像建模。

本发明的有益效果：所提出对双视场红外成像系统散焦的建模仿真方法采用专门的光学设计软件对实际的光学系统进行分析，并计算得出的光学系统散焦状态下的MTF和系统有效焦距，以此作为设计仿真红外成像系统散焦成像空间分辨率下降的二维空间低通滤波器和仿真散焦成像视场倍率变化的基础。这种方法比采用将复杂双视场红外光学系统化简为简单三元件几何光学系统并用手工计算推导出各个调焦量处的探测器面上弥散斑大小和光学系统有效焦距，然后以弥散斑尺寸代入典型模型计算MTF的传统方法，更为有效和精确。

该建模仿真方法对于设计基于图像处理的自动聚焦功能电路具有很好的辅助设计作用。自动聚焦能以实时的方式克服由物距变化、还是由热差引起的散焦效应，比手动调焦或传统的各种消热差方法有明显优势。在对双视场红外成像系统进行自动聚焦设计之前，先建立适合于研究、能较好体现双视场红外成像系统散焦关键特征的模型，并以此为基础对散焦效应进行仿真，就能从客观和主观两方面对系统设计参数在发生散焦时对输出红外图像的影响和效应进行观测和评估，以便随时修正设计参数和为自动聚焦设计选择合适的聚焦算法和策略。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所述双视场红外成像系统散焦的建模仿真方法技术方案流程图；

图2为本发明实施例所述双视场红外成像系统散焦分析(步骤S1)的示意图；

图3为本发明实施例所述双视场红外成像系统散焦成像空间分辨率的MTF建模(步骤S2)的示意图；

图4为本发明实施例所述简单三元件几何光学系统近距离成像散焦效应示意图；

图5为本发明实施例所述双视场红外成像系统调焦负透镜对应于宽、窄视场的聚焦位置示意图；

图6为本发明实施例所述双视场红外成像光学系统调焦镜及透镜组位置示意图；

图7为本发明实施例所述双视场红外光学成像系统透镜组光路图：(a)调焦负透镜位于宽视场(WFOV)处；(b)调焦负透镜位于窄视场(NFOV)处；

图8为本发明实施例所述双视场红外光学成像系统最佳聚焦时(调焦量d＝0)的点列图；

图9为本发明实施例所述双视场红外光学成像系统的温度补偿量和调焦量的计算示意图；

图10为本发明实施例所述某型号双视场热像仪在窄视场下，对主要子系统的采用不同经典MTF建模方法时计算的MTF与实验室测试的整机MTF对比图：(a)光学系统采用衍射限模型、探测器采用时空滤波模型；(b)光学系统采用非衍射限模型、探测器采用时空滤波模型；(c)光学系统采用衍射限模型、探测器采用采样平均滤波模型；(d)光学系统采用非衍射限模型、探测器采用采样平均滤波模型；

图11为本发明实施例所述某型号双视场热像仪在窄视场下，由光学设计分析软件CODE V计算的红外光学系统MTF后合成的整机曲线，与实测的整机MTF曲线的对比图；

图12为本发明实施例所述在理想条件下，光学设计分析软件对某型号双视场热像仪计算的调焦量对应的轴上中心视场MTF图：(a)NFOV调焦镜向物方移动；(b)NFOV调焦镜向探测器方向移动；(c)WFOV调焦镜向物方移动；(d)WFOV调焦镜向探测器方向移动；

图13为本发明实施例所述红外成像系统的探测器时空合成滤波MTF图；

图14为本发明实施例所述红外成像系统的电子线路MTF图；

图15为本发明实施例所述由逼近散焦MTF曲线的一维数字滤波器构造二维空间滤波器示意图；

图16为本发明实施例所述某型号双视场热像仪宽视场(WFOV)下，19个调焦量对应的散焦模糊效应仿真效果图(d＝0为聚焦位)；

图17为本发明实施例所述某型号双视场热像仪窄视场(NFOV)下，19个调焦量对应的散焦模糊效应仿真效果图(d＝0为聚焦位)；

图18为本发明实施例所述某型号双视场热像仪的调焦量d与系统等效焦距EFL的计算图；

图19为本发明实施例所述某型号双视场热像仪的窄视场(NFOV)下，2个调焦量(mm)对应的散焦视场变化仿真效果图；

图20为本发明实施例所述某型号双视场热像仪的宽视场(WFOV)下，2个调焦量(mm)对应的散焦视场变化仿真效果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出一种双视场红外成像系统散焦的建模仿真方法，对本发明实施例的技术方案(如图1所示)中包含的方法步骤描述如下：

