红外成像传感器建模与仿真技术研究进展

通过对红外成像传感器系统效应建模与仿真进行研究,不仅可以较真实地对红外成像武器系统进行分析、测试和评估,而且还可为红外传感器性能分析和设计提供依据,因此具有重要的军事和经济意义。分析了红外成像传感器效应建模与仿真方法的研究现状,详细介绍了几种典型的红外传感器模型,并对红外传感器效应建模与仿真技术提出了几点看法。     

红外系统中渐晕效应的模拟方法研究

渐晕是红外光学系统中普遍存在的现象,导致最后产生的红外图像存在不应有的亮暗失真情况。对渐晕产生的原因进行了分析,实际系统中不仅有几何渐晕还有透镜造成的渐晕,这两者共同影响图像质量。根据渐晕产生的原因,基于图像像素处理法和光线追迹法建立渐晕效应的数学模型,得到仿真图像并对仿真结果进行分析。理论和实验结果表明文中建立的模型更加完善,有利于红外传感器总体系统的仿真。     

动态背景下的光流场计算方法

通过计算光流场来检测场景中的运动目标是计算机视觉中非常重要的研究课题,而光流场计算的精度直接关系到目标检测的准确性。针对实际拍摄的视频中由于背景存在运动而导致光流场中运动目标不突出的情况,提出了一种基于分块积分投影配准算法的光流场计算方法。首先利用提出的分块积分投影配准算法得到图像背景的运动参数,然后对背景进行运动补偿,再利用L-K算法求取运动补偿后图像中有效区域的光流场。通过真实视频对算法进行验证,并将结果与经典的L-K算法结果进行了对比。对比结果显示:本文所提算法计算得到的光流场中运动目标更加突出,算法效果较好。     

基于场景的红外成像系统盲元检测及校正

根据盲元的响应特性,给出了无需依赖黑体辐射定标的、基于时域平均野值提取的盲元检测算法,然后又提出了基于相关像素加权插值的盲元校正算法。详细探讨了盲元检测过程中阈值的设置方法,研究了参与加权估计盲元灰度值的像素数目对估计误差的影响。最后通过仿真实验对检测算法的准确性及校正算法的有效性进行了验证,实验结果表明:本文提出的检测算法结果准确,误检测率低。校正算法校正效果好,结果图像的RMSE低于两种常用校正算法。     

基于结构相似度和保真度的红外成像传感器仿真评价方法研究

红外成像传感器系统典型效应建模与仿真的真实性和逼真度决定着红外成像制导仿真的有效性,因此研究红外成像传感器系统的典型效应仿真评价方法具有十分重要的意义。针对目前红外成像传感器仿真评价方法不足的问题,基于结构相似度(Structural Similarity,SSIM)和保真度提出了一种红外成像传感器仿真图像验证评价方法。采用SSIM评价了仿真图像的亮度、对比度和结构相似度,并采用保真度评价了仿真图像的空间几何特征和灰度特征。实验结果表明,该方法可有效评价红外成像传感器的模糊、噪声等退化效应,适于对红外传感器建模与仿真图像进行客观质量验证与评价。     

红外焦平面阵列非均匀性的校正方法研究

针对读出电路与探测器产生的非均匀性,并对递归最小二乘非均匀校正算法(RLS算法)进行扩展和改进,提高非均匀校正的精度和算法的收敛速度。首先对红外焦平面阵列的非均匀性进行建模仿真,根据建立的模型利用局部恒定统计法对读出电路产生的非均匀性进行校正,然后采用自适应中值滤波算法(RAMF算法)对图像进行预处理,从而提供给后续RLS算法具有较低噪声的图像,实现RLS算法对探测器的非均匀性校正。仿真结果表明提出的算法能够有效地抑制读出电路对校正精度的影响,消除图像的非均匀性,同时采用RAMF算法对图像的预处理过程,能够加快RLS算法的收敛速度,提高信噪比,获得较好的非均匀性校正效果。     

填充因子对微扫描系统成像质量影响分析

填充因子是探测器阵列设计的一个重要参数,因此有必要研究填充因子对微扫描系统成像质量的影响。以22微扫描方式为例,在详细分析微扫描技术能够减少由探测器欠采样造成的混淆效应的基础上,仿真了不同填充因子下的输出图像,引进结构相似度(SSIM)的评价指标,从图像质量评价的角度对仿真图像进行定量分析。仿真结果表明填充因子的增大能够减少混淆效应,提高成像质量。指出探测器填充因子的增大虽然能提高成像质量,但是对成像质量的影响是有限的,对图像的改善程度不大,并不是影响像质的主要因素,这对微扫描成像系统的设计提供了理论和应用参考。     

红外成像传感器系统非均匀性成因研究

从探测器的响应特性、光学系统的相对辐射和外壳的杂散光三个方面对红外成像传感器系统非均匀性的产生原因进行了理论研究。红外焦平面阵列中,探测元与探测元间的结构及材料差异会影响量子效率及暗电流,从而影响探测元的响应特性。光学系统主要通过光瞳畸变矩阵影响场景辐射通量的分布,光学系统本身的辐射对非均匀性的贡献可以忽略。外壳的杂散光可分为高温部分和低温部分,忽略低温部分,引入系统冷屏效率的概念,建立了高温组件的辐射模型。该理论研究对光学系统的设计及非均匀性校正具有一定的参考意义。     

红外焦平面阵列的非均匀性仿真方法研究

在研究红外焦平面阵列(Infrared Focal Plane Array, IRFPA)非均匀性校正算法的过程中, 需要通过仿真获取大量带有非均匀性信息的目标图像。根据IRFPA非均匀性的产生机 理,分别建立了探测元非均匀性、读出电路非均匀性和漂移噪声的数学模型,并利用这些 模型在理想图像上分别叠加了这三部分的非均匀性,最终获取了目标图像。在仿真过程中,假设非均 匀性噪声符合高斯分布,通过设置模型系数使其具有不同的均值和方差,可以实现 不同程度的非均匀性仿真。由于考虑了漂移噪声,本文方法的仿真结果更为符合实际情况。     

采样红外成像系统的混淆效应研究

对红外焦平面阵列而言,欠采样产生的混淆效应严重影响成像质量。基于红外焦平面阵列的成像过程,在时间域分析了探测器的采样过程,在频率域定量研究了混淆效应对图像的影响,根据混淆产生的机理,分别对周期目标和非周期目标进行仿真实验。实验结果表明:对周期目标会有混淆失真现象,改变了图形的几何形状,对于非周期图像会产生锯齿条纹。指出在低空间频率内混淆影响小,噪声对图像的影响占主导地位,而在高空间频率内混淆失真严重,噪声影响小,这对消除图像混淆的影响、系统参数设计等方面具有一定的参考价值。