光电成像系统的分辨率鉴定与测量关键技术.doc

光电成像系统辨别率鉴定与测量技术 摘 要:阐述了光电成像系统中广泛使用辨别率指标及分类,对空间辨别率模仿度量法原理和测量办法进行了阐述和分析。通过研究指出用空间辨别率指标来描述成像系统质量,具备较好直观性和归一性。由于单一空间辨别率测量指标还不也许给出总图像系统性能,仅仅基于辨别率指标图像评估不也许同步保证系统敏捷度设计技术规定。因而,结合模仿度量法研究光电成像系统辨别率测量法,给出成像辨别率测量准则。 核心词:MTF;SRF;空间辨别率;DAS;GRD 中图分类号:TP29文献标记码:A 文章编号:1004-373X()01-177-03 Resolution Identification and Measuring Technique of Photoelectric Image System ZHANG Bin,LI Zhaohui (Chinese Flight Test Establishment,Xian,710089,China) Abstract:Index and classification of resolution which are widely used in the photoelectric image system is discussed with analysis of the principle and method of the simulated measurement of spatial resolution.The investigation shows that the index of spatial resolution which describes quality of the image-forming system is more direct and unitary than other methods.However,the single spatial resolution can not show the capability of the whole image system.Besides,the evaluation which it is only based on the index of spatial resolution can not ensure the designed technical requirement of the system sensitivity.Therefore,on the basis of the resolution measuring method of the photoelectric image system,a measuring criterion of the imaging resolution is obtained. Keywords:MTF;SRF;spatial resolution;DAS;GRD 0 引 言 物理系统中对辨别率指标使用由来已久,它是拟定成像系统性能指标基本要素,特别是用辨别率作为衡量图像质量指标之一,人们会因而以为具备较高辨别率系统具备较好图像质量1。普通状况下,对于类似于系统设计这样问题的确如此(例如,将两个EMUX系统相比),其MTF(调制传递函数)具备相似函数形式。 辨别率有四类不同内容2:时间辨别率(以时间分类事件能力);灰度辨别率(由A/D变换器设计、噪声低限、或监视器性能指标决定);谱辨别率;空间辨别率。 以30 Hz帧频成像系统,它所具备时间辨别率为1/30 s;灰度辨别率是动态测量范畴;谱辨别率简朴地说就是该系统谱带通(如可见光,NIR,SWIR,MWIR或LWIR)。辨别率是指可以探测到目的最小细节能力;或者说辨别率指是成像系统注重于不同尺寸物体对比度能力。将物体大小概念量化最有效办法是采用空间频率,以单位长度内周数或线对数表达。本文讨论在工程应用中普遍关注空间辨别率这一指标。由于对于可见光CCD成像与测量、跟踪系统,或者对于机载前视红外侦察系统发现、分类和辨认都与空间辨别率指标有着密切关系。在工程应用中,用空间辨别率指标来描述成像系统质量,具备较好直观性和归一性。 1 空间辨别率、敏捷度与系统响应关系 成像系统敏捷度是关于最小可探测信号,普通定义为系统输出端单位信噪比3。敏捷度与光学系统采光特性、探测器响应度和系统噪声关于,但与辨别率无关。