步骤S1、对双视场红外成像系统散焦分析

通过对双视场红外成像散焦的分析，总结散焦的发生原因、成像特点、呈现效应和传统解决方法，是建立适用于双视场红外成像光学系统的散焦成像模型的基础。其中包括对由物距变化引起散焦的原理分析、由热差引起散焦的原理分析和双视场红外光学成像系统的散焦分析和调焦量计算三部分构成，如图2所示。

(1)由物距变化引起散焦的原理分析

为了简化问题，理论上可以将红外成像光学系统的所有相关部件大致划分为景物、调焦镜和焦面三个元件(如图4所示)。立体空间经光学系统成像时，只有与像平面共轭的那个平面上的物点能真正成像于该像平面上，其它非共轭平面上的物点在这个像平面上只能得到相应的光束的截面，即弥散斑。散焦可认为是由于其中一个元件偏离共轭关系引起的，而调焦过程就是恢复三者共轭的过程。以图4为例，认为来自无穷远目标的光线(近似于平行光轴)经过透镜在焦平面上汇聚成一点，而来自近距离目标的光线经过透镜后将汇聚在焦平面的附近处，相对于平行光线汇聚的最佳聚焦位置有一微小的偏移(即调焦量)，并在焦平面上形成弥散斑，弥散斑的尺寸变化在焦面的前后是对称的，且光强在弥散斑内分布均匀。

因此，对于“近距离目标的像面偏离焦平面”这种由成像物距变化引起的光学系统散焦效应，只能通过移动调焦镜或焦面的调焦方式保持聚焦。

(2)由热差引起散焦的原理分析

大多数红外光学材料折射率随温度变化有相对较高的灵敏度，由于壳体材料热胀冷缩和光学材料的折射率随温度变化对红外光学系统的影响尤其显著，其结果就是引起红外光学成像的散焦效应。例如，一块直径75mm、焦距112.5mm的锗透镜，经计算表明40℃的热浸会产生0.599mm的焦面漂移，等同于13.1个瑞利判据焦深或3.3个波长的散焦，这种散焦效应将引起图像质量的严重下降。

(3)双视场红外光学成像系统的散焦分析和计算

对于具有两个以上视场的红外成像系统，由成像物距变化和热差效应引起的光学系统散焦问题将变得更复杂。

例如，在本发明例中所针对的红外成像系统采用了“单片负透镜轴向运动以调整系统焦距”的双视场光学设计，如图5所示。该光学系统是由双视场开普勒式无焦望远镜组(包括物镜组、调焦负透镜、中继透镜组和目镜)、与出瞳衔接的扫描镜和探测器会聚透镜构成。平行光路的望远系统有宽、窄两个视场，通过电机驱动的调焦负透镜运动到对应视场的聚焦位置处，可在探测器焦平面上清晰成像。调焦负透镜分别位于宽视场(WFOV)和窄视场(NFOV)的透镜组位置示意如图6所示，透镜组光路图如图7所示。

在理想状态(常温常压，物距无穷远)下，该双视场红外光学成像系统宽、窄两个视场最佳聚焦时不同波长的像差点列如图8所示，直观地呈现了聚焦时由像差引起的非衍射限成像光学系统的轴上点弥散斑的能量分布。

对该双视场红外光学成像系统的温度补偿量和调焦量的计算如图9所示。当对无穷远目标聚焦(绿实线)和对30米距离的目标聚焦(蓝虚线)时，宽视场(WFOV)的调焦量为0.365mm，窄视场(NFOV)的调焦量达到1.021mm；若对无穷远目标聚焦(绿实线)，环境温度由-40℃变化到+70℃时，宽视场(WFOV)的总调焦量为1.724+1.390＝1.390mm，窄视场(NFOV)的总调焦量达到0.494+0.587＝2.805mm；若30米距离目标聚焦(蓝虚线)，环境温度由-40℃变化到+70℃时，宽视场(WFOV)的总调焦量为1.697+1.365＝3.062mm，窄视场(NFOV)的总调焦量达到0.474+0.565＝1.039mm。

