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紅外焦平面探測(cè)器圖像處理系統(tǒng)噪聲分析

1紅外焦平面探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)焦平面探測(cè)器使用了足夠多的焦平面列矩陣器覆蓋整個(gè)視覺(jué)場(chǎng),而不是用重光機(jī)掃描代替重量重復(fù)介紹器。因此,它非常適合于體積和重量需要嚴(yán)格規(guī)定的應(yīng)用場(chǎng)所。同時(shí),采用焦平面探測(cè)器的紅外凝視成像系統(tǒng)也改善了系統(tǒng)的性能,主要體現(xiàn)在如下兩個(gè)方面:一是使系統(tǒng)的熱靈敏度理論上可提高到單元探測(cè)器時(shí)的(nHnv)1/2倍,其中nH指焦平面列陣器件一行的單元數(shù),nv指焦平面列陣器件一列的單元數(shù);二是采用焦平面探測(cè)器的紅外凝視成像系統(tǒng)可以最大限度地發(fā)揮探測(cè)器快速響應(yīng)的特性,在理論上,紅外凝視成像系統(tǒng)對(duì)景物輻射的響應(yīng)時(shí)間只受探測(cè)器時(shí)間常數(shù)的限制,而不再受掃描機(jī)構(gòu)掃描速度的影響。總之,紅外焦平面探測(cè)器的研究和使用使紅外熱成像技術(shù)的發(fā)展躍進(jìn)到了一個(gè)新階段,是研制高水平的熱成像系統(tǒng)的重要技術(shù)途徑。采用焦平面探測(cè)器的紅外凝視成像系統(tǒng)現(xiàn)在已在許多軍、民用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用,但對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中的紅外焦平面探測(cè)器的成像性能的分析較少見(jiàn)到,本文下面針對(duì)紅外地面面目標(biāo)自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)中的紅外焦平面探測(cè)器的成像性能作一點(diǎn)分析。2光譜透過(guò)率的計(jì)算紅外自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)中的紅外焦平面探測(cè)器的基本組成如圖1所示,下面可由此模型來(lái)推導(dǎo)所得到的紅外圖像的信噪比計(jì)算公式。假設(shè)目標(biāo)是一個(gè)溫度為T0的絕對(duì)黑體,與紅外成像系統(tǒng)的距離為D,其光譜輻射強(qiáng)度為Meo(λ,T)。對(duì)于朗伯輻射源,光譜輻射強(qiáng)度與亮度之間有如下關(guān)系Le(λ)=1πMeo(λ,T)(1)Le(λ)=1πΜeo(λ,Τ)(1)若目標(biāo)輻射表面與視線垂直,則入瞳內(nèi)的光譜輻射通量為Φe(λ)=τa(λ)Ie(λ)Ω0=τa(λ)Le(λ)A0bΩ0=1πτa(λ)A0bΩ0Meo(λ,T)(2)Φe(λ)=τa(λ)Ιe(λ)Ω0=τa(λ)Le(λ)A0bΩ0=1πτa(λ)A0bΩ0Μeo(λ,Τ)(2)式中τa(λ)——大氣光譜透過(guò)率;A0b——進(jìn)入紅外成像系統(tǒng)視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)面積;Ω0=A0/D2——目標(biāo)輻射對(duì)面積為A0的光學(xué)系統(tǒng)入瞳所張的立體角,則對(duì)光譜靈敏度為Sn(λ)的輻射接收器,其輸出端的信號(hào)等于Uc=∫λ2λ1Φe(λ)τo(λ)Sn(λ)dλ=1πA0bA0D2∫λ2λ1τa(λ)τo(λ)Sn(λ)Meo(λ,T)dλ(3)Uc=∫λ1λ2Φe(λ)τo(λ)Sn(λ)dλ=1πA0bA0D2∫λ1λ2τa(λ)τo(λ)Sn(λ)Μeo(λ,Τ)dλ(3)式中τo(λ)——光學(xué)系統(tǒng)的光譜透過(guò)率,可假設(shè)在探測(cè)器敏感的紅外波段其光譜透過(guò)率為常數(shù),記為τo。由Sn(λ)的定義,可得Sn(λ)=UmD?(λ)/AnΔfe????????√(4)Sn(λ)=UmD*(λ)/AnΔfe?(4)式中Um——噪聲信號(hào)(V);D*(λ)——比探測(cè)率(cmHz1/2W-1);An——輻射接收器的面積(cm2);Δfe?——讀出放大器的等效噪聲帶寬(Hz)。由此可得讀出放大器輸出端的信號(hào)為Uc=τoπA0bUmA0D21AnΔfe?√∫λ2λ1τa(λ)D?(λ)Meo(λ,T)dλ(5)Uc=τoπA0bUmA0D21AnΔfe?∫λ1λ2τa(λ)D*(λ)Μeo(λ,Τ)dλ(5)對(duì)于朗伯輻射源,(5)式還可寫作如下形式Uc=τoA0bUmA0D21AnΔfe?√∫λ2λ1τa(λ)D?(λ)Lφ(λ)dλ(6)Uc=τoA0bUmA0D21AnΔfe?