由敏捷度极限给出信噪比近似表达式是:SNR=(RI)/系统噪声4。 对于红外成像系统,目的背景反差是由温差T来拟定,系统噪声常被作为噪声等效温差NEDT,这种近似只合用于那些目的角视距与预测计算距离处系统辨别率相比较大状况。是平均大气稠密度系数,I是目的和背景间对比强度差(对红外成像系统而言,可以是温差T),R是在同一大气条件下相对作用距离。上式中SNR只有当大气透过率在故意义光谱区间内不变时才有效,即()?歃印渲笑耸遣?作为成像系统响应取决于敏捷度和辨别率,如图1所示,不同系统可以有不同MRTD。系统A具备较好敏捷度,它在低空间频率处有较低MRTD。系统B具备较高辨别率,比系统A可以显示更细细节。在中距空间频率处,两系统近似等价。图1表白敏捷度、辨别率或其她任何单一参数都不能用来比较系统总响应特性;系统A与否比系统B更好,取决于特定应用5。 图1 具备不同MRTD系统敏捷度、辨别率与系统响应特性 在预测计算中,普通都要涉及到敏捷度和辨别率6。敏捷度和辨别率对于系统响应限制是不同,如图2所示。 图2 系统性能取决于辨别率和敏捷度因子 当敏捷度受到限制时,系统性能取决于目的-背景对比强度I,大气衰减限度和系统噪声。当辨别率受到限制时,探测距离只依赖于目的尺寸和系统辨别率。辨别率在工程实现上意义在于对目的探测最大距离便于进行估算,其近似公式为：距离=目的尺寸/辨别率 (1) 公式(1)只适于估算系统相对距离性能,不能用于推算绝对距离。 2 空间辨别率度量准则 对空间辨别率指标规定,系统设计不同阶段和不同应用场合所相应测试基准是不同样7。这也阐明空间辨别率在系统设计和使用中侧重点有所不同,因而辨别率测试办法也就有所变化。表1列出了空间辨别率在设计阶段所根据判据准则。其中每一款项都是基于性能测试数据选用,并对辨别率测量尺度提出了相应规范8。 表1 辨别率测量准则 合用范畴辨别率测量尺度 光学设计者Rayleigh准则,Sparrow准则,Airy圆盘直径,Blur直径 探测器销售商探测器单元数 系统分析(几何法)DAS 系统分析(MTF法)有限辨别率EIFOV 系统校准(SRF法)成像辨别率,测量辨别率 监视器设计者TV有限辨别率,可寻址像素数 侦察图片和遥感地面辨别距离 空间辨别率由许多有时看来并不有关测试指标来拟定,如Airy盘角尺寸,探测器角视距(DAS),或Nyquist频率(由角采样率拟定)。从系统性能验证表白,辨别率不涉及系统噪声效应。 系统辨别率取决于绕射、光学像差、探测器角视距、数字化、电子带宽和监视器辨别率。辨别率最通用测量办法是用探测器DAS法,由于这是一种容易理解办法。DAS办法适合于那些系统探测器MTF有限状况。系统辨别率也许受到光学截止频率或Nyquist频率限制。 DAS和IFOV之间是有差别。简朴地说DAS就是几何角视距,它由探测器尺寸和系统焦距来决定。IFOV是一种锥角,探测器通过这个锥角来感应辐射,并且它取决于光学系统设计。当光学Blur直径减小时,IFOV就接近于DAS。如果Blur直径非常大时,探测器就会感受来自DAS定义角之外辐射量。 3 模仿度量法8 当MTF减少到一定限度时,辨别率模仿测量可以由点源成像宽度来拟定,即两个点源最小可探测距离,或者说由观测者所能辨别最小细节。这些测量办法都假定系统输出就是对目的物(线性、平移不变系统)映像。电视测试法只有当系统在模仿域时,在扫描方向上测量才有效。 辨别率也可以由光学因子来定义。绕射产生了最小也许光斑尺寸。绕射测试法涉及Rayleith准则,Sparrow准则和Airy圆盘直径。Airy圆盘是绕射图案亮斑中心,该绕射图案是由抱负光学系统产生。Rayleith和Sparrow准则是度量两个紧靠在一起目的体区别能力,其中这两个目的体是点源体。光学像差和焦距限制(相对于Blur直径而言)会增长绕射直径。光学设计者普通运用光线跟踪程序来计算出Blur直径。 有限辨别率可以定义为空间频率,此时MTF降到其最大值2%或5%。电视有限辨别率是由观测者观测星形、楔形状或辨别率图案所能辨别最小细节来拟定。电视有限辨别率是一种主观度量。在上述图案消失时空间频率近似等于这一有限辨别率。除了电视有限辨别率之外,尚有许多针对监视器辨别率测试法和许多可以应用测量技术。表2给出了模仿系统辨别率测量法。 