可见，对不同距离目标成像和温差效应都可引起双视场光学系统严重的散焦，在窄视场(NFOV)中由成像物距变化引起的散焦较为严重，而在宽视场(WFOV)中由热差效应引起散焦较为严重。

通过上述对双视场红外成像系统散焦的分析可以得出结论：在具有两个以上视场的红外成像系统中①各个视场的物镜焦距不同、光学结构也互相耦合影响；②各个视场之间的倍率相差越大，热差对每个视场的影响差别就越大；③对其中的一个视场进行消热差处理可能会导致其它视场的散焦情况变得更差；④若采用传统的消热差方法需要对每个视场对不同温度下、不同距离目标的调焦量和材料特性互补量进行复杂的计算，技术难度非常大以致不能实现。

步骤S2、散焦成像空间分辨率的MTF建模

红外成像系统的空间分辨率性能是由调制传递函数(MTF)参数指标反映，因此对由散焦引起的红外成像空间分辨率下降建模可以由各个调焦量对应的系统整机MTF建模实现。本发明特别提出采用专门的光学设计软件代替典型的MTF建模方法(如图3所示)，计算得到散焦时离焦量对应的更为精确的系统MTF模型。

(1)采用典型MTF模型对双视场红外成像系统建模

若将被摄物发射的红外辐射作为红外成像系统的输入信息，最终输出的视频信号作为它的输出信息，可以把红外成像系统看作一个线性位移不变的信息传递系统或是一个线性空间频率域的滤波器，该滤波器的幅频特性用调制传递函数(MTF)表示，它从客观上反映了红外成像系统的空间分辨率性能，是红外成像系统设计分析和性能评估的重要参数和指标。红外成像系统总的MTF由光学系统、探测器、电子线路等各个子系统的MTF的乘积构成。若能对双视场红外成像系统散焦时对应的系统MTF建立合适的模型，就可由设计参数计算得出系统散焦时各个离焦量与空间分辨率下降的关系，以此为基础对输出红外图像的散焦模糊效应进行计算机仿真。

然而，目前对双视场红外成像系统及其各个子系统采用的典型调制传递函数数学建模方法的有效性和精确性还有待评估。

例如，把某型号的双视场热像仪的窄视场(NFOV)的主要技术参数(如表1所示)带入到红外成像子系统的几种经典调制传递函数(MTF)数学模型中，首先计算得到关键参数(如表2所示)，然后将由不同模型计算的子系统、整机MTF(如表3所示)与实验室对该热像仪的实际测试的(水平轴上)MTF数据进行对比，如图10所示。

结果发现：①整机的MTF主要取决于红外光学成像系统MTF的性能，探测器和电子线路的影响不大；②所用的几种典型MTF模型各有优劣：有的在低频区间与实测数据较为接近而高频区域又有较大的偏离，有的则刚好相反；③若光学系统采用非衍射限MTF模型、探测器采用时空滤波MTF模型时合成热像仪整机MTF(图10(b)中的红色曲线)，在本例中能更好逼近实测的热像仪整机MTF曲线。

既然红外光学系统的MTF模型对整机建模的影响占主要作用，若采用美国ORA公司的光学设计分析软件CODE V对该型号热像仪的窄视场(NFOV)光学系统的MTF进行计算，然后再与探测器采用时空滤波MTF模型和传统的电子线路MTF模型进行整机合成，将合成后的整机MTF与实验室的实测MTF数据进行对比(如图11所示)。可见，这种由软件计算光学系统MTF的方法明显比采用已有典型MTF建模的方法能获得更好的效果。

总的来说，由于本发明例所述的双视场红外成像系统是一种复杂的红外光学系统，用已有典型模型对这种双视场的红外成像系统计算的MTF与实测数值有不小差距；而采用专门的光学设计分析软件对红外光学系统的MTF进行计算并建模是一种很好的替代方法。

