一种基于实测图像的红外成像模糊效应仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种基于实测图像的红外成像模糊效应仿真方法，实现基于实测数据的红外图像模糊效应推演仿真，首先对实测图像数据进行预处理，并通过辐射定标的方式，获得场景辐射分布；在此基础上，结合仿真系统设计参数，计算仿真系统光电响应信号分布、对比度调制传递函数；结合测试系统对比度调制传递函数，计算转换矩阵，并通过对转换矩阵逆傅立叶变换，得到矩阵；将矩阵与光电信号分布卷积，实现红外成像模糊效应仿真图像；最后通过对仿真图像空间分辨率转换、噪声叠加，实现红外图像仿真。该方法克服了传统红外成像模糊效应仿真方法模型参量难以获取、对高度复杂耦合的红外实测图像解耦、模型精度低的问题，仿真结果更准确。仿真结果更准确。仿真结果更准确。

【技术实现步骤摘要】
一种基于实测图像的红外成像模糊效应仿真方法


[0001]本专利技术属于红外成像仿真
，涉及一种基于实测图像的红外成像模糊效应仿真方法。

技术介绍

[0002]随着红外成像技术发展和应用，红外成像仿真技术越来越受到重视，如以美国为首的发达国家开发了DIRSIG、SE
‑
WORKBENCH、CAMEO
‑
SIM、OSSIM、VIRSuite等仿真平台，并成功支撑空、天、地、海等多种成像系统的设计、验证、研发、测试和评估。
[0003]红外系统成像过程中，光学镜头衍射、探测器采样、信号处理电路滤波等都会导致红外系统成像模糊，影响系统成像分辨率、探测/识别距离、虚警率等。由此可见，红外系统成像模糊效应仿真是红外成像仿真技术中一个不可或缺的重要环节。
[0004]目前主要通过辐射预测或反演方式，获取战场环境本征辐射分布；再结合红外系统设计参数等，通过构建对比度调制传递函数模型表征红外系统模糊效应；通过叠加红外系统对比度调制传递函数模型，实现红外系统成像模糊效应仿真。其中，辐射预测方式实现过程复杂，且反演过程涉及的物体热交换、热传导等模型的参量难以获取；辐射反演方式需要对高度、复杂耦合的红外实测图像解耦至战场环境本征辐射，解耦过程误差源较多。