∫λ1λ2τa(λ)D*(λ)Lφ(λ)dλ(6)考慮到目標(biāo)可能不是黑體,且具有一定的輻射系數(shù),所以作如下假設(shè):在工作光譜范圍內(nèi)目標(biāo)的光譜輻射為常數(shù),即εo(λ,T)=εo,則讀出放大器輸出端的信號(hào)為Uc=τoπA0bUmA0D21AnΔfe?√∫λ2λ1τa(λ)D?(λ)ε0Meo(λ,T)dλ(7)Uc=τoπA0bUmA0D21AnΔfe?∫λ1λ2τa(λ)D*(λ)ε0Μeo(λ,Τ)dλ(7)根據(jù)圖像處理中信噪比的定義,可按如下定義讀出放大器輸出端的信噪比SNR=|Uc?Ub|Um(8)SΝR=|Uc-Ub|Um(8)式中Uc——目標(biāo)所對(duì)應(yīng)的探測(cè)單元的輸出電壓信號(hào);Ub——背景所對(duì)應(yīng)的探測(cè)單元的輸出電壓信號(hào);Um——輻射接收器的等效噪聲電壓信號(hào)。對(duì)于地面面目標(biāo)這種情況,則信噪比計(jì)算公式可寫為如下形式SNR=τoπA0bA0D21AnΔfe?√?∫λ2λ1D?(λ)τa(λ)(ε0Meo(λ,To)?εbMeb(λ,Tb))dλ(9)SΝR=τoπA0bA0D21AnΔfe??∫λ1λ2D*(λ)τa(λ)(ε0Μeo(λ,Τo)-εbΜeb(λ,Τb))dλ(9)3大氣傳輸特性與紅外輻射衰減紅外輻射在到達(dá)紅外焦平面探測(cè)器的光學(xué)系統(tǒng)之前必須通過(guò)大氣,并被衰減。紅外輻射在大氣中被衰減主要與3種現(xiàn)象有關(guān):①大氣氣體分子的吸收;②大氣中分子、氣溶膠和微粒的散射;③因氣象條件(云、霧、雨、雪)引起的衰減。在紅外自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)中,目標(biāo)與探測(cè)器之間要經(jīng)過(guò)較遠(yuǎn)距離的大氣傳輸,目標(biāo)的紅外輻射被衰減是影響紅外焦平面探測(cè)器成像質(zhì)量的一個(gè)重要因素,這一點(diǎn)也可從式(9)中看出。圖2和圖3是由LOWTRAN7計(jì)算出的分別在2km及5km高空垂直下視的8μm~12μm波段的紅外大氣光譜透過(guò)率。圖4和圖5則是在相同條件下假設(shè)地面有50m厚的霧的情況下大氣的光譜透過(guò)率。從圖中可以看出:(1)大氣對(duì)紅外輻射的損耗主要集中在低層大氣,在晴天無(wú)云情況下,從地面至2km高度,平均透過(guò)率可達(dá)0.7659,損耗達(dá)到了0.2341,至5km高度平均透過(guò)率也可達(dá)0.7276,距離增加了3km,但損耗只增加了0.0383。這是因?yàn)榇髿庵械臍馊苣z和微粒的散射對(duì)紅外輻射損耗影響很大,而大氣中的氣溶膠和微粒則主要集中在2km以下的低層大氣中。(2)天氣情況對(duì)紅外輻射的透過(guò)率影響非常大,同樣在2km高度,因?yàn)榈孛嬗徐F,平均透過(guò)率就從0.7659降到了0.116,大氣中的各種天氣情況也都集中在低層大氣中。4紅外焦平面探測(cè)器的信噪比分析紅外焦平面探測(cè)器的成像質(zhì)量是影響其后紅外自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵,紅外探測(cè)器的成像質(zhì)量高,則紅外自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)的識(shí)別概率也高。表1所示是一個(gè)對(duì)地面面目標(biāo)的紅外自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)使用的紅外焦平面探測(cè)器的相關(guān)參數(shù)。將目標(biāo)與背景均視為灰體,目標(biāo)在8μm~12μm的紅外段輻射系數(shù)為0.92,背景則為0.95,目標(biāo)與背景的溫差約為3K,則由前面所推得公式計(jì)算得到紅外焦平面探測(cè)器所成紅外圖像的信噪比如表2所示。從計(jì)算結(jié)果可見(jiàn),在地面有較大的霧的情況下,此時(shí)大氣對(duì)紅外輻射的損耗較大,但使用高性能的紅外焦平面探測(cè)器后,輸出的圖像信噪比仍達(dá)到5.6(5km,有霧情況下)。根據(jù)美國(guó)NMD對(duì)抗技術(shù)的有關(guān)資料,單幀探測(cè)概率與得到的紅外圖像信噪比之間有如下關(guān)系。Pd=90%要求SNR=5.4Pd=95%要求SNR=10.2Pd=97%要求SNR=16而對(duì)于紅外自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng),還可充分利用前后各幀紅外圖像的信息,所以其識(shí)別概率可以更大,由此可見(jiàn),這個(gè)系統(tǒng)在地面有較大的霧的情況下仍然可以正常工作。5紅外自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)的要求紅外焦平面探測(cè)器的靈敏度較高,所以在晴朗無(wú)云的天氣情況下其

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