表1某型号双视场热像仪在窄视场下的主要技术参数

主要技术参数(NFOV)	指标值
		视场角(物方)	3°×2.25°
瞬时视场(物方)	0.122×0.136mrad
		放大倍率	5.33
工件波段	7.3μm～10.7μm
		系统F/#	2.5
探测器透镜焦距	38.6mm
		通光孔径	15.5mm
输出的标准电视图像	768×576像素

表2某型号双视场热像仪在窄视场下的主要子系统MTF建模的关键参数计算

表3某型号双视场热像仪在窄视场下的主要子系统的几种经典MTF建模方法及其计算所得MTF数学表达式

(2)采用光学设计软件对双视场散焦红外成像建模

由于散焦效应主要反映在光学成像系统中，为了解决双视场红外光学系统对散焦导致成像空间分辨率下降的建模困难，本发明提出：针对该具体的光学系统采用专门的光学设计软件，计算散焦时离焦量对应的红外光学系统MTF，从而避开复杂且效果欠佳的红外成像系统散焦MTF理论建模和数学计算推导。

为了降低复杂度，只考虑理想状态(常温常压，物距无穷远)的情况，用美国ORA公司的光学设计分析软件CODE V对该型号热像仪的双视场光学系统对宽、窄两个视场下的轴上点的MTF进行计算。最后得出两个视场下、调焦镜相对理论最佳聚焦位置的一个小范围内(WFOV是在-1.8～+1.8mm范围内，NFOV是在-0.9～+1.8mm范围内)划分的19个调焦量对应的MTF值曲线，如图12所示：

在得到红外成像光学系统MTF的计算结果后，采用时空滤波特性理论对红外成像系统的探测器MTF进行数学建模，并以传统低通滤波器的模型对电子线路MTF进行数学建模，分别如图13和图14所示。

将以上光学、探测器和电子线路的MTF相乘就可得到红外成像系统散焦时对应于19个调焦量的整机MTF(由于探测器和电子线路的MTF对整机MTF的影响不大，为方便计，也可以将其省略，直接用红外光学系统的MTF代替整机MTF)。

步骤S3、散焦成像空间分辨率下降的仿真

由散焦造成的红外成像空间分辨率下降，首先会直观表现为输出红外图像的模糊效应。在对双视场红外成像系统散焦成像空间分辨率的MTF建模基础上，就可以对由散焦成像引起的红外图像模糊效应进行仿真。

对散焦成像引起图像模糊效应的仿真，实质上就是用计算机模拟对蓝本图像进行二维空间低通滤波的处理效果。红外成像系统对某一不变的场景散焦成像，意味着所成图像内容基本不变，仿真只需对同一幅图像为蓝本进行空间滤波图像处理，而该空间滤波器需要反映出该红外成像系统散焦成像的空间分辨率特性。以步骤二中计算所得的调移量对应的整机MTF为参数，采用频率样本法设计二维空间低通滤波器，并用其对原图像进行滤波处理，就可达到上述目的。具体实施方法如下：

对于每个调焦量，以空间频率及其所对应MTF值作为一组样本，将这些样本做离散傅立叶反变换，并采用合适的窗函数(经过试验对海明、矩形、汉宁和布莱克曼等窗函数的对比发现：矩形窗函数计算所得的滤波器的幅频特性无论在低频处、还是在高频范围内与热像仪实测MTF最为接近，故在本发明例中均采用矩形窗设计空间滤波器)，可以得所设计图像滤波器的脉冲响应(即空间滤波器的系数向量)。为降低所设计空间滤波器的复杂度，在保证滤波器系数对称性的前提下，截取部分系数向量以精简滤波器的结构，同时得到幅频特性逼近原MTF曲线的一维数字滤波器。

由于对双视场红外光学系统的散焦成像MTF建模时，只是针对理想状态下的轴上中心视场进行计算，水平和垂直方向的MTF默认相等同。因此，在近似的条件下，由上述设计的逼近散焦MTF曲线的一维数字滤波器，通过对称旋转就可获得完全中心对称的二维空间滤波器(如图15所示)，该空间滤波器的幅频特性就表征了理想状态下的轴上中心视场散焦时成像的空间分辨率特性。