技术实现思路

[0005](一)专利技术目的
[0006]本专利技术的目的是：针对上述现有红外成像模糊效应仿真方法中存在的缺陷，提出一种基于实测图像的红外成像模糊效应仿真方法，以实现基于实测数据的红外图像模糊效应推演仿真。
[0007](二)技术方案
[0008]为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于实测图像的红外成像模糊效应仿真方法，其工作原理是：假设红外测试系统的对比度调制传递函数为MTF
t
(f
x
,f
y
)，实测红外图像数据为g
t
(x,y)；仿真系统MTF为MTF
s
(f
x
,f
y
)，仿真红外图像数据为g
s
(x,y)；理想无模糊效应红外图像数据为g(x,y)。则，不考虑噪声、空间分辨率影响情况下，根据红外系统成像模糊效应原理可知：
[0009]g
t
(x,y)＝FFT
‑1[MTF
t
(f
x
,f
y
)
·
FFT(g(x,y))][0010]g
s
(x,y)＝FFT
‑1[MTF
s
(f
x
,f
y
)
·
FFT(g(x,y))][0011]构建转换矩阵A(f
x
，f
y
)，令MTF
s
(f
x
,f
y
)＝A(f
x
,f
y
)
·
MTF
t
(f
x
,f
y
)。则：
[0012][0013]则仿真红外图像数据g
s
(x,y)可表示为：
[0014][0015]由此可见，为利用实测红外图像数据f
t
(x,y)实现红外成像模糊效应仿真，需要构建转换矩阵A(f
x
,f
y
)。而转换矩阵A(f
x
,f
y
)与仿真红外系统的对比度调制传递函数MTF
s
(f
x
,f
y
)、实测红外系统的对比度调制传递函数的逆MTF
t
‑1(f
x
,f
y
)有关。其中，实测红外系统的对比度调制传递函数MTF
t
(f
x
,f
y
)可通过实验测量得到。仿真红外系统的对比度调制传递函数可利用光学镜头的对比度调制传递函数MTF
o
(f
x
,f
y
)、探测器的对比度调制传递函数MTF
d
(f
x
,f
y
)、信号处理电路的对比度调制传递函数MTF
e
(f
x
,f
y
)、显示器的对比度调制传递函数MTF
p
(f
x
,f
y
)得到：
[0016]MTF
s
(f
x
,f
y
)＝MTF
o
(f
x
,f
y
)
·
MTF
d
(f
x
,f
y
)
·
MTF
e
(f
x
,f
y
)
·
MTF
p
(f
x
,f
y
)
[0017]根据红外系统成像模糊效应推演过程可知，利用测试系统和仿真系统对比度调制传递函数，通过构建转换矩阵A(f
x
,f
y
)，可实现红外系统成像模糊效应仿真。然而，考虑到空间频率f
x
、f
y
超过红外系统空间截止频率f
Nx
、f
Ny
时，红外系统MTF趋近于零值，且难以准确测量，导致MTF
‑
1t
(f
x
,f
y
)无解，从而进一步导致转换矩阵A(f
x
,f
y
)无解。由此可见，红外成像模糊效应推演方法具有一定的适用范围。
[0018](1)当测试系统的空间截止频率f
Nt
大于或等于仿真红外系统的空间截止频率f
Ns
时，考虑超过仿真红外系统空间截止频率时，仿真系统MTF
s
(f
x
,f
y
)一般为0，此时转换矩阵可表示为：
[0019][0020](2)当测试系统的空间截止频率f
Nt
小于仿真红外系统的空间截止频率f
Ns
时，，考虑超过实验红外系统空间截止频率时，测试系统MTF
t
(f
x
,f
y
)一般为0，MTF
‑
1t
(f
x
,f
y
)无解，此时转换矩阵可表示为：
[0021][0022]此时，在超过测试系统空间截止频率的频率范围内，MTF
‑
1t
(f
x
,f
y
)无解，导致仿真本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于实测图像的红外成像模糊效应仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步、准备工作整理实测红外图像数据、红外图像采集系统性能参数和所选用仿真系统设计参数；第二步、实测红外图像数据预处理对输入实测红外图像数据进行预处理，包括手动去噪、图像降噪，抑制红外图像采集系统噪声对仿真结果的影响；第三步、场景辐射分布解析通过辐射定标的方式，对实测红外图像数据解析，获得场景辐射分布；第四步、结合仿真系统设计的光学镜头透过率、探测器信号响应率、光学镜头孔径面积、光学镜头焦距、光学镜头放大率、像元大小了、信号处理电路的信号放大系数，计算场景辐射产生的光电信号分布S(x,y)；第五步、仿真系统调制传递函数转换矩阵计算根据仿真系统设计参数，计算仿真系统对比度调制传递函数MTF
s
(f
x
,f
y
)；结合红外图像采集系统对比度调制传递函数MTFt(f
x
,f
y
)，计算调制传递函数转换矩阵A(f
x
,f
y
)；第六步、转换矩阵逆傅里叶变换对转换矩阵A(f
x
,f
y
)进行逆傅里叶变换，得到矩阵FFT
‑1(x,y)；第七步、红外成像模糊效应计算将矩阵FFT
‑1(x,y)与第四步得到的光电信号分布S(x,y)卷积，实现红外成像模糊效应仿真；第八步、仿真图像空间分辨率转换。依据红外图像采集系统信号几何分辨率转换原理，构建实测红外图像与仿真图像之间的空间分辨率转换关系，实现仿真系统空间分辨率特性仿真；第九步、仿真图像噪声计算。结合仿真系统NETD、噪声等效带宽、噪声信号方差，在第八步基础上叠加仿真系统噪声特性；第十步、仿真图像输出与显示。输出并显示最终仿真图像。2.如权利要求1所述的基于实测图像的红外成像模糊效应仿真方法，其特征在于，所述第一步中，利用640
×
512分辨率的中波红外热像仪作为红外图像采集系统，采集标准靶标的红外图像，并记录热像仪的焦距f
t
、光学镜头孔径面积A
o
、像元大小d
wt
×
d
ht
；记录仿真系统的设计参数，包括光学镜头透过率τ
o
(λ)、光学镜头焦距f
s
、光学镜头孔径面积A
o
、探测器信号响应率R(λ)、像元大小d
ws
×
d
hs
、信号处理电路的信号放大系数G
c
。3.如权利要求2所述的基于实测图像的红外成像模糊效应仿真方法，其特征在于，所述第三步中，在室内，将中波红外热像仪对准标准黑体源，调节黑体源温度，记录不同黑体温度下的热像仪输出数字信号，绘制热像仪“黑体温度
‑
数字信号”辐射标定曲线，得到黑体温度T
t
与数字信号D
t
之间映射关系T
t
＝C(D
t
)；在此基础上，根据实测红外图像对应的数字信号，得到实测红外图像每个像素的黑体等效温度T
t
(x,y)＝C(D
t
(x,y))；依据普朗克辐射公式，计算得到红外图像每个像素的场景辐射亮度：
式中，C1表示第一辐射常数，C1＝3.74
×
108(W
·
μm4/m2)，C2表示第二辐射常数，C2＝1.44
×
104(μm
·
K)。4.如权利要求3所述的基于实测图像的红外成像模糊效应仿真方法，其特征在于，所述第四步中，根据仿真系统设计参数，利用红外图像每个像素的场景辐射亮度L
t
(x,y,λ)，计算红外图像每个像素的场景经仿真系统响应后的光电信号分布S(x,y)：5.如权利要求4所述的基于实测图像的红外成像模糊效应仿真方法，其特征在于，所述第五步中，转换矩阵A(f
x
,f
y
)主要根据中波红外热像仪的对比度调制传递函数MTF
t
(f
x
,f
y
)、仿真系统的对比度调制传递函数MTF
s
(f
x
,f
y
)计算得到：设实测红外图像数据为g
t
(x,y)，红外仿真图像数据为g
s
(x,y)，理想无模糊效应红外图像数据为g(x,y)，根据红外系统成像模糊效应原理得到：g
t
(x,y)＝FFT
‑1[MTF
t
(f
x
,f
y
)
·
FFT(g(x,y))]g
s
(x,y)＝FFT
‑1[MTF
s
(f
x
,f
y
)
·
FFT(g(x,y))]构建转换矩阵A(f
x
,f
y
)，令MTF
s
(f
x
,f
y
)＝A(f
x
,f
y
)
·
MTF
t
(f
x
,f
y
)，则：其中，中波红外热像仪的对比度调制传递函数MTF
t
(f
x
,f
y
)利用红外系统对比度调制传递函数测试仪测量红外系统对比度调制传递函数MTF
t
(f
x
,f
y
)，并计算伴随矩阵MTF
t*
(f
x
,f
y
)及其逆矩阵MTF
t
‑1(f
x

【专利技术属性】
技术研发人员：郭冰涛，韩琪，张卫国，庞澜，王谭，
申请(专利权)人：西安应用光学研究所，
类型：发明
国别省市：