表2 模仿系统辨别率测量法 辨别率说 明测试(惯用单位) Rayleigh准则可以区别2个点源=1.22/D/mrad(计算值) Sparrow准则可以区别2个点源=/D/mrad(计算值) Airy 圆盘由点源产生有限绕射直径=2.44/D/mrad(计算值) Blur直径由点源产生实际最小直径依照光路计算值/mrad 有限辨别率空间频率(当MTF=0.020.05)测量值或计算值 /cy/mrad 电视有限辨别率辨别方波形能力测量值(每图像高度上TV线数) 成像辨别率SRF=0.5时角视距测量值 /mrad 测量辨别率SRF=0.99时角视距测量值 /mrad 地面辨别距离图片解读器可以辨别(1周)最小实验目的测量值或计算值(英尺或米) 地形辨别率由图片解读器可以阅读到有限地貌特性评估测量值(英尺或米) 注:为光波中心波长;D为孔径。 SRF(Slit Response Function)函数给出了成像辨别率。成像辨别率即是目的角视距产生50%SRF响应,如图3所示。 图3 SRF函数1是成像辨别率,2是测量辨别率 成像辨别率涉及光学和电学响应,可以必定它比计算DAS值更能反映实际系统响应。对于抱负系统而言,DAS是成像辨别率两倍。对于选取SRF=0.99测量辨别率近似等于最小目的尺寸,这可保证在照度方向重新复现。正是这一绝对最小尺寸可以用来进行响应测量和辐射测量校准。 对于空中侦察和有关图像解读,辨别率是通过地形可辨别距离来量测。GRD是最小实验目的(1周)尺寸,该尺寸可以由富有经验图片解读员在地面辨别出来。GRD是一种客观度量摄像机辨别原则对比度目的物理特性指标,可以辨别最小细节具备GRD/2物理意义上宽度。 GRD=(辨别率)•R1 (2) 其中:R1是目的斜距9。普通典型侦察模式是测量垂直于瞄准线方向距离。因而,式(2)中不包括cos 修正因子。列于表2任一辨别率测量都可以使用,但DAS最为普遍。GRD在实验室内是测不到,由于它取决于目的实际距离,但如果根据恰当辨别率测量也可以进行计算。 地形辨别率是一种主观项,它是对待观测物体有限特性所做大量预计10,系统必要可以辨别这些特性。例如,当对公路上中央斑马白线条进行观测时,规定系统具备4英寸地面辨别率。而对位于上述公路旁沙地上花岗岩鹅卵石进行观测时,只需系统具备大概2英尺辨别率即可。 4 结 语 辨别率指标是拟定成像系统性能基本要素,特别是用该项指标可以作为衡量图像质量原则比照参数,普通具备较高辨别率系统具备较好图像质量。普通状况下,对于类似于系统设计这样问题的确如此(例如,将两个EMUX系统相比),它们MTF(调制传递函数)具备相似函数形式。对于可见光CCD成像测量与跟踪系统,或者对于机载前视红外侦察系统对目的发现、分类和辨认都与空间辨别率指标有着密切关系。在工程应用中,用空间辨别率指标来描述成像系统质量,具备较好直观性和归一性。 虽然辨别率给出了可辨认目的细节,然而单一空间辨别率测量指标还不也许满足对所有传感器系统响应之间进行比较。辨别率不也许给出总图像系统性能,也不会给出图像对比度影响效果。但是对比度传递函数和调制传递函数给出了对比度信息。此外,辨别率不受噪声影响,与敏捷度也无关系。此外,需要值得注意是,仅仅基于辨别率技术规定设计不也许同步保证敏捷度设计技术规定。 参照文献 1张建奇.红外物理M.西安:西安电子科技大学出版社,. 2A R 杰哈.红外技术应用光电、光子器件及传感器M.北京:化学工业出版社,. 3安毓英,曾晓东.光电探测原理M.西安:西安电子科技大学出版社,. 4马松德,张正友.计算机视觉计算理论与算法基本M.北京:科学出版社,. 5李言俊,张科.视觉仿生成像制导技术及应用M.北京:国防工业出版社,. 6王永仲.当代军用光学技术M.北京:科学出版社,. 7徐淦卿.红外物理与技术M.西安:西安电子科技大学出版社,1989. 8Gerald C Holst.Electro-optical Imaging System Perfor-manceM.USA:Copublished by JCD Publishing 2932 Cove Trail Winter Park,FL32789 and Spie Optical Engineering Press,1995. 9蔡道济.国外电子靶场实验技术述评D.北京:国防科工委情报研究所,1989. 10Kenneth R Castleman.Digital Image ProcessingM.北京:电子工业出版社,.