双视场红外成像系统分别在宽、窄两个视场下对超过1.5km距离(近似为无穷远)的目标成像时，采集最佳聚焦位置处(调焦量d＝0)的图像作为原始图像，用上述方法设计的空间滤波器对该原始图像进行滤波处理，就可仿真由散焦导致的各个调焦量处的图像模糊效应。为简单计，只计算了宽、窄两个视场下19个调焦量对应的MTF以及对应的仿真效果，分别由图16和图17显示。

其中，调焦量为零(即d＝0)是理论上的最佳聚焦位置，此时的红外成像空间分辨率最大，图像最为清晰，作为仿真设置的原始图像。随着在宽、窄视场最佳聚焦位置两侧的调焦量在一个小范围内变化，红外图像空间分辨率随离焦量的增大而降低，图像越发模糊。这两组图像基本满足了仿真双视场红外成像系统的散焦成像时空间分辨率的变化导致的成像模糊效应。

步骤S4、散焦成像视场倍率的建模

散焦导致另一现象是红外光学系统倍率变化。由于红外光学系统倍率可直接由系统有效焦距EFL与探测器透镜焦距相除得到，因此对散焦时光学系统有效焦距EFL的计算就是关键。同样由于双视场红外光学系统的复杂性，要分别在宽窄两个视场下计算各调焦量对应的EFL，若不采用软件进行计算机分析将难以实现。

与步骤二中的分析类似，用光学设计分析软件CODE V可以分别计算出(在理想状态下)在双视场红外光学系统的轴上中心视场处、宽窄两个视场的最佳聚焦位附近的19个调焦量对应的弥散斑均方根直径2ρ和系统有效焦距EFL，如表4所示。

表4某型号双视场热像仪的宽、窄视场下，调焦量对应的弥散斑均方根直径2ρ和系统有效焦距EFL

系统有效焦距EFL和调焦量d的关系曲线如图18所示。图中红点标示的D＝42mm处是宽视场(WFOV)的理论最佳聚焦位置，D＝7.9mm处是窄视场(NFOV)的理论最佳聚焦位置，分别对应的系统等效焦距为69.9mm和206.1mm。红外光学系统倍率则可以由系统有效焦距EFL比上探测器透镜焦距(38.6mm)得出。

由该图可见，在宽视场的最佳聚焦位两侧的调焦范围(约-1.8～+1.8mm)内，随着调焦量的变化系统有效焦距或望远镜倍率呈单调变化，这与由简单三元件几何光学系统推导得出的“横向放大率会在焦前焦后表现出单调性”结论一致；然而，在窄视场的理论最佳聚焦位两侧的调焦范围(约-1.8～+1.8mm)内，系统有效焦距则关于最佳聚焦位呈对称性。这再次证明了对于一个特定的或复杂的光学系统，基于简单三元件光学系统推导出的结论(即典型的衍射限或非衍射限红外光学系统MTF数学模型)很可能不适用。当双视场光学系统的倍比较大时，由光学设计软件CODE V设计优化出来的窄视场的系统等效焦距206.1mm就出现在D＝7.9mm峰值上，这也证明了采用光学设计软件对该双视场红外光学系统散焦建模的有效性和精确性。

步骤S5、散焦成像视场变化的仿真

由散焦造成的红外成像视场变化，会直观表现为输出红外图像的缩放效应。当计算得到双视场各个调焦量对应的视场倍率值(步骤S4)后，只要按此倍率值对蓝本图像进行简单的缩放和剪裁，就可以对由散焦导致的红外图像缩放效应进行仿真。

由于本发明例中所述的双视场红外成像系统输出的红外图像的尺寸固定不变(分辨率为768×576)，则光学倍率变化导致的视场变化在输出图像上将直观呈现为：图像外观尺寸保持768×576不变，而图像内容由四周向中心内敛或由中心向四周扩延。仍然以最佳聚焦位处(调焦量d＝0)的图像作为原始图像，散焦成像的倍率增大(即视场减小)表现为将原始图像由中心向四周扩延，然后又剪裁为标准尺寸。这其实是扩大了原图像内容的细节，没有加入外围的其它图像，较易仿真实现；而散焦成像的倍率减小(即视场扩大)表现为将原始图像内容由四周向中心的内敛，然后又拉伸为标准尺寸。直观的说，视场扩大对所成图像而言就等效是将原图像缩小，而将视场之外的周围场景都纳入其中，将使仿真变得复杂。

