红外成像传感器效应仿真

第３４卷第１期　红外技术　、，ｏ１．３４　Ｎｏ．１　２０１２年１月　Ｉｎｆｒａｒｅｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｊａｎ．　２０ｌ２　红外成像传感器效应仿真　王学伟，徐庆九　（海军航空工程学院控制工程系，山东烟台２６４００１）　摘要：按照红外成像传感器的工作原理，光学系统、焦平面阵列探测器和信号放大电路部分的线性和　非线性效应是影响输出红外图像质量的主要方面，阐述了红外传感器系统模型的建立流程和仿真系统　的实现步骤。仿真实验表明叠加了传感器效应的红外仿真图像置信度明显提高，可作为信号源对红外　成像系统进行客观测试和评价。　关键词：信号注入仿真；红外成像传感器；光学系统；焦平面阵列探测器；信号放大电路　中图分类号：ＴＰ３９１．９　文献标志码：Ａ　文章编号：１００１．８８９１（２０１２）０１—００４１．０３　Ｅｆｆｅｃｔｓ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｉｎｆｒａｒｅｄ　Ｉｍａｇｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＷＡＮＧ　Ｘｕｅ—ｗｅｉ，ＸＵ　Ｑｉｎｇ－ｊｉｕ　（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｖａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ　ａｎｄＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｅｓ，ＹａｎｔａｉＳｈａｎｄｏｎｇ　２６４００１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｉｍａｇｉｎｇ　ｓｅｎｓｏｒ，ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｃｓ　ｓｙｓｔｅｍ，ｆｏｃｕｓ　ｐｌａｎｅ　ａｒｒａｙ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ　ａｎｄ　ｓｉｇｎａｌ　ａｍｐｌｉｆｉｅｄ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｗｅｒｅ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｐａｒｔｓ　ｗｈｉｃｈ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｉｍａｇｅ．Ｔｈｅｓｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｉｎｃｌｕｄｅｄ　ｔｈｅ　ｌｉｎｅａｒ　ａｎｄ　ｎｏｎ—ｌｉｎｅａｒ　ｅｆｆｅｃｔｓ．Ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｆｌｏｗ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｓｅｎｓｏｒ　ｗａｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ　ａｃｈｉｅｖｉｎｇ　ｓｔｅｐ　ｗａｓ　ａｌｓｏ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｉｎｄｉｃａｔｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｆｉｄｅｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｉｍａｇｅ　ｗａｓ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｗｅｒｅ　ｉｍｐｏｓｅｄ．Ｉｔ　ｃａｎ　ｔｅｓｔ　ａｎｄ　ｅｖａｌｕａｔｅ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｉｍａｇｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｌｙ　ａｓ　ｔｈｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｓｏｕｒｃｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｉｇｎａｌ　ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，Ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｉｍａｇｉｎｇ　ｓｅｎｓｏｒ，ｏｐｔｉｃｓ　ｓｙｓｔｅｍ，ｆｏｃｕｓ　ｐｌａｎｅ　ａｒｒａｙ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ，　ｓｉｇｎａｌ　ａｍｐｌｉｆｉｅｄ　ｃｉｒｃｕｉｔ　０引言　主要表现为模糊、像质退化ｌ３］。