紅外焦平面探測器圖像處理系統(tǒng)噪聲分析

紅外焦平面探測器圖像處理系統(tǒng)噪聲分析

1紅外焦平面探測器的優(yōu)點焦平面探測器使用了足夠多的焦平面列矩陣器覆蓋整個視覺場，而不是用重光機掃描代替重量重復介紹器。因此，它非常適合于體積和重量需要嚴格規(guī)定的應用場所。同時,采用焦平面探測器的紅外凝視成像系統(tǒng)也改善了系統(tǒng)的性能,主要體現在如下兩個方面:一是使系統(tǒng)的熱靈敏度理論上可提高到單元探測器時的(nHnv)1/2倍,其中nH指焦平面列陣器件一行的單元數,nv指焦平面列陣器件一列的單元數;二是采用焦平面探測器的紅外凝視成像系統(tǒng)可以最大限度地發(fā)揮探測器快速響應的特性,在理論上,紅外凝視成像系統(tǒng)對景物輻射的響應時間只受探測器時間常數的限制,而不再受掃描機構掃描速度的影響?？傊?紅外焦平面探測器的研究和使用使紅外熱成像技術的發(fā)展躍進到了一個新階段,是研制高水平的熱成像系統(tǒng)的重要技術途徑。采用焦平面探測器的紅外凝視成像系統(tǒng)現在已在許多軍、民用系統(tǒng)中得到廣泛應用,但對于實際應用中的紅外焦平面探測器的成像性能的分析較少見到,本文下面針對紅外地面面目標自動目標識別系統(tǒng)中的紅外焦平面探測器的成像性能作一點分析。2光譜透過率的計算紅外自動目標識別系統(tǒng)中的紅外焦平面探測器的基本組成如圖1所示,下面可由此模型來推導所得到的紅外圖像的信噪比計算公式。假設目標是一個溫度為T0的絕對黑體,與紅外成像系統(tǒng)的距離為D,其光譜輻射強度為Meo(λ,T)。對于朗伯輻射源,光譜輻射強度與亮度之間有如下關系Le(λ)=1πMeo(λ,T)(1)Le(λ)=1πΜeo(λ,Τ)(1)若目標輻射表面與視線垂直,則入瞳內的光譜輻射通量為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)——大氣光譜透過率;A0b——進入紅外成像系統(tǒng)視場內的目標面積;Ω0=A0/D2——目標輻射對面積為A0的光學系統(tǒng)入瞳所張的立體角,則對光譜靈敏度為Sn(λ)的輻射接收器,其輸出端的信號等于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)——光學系統(tǒng)的光譜透過率,可假設在探測器敏感的紅外波段其光譜透過率為常數,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(V);D*(λ)——比探測率(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為Uc=τoπA0bUmA0D21AnΔfe?√∫λ2λ1τa(λ)D?(λ)Meo(λ,T)dλ(5)Uc=τoπA0bUmA0D21AnΔfe?∫λ1λ2τa(λ)D*(λ)Μeo(λ,Τ)dλ(5)對于朗伯輻射源,(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)考慮到目標可能不是黑體,且具有一定的輻射系數,所以作如下假設:在工作光譜范圍內目標的光譜輻射為常數,即εo(λ,T)=εo,則讀出放大器輸出端的信號為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——目標所對應的探測單元的輸出電壓信號;Ub——背景所對應的探測單元的輸出電壓信號;Um——輻射接收器的等效噪聲電壓信號。對于地面面目標這種情況,則信噪比計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紅外焦平面探測器的光學系統(tǒng)之前必須通過大氣,并被衰減。紅外輻射在大氣中被衰減主要與3種現象有關: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。在紅外自動目標識別系統(tǒng)中,目標與探測器之間要經過較遠距離的大氣傳輸,目標的紅外輻射被衰減是影響紅外焦平面探測器成像質量的一個重要因素,這一點也可從式(9)中看出。圖2和圖3是由LOWTRAN7計算出的分別在2km及5km高空垂直下視的8μm～12μm波段的紅外大氣光譜透過率。圖4和圖5則是在相同條件下假設地面有50m厚的霧的情況下大氣的光譜透過率。從圖中可以看出:(1)大氣對紅外輻射的損耗主要集中在低層大氣,在晴天無云情況下,從地面至2km高度,平均透過率可達0.7659,損耗達到了0.2341,至5km高度平均透過率也可達0.7276,距離增加了3km,但損耗只增加了0.0383。這是因為大氣中的氣溶膠和微粒的散射對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)天氣情況對紅外輻射的透過率影響非常大,同樣在2km高度,因為地面有霧,平均透過率就從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紅外焦平面探測器的信噪比分析紅外焦平面探測器的成像質量是影響其后紅外自動目標識別系統(tǒng)數據處理的關鍵,紅外探測器的成像質量高,則紅外自動目標識別系統(tǒng)的識別概率也高。表1所示是一個對地面面目標的紅外自動目標識別系統(tǒng)使用的紅外焦平面探測器的相關參數。將目標與背景均視為灰體,目標在8μm～12μm的紅外段輻射系數為0.92,背景則為0.95,目標與背景的溫差約為3K,則由前面所推得公式計算得到紅外焦平面探測器所成紅外圖像的信噪比如表2所示。從計算結果可見,在地面有較大的霧的情況下,此時大氣對紅外輻射的損耗較大,但使用高性能的紅外焦平面探測器后,輸出的圖像信噪比仍達到5.6(5km,有霧情況下)。根據美國NMD對抗技術的有關資料,單幀探測概率與得到的紅外圖像信噪比之間有如下關系。Pd=90%要求SNR=5.4Pd=95%要求SNR=10.2Pd=97%要求SNR=16而對于紅外自動目標識別系統(tǒng),還可充分利用前后各幀紅外圖像的信息,所以其識別概率可以更大,由此可見,這個系統(tǒng)在地面有較大的霧的情況下仍然可以正常工作。5紅外自動目標識別系統(tǒng)的要求紅外焦平面探測器的靈敏度較高,所以在晴朗無云的天氣情況下其