为了解决上述散焦成像的倍率减小的仿真困难并为简单计，本发明提出在仿真图像视场大小变化时，采集红外成像中倍率最小的图像作为原始图像。其它散焦图像的倍率除以原始图像的倍率，得到对原始图像的相对倍率。可见，此时散焦图像的相对倍率均大于1，仿真时只需对原始图像进行相应倍率的放大后再剪裁为标准尺寸即可达到仿真效果。图19和图20分别显示了宽、窄视场下几个调焦量对应视场变化仿真效果图。

本发明首先对双视场红外成像系统的散焦发生原因、成像特点和传统的解决方法进行分析和总结，为建立适用于双视场红外光学系统的散焦成像模型奠定基础；然后，分别对散焦造成的空间分辨率下降(以调制传递函数MTF为表征)和视场倍率变化(以系统有效焦距EFL为主要参数)建模，为解决传统方法对失焦情况下双视场红外光学系统建立MTF模型和计算EFL复杂度高、不精确的问题，采用光学设计软件直接分析计算的替代方案建模；最后，利用新方法建立的MTF模型和计算的EFL参数，分别对散焦造成的输出红外图像空间分辨率下降(模糊效应)和视场变化(缩放效应)进行计算机仿真。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (3)

1.一种双视场红外成像系统散焦的建模仿真方法，其特征在于，包括：

步骤一、对双视场红外成像系统散焦分析

通过对双视场红外成像散焦的分析，总结散焦的发生原因、成像特点、呈现效应和传统解决方法，是建立适用于双视场红外成像光学系统的散焦成像模型的基础；

步骤二、散焦成像空间分辨率的MTF建模

红外成像系统的空间分辨率性能是由调制传递函数(MTF)参数指标反映，因此对由散焦引起的红外成像空间分辨率下降建模可以由各个调焦量对应的系统整机MTF建模实现。特别提出采用专门的光学设计软件代替典型的MTF建模方法，计算得到散焦时离焦量对应的更为精确的系统MTF模型；

步骤三、散焦成像空间分辨率下降的仿真

由散焦造成的红外成像空间分辨率下降，首先会直观表现为输出红外图像的模糊效应。在对双视场红外成像系统散焦成像空间分辨率的MTF建模基础上，采用频率样本法设计二维空间低通滤波器，并用其对蓝本图像进行空间滤波处理，就可以实现对由散焦成像引起的红外图像模糊效应进行仿真；

步骤四、散焦成像视场倍率的建模

红外光学系统倍率直接由系统有效焦距EFL参数决定，同样由于双视场红外光学系统的复杂性，对由散焦导致红外光学系统倍率变化建模需要分别在宽窄两个视场下计算各调焦量对应的EFL，采用光学设计分析软件软件可以对轴上中心视场处、宽窄两个视场进行计算机分析和精确计算；

步骤五、散焦成像视场变化的仿真

散焦导致另一现象是红外光学系统倍率变化，直观地表现为输出红外图像的缩放效应。只要用光学设计分析软件计算得到双视场各个调焦量对应的视场倍率值，对蓝本图像进行简单的缩放和剪裁，就可实现对由散焦导致的红外图像缩放效应的仿真。

2.如权利要求1所述双视场红外成像系统散焦的建模仿真方法，其特征在于：所述步骤一中对双视场红外成像散焦的分析，总结其散焦效应的特点，包括以下几部分：

(1)由物距变化引起散焦的原理分析；

(2)由热差引起散焦的原理分析；

(3)双视场红外光学成像系统的散焦分析和计算。

3.如权利要求1所述双视场红外成像系统散焦的建模仿真方法，其特征在于：所述步骤二中提出采用专门的光学设计软件代替典型的MTF建模方法，计算得到散焦时系统MTF与离焦量更为精确的关系曲线，为了对比验证进行了以下两部分：

(1)采用典型MTF模型对双视场红外成像系统建模；

(2)采用光学设计软件对双视场散焦红外成像建模。