这些线性效应包括光　学系统的光能衰减、衍射、像差＿４Ｊ，红外焦平面阵列　红外成像传感器模拟是信号注入式红外成像仿　探测器的空间和时间滤波效应，信号放大电路的线性　真的独有环节，可在无设备硬件参与的情况下实现全　滤波效应。系统总传递函数为各个组成单元调制传递　数字仿真，仿真产生的红外目标与背景图像作为信号　函数的乘积，通过将系统调制传递函数与相应景物目　源直接注入到红外系统信号处理电路中，可实现对信　标图像的傅立叶变换频谱图相乘，最后作傅立叶反变　号处理算法、控制回路乃至系统整体性能的测试与评　换，可得到系统仿真图像。仿真流程图如图１所示。　价ｌ】１。若不考虑传感器环节对红外图像的影响，仿真　光学系统　探测器　信号放大电路　生成的图像将过于“理想化”，置信度降低，对红外　ＭＴＦ『　ＭＴＦ　１　ＭＴＦ　Ｉ　成像系统的性能进行客观评价和测试产生影响。　匝］＿－＋（　—　—　—　ｌ总体思路　啦．　。　。ｄ　当把红外成像传感器系统看作线性、空间和时间　ｓｅｎｓｏｒ　ｓｙｓｔｅｍ　不变系统时，可以采用调制传递函数方法，在频率域　实际的系统成像过程存在非线性物理效应　］。非　中对该系统以及各个环节的成像过程进行建模　。　线性效应用调制传递函数无法进行建模。可采用光线　红外传感器系统的线性传递效应在图像效果上　追迹法和基于图像像素处理的方法从空间域上建模。　收稿日期：２０１１－０８—２３：修订日期：２０１１．１１—０２．　作者简介：王学伟（１９７３一），男，副教授，博士，主要研究方向为精确制导及仿真。Ｅ－ｍａｉｈ　ｘｕｅｗｅｉｗａｎｇ（￣ｓｏｈｕ．ｃｏｍ。　基金项目：总装备部武器装备预研基金．　４１　第３４卷第１期　Ｖ＿０１．３４　ＮＯ．１　２０１２年１月　王学伟等：红外成像传感器效应仿真　Ｊａｎ．　２０１２　从图３可以看出，红外辐射经过光学系统、红外　参考文献：　焦平面阵列探测器、信号放大电路后，由于各个效应　［１］王学伟，沈同圣，周晓东．红外热像仿真中传感器的模拟方法研究【Ｊ］．　对成像的作用影响，造成成像空间相关性增强，对比　半导体光电，２００４，２５（４）：３１７－３１９．　度降低，动态范围变小，模糊，均匀性变差，噪声干　［２］沈一酷．凝视红外成像系统的计算机模拟［Ｊ】．红外与激光工程，１９９６，　扰大，这些都符合实际红外图像的特点。　２５（１）：３５－３７．　为了进一步对比效果，图３（ｅ）为相似条件下实际　［３］王晓蕊．红外成像系统性能模型及现场性能预测［Ｄ】．西安电子科技　拍摄的红外图像。需要说明的是，拍摄时为了增强图　大学硕士学位论文，２００３　像效果，将烟囱口部位进行了额外加热处理，反映在　［４］吴军辉，王涛，邢晖等．红外动态景象仿真中光学系统效应仿真［Ｊ】．红　图像上就是烟囱口处的高亮信息更加明显，而实际的　外与激光工程，２００４（３３）：２５・２８　舰船目标是没有这么明显的。　［５］吴军辉，王涛，刘义和等．红外图像的非均匀性仿真［Ｊ］＿红外技术，　从上述图像对比结果来看，综合考虑了红外成像　２００３，２５ｆ５１：２６－２９　传感器效应的仿真图像作为信号源输入到红外成像　［６］刘会通，王骐，郑志伟等．红外焦平面阵列非线性响应的分析和计算　系统的信号处理单元中，可以客观评价和测试对目标　［Ｊ】＿红外与毫米波学报，２００１，２０（４）：２５３—２５８　的捕获和跟踪及其他性能。　［７］魏宏建，任浩，沈同圣．红外图像探测器噪声的数值模拟方法［Ｊ］．航　４结论　天电子对抗，２００２（６）：３３—３５　［８】　白廷柱．光电成像系统模拟仿真技术的研究［Ｄ］．北京：北京理工大学　信号注入仿真由于其低成本，在红外系统仿真中　２００１．　被广泛采用，而提高仿真置信度的关键环节就是对红　［９］陈治宣．红外传感器典型效应模拟及系统仿真研究［Ｄ］烟台：海军航　外传感器效应的模拟。通过仿真实验表明，叠加了红　空工程学院．２００７．１．　外成像传感器效应的红外仿真图像置信度明显提高，　［１Ｏ］周新伦，柳健，刘华志．数字图像处理［Ｍ］．北京：国防工业出版社，　可作为重要环节提高红外成像仿真整体的置信度水　１９８６：１４４．１４７　平。　４３