光電成像技術論文

　　在光電成像技術中，對其效能進行優化，可以提升成像系統的解析度。下面是小編整理了，有興趣的親可以來閱讀一下!

　　篇一

　　光電成像系統的解析度鑑定與測量技術

　　摘要:論述了光電成像系統中廣泛使用的解析度指標及分類,對空間解析度模擬度量法的原理和測量方法進行了論述和分析。通過研究指出用空間解析度指標來描述成像系統的質量,具有較好的直觀性和歸一性。由於單一的空間解析度測量指標還不可能給出總的影象系統的效能,僅僅基於解析度指標的影象評估不可能同時保證系統靈敏度設計的技術要求。因此,結合模擬度量法研究光電成像系統的解析度測量法,給出成像解析度測量準則。

　　關鍵詞:MTF;SRF;空間解析度;DAS;GRD

　　中圖分類號:TP29文獻標識碼:A

　　文章編號:1004-373X***2010***01-177-03

　　Resolution Identification and Measuring Technique of Photoelectric Image System

　　ZHANG Bin,LI Zhaohui

　　***Chinese Flight Test Establishment,Xi′an,710089,China***

　　 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.

　　 resolution;DAS;GRD

　　0 引言

　　物理系統中對解析度指標的使用由來已久,它是確定成像系統性能指標的基本要素,尤其是用解析度作為衡量影象質量的指標之一,人們會因此認為具有較高解析度的系統具有較好的影象質量[1]。一般情況下,對於類似於系統設計這樣的問題確實如此***例如,將兩個EMUX系統相比***,其MTF***調製傳遞函式***具有相同的函式形式。

　　解析度有四類不同內容[2]:時間解析度***以時間分類事件的能力***;灰度解析度***由A/D變換器設計、噪聲低限、或監視器效能指標決定***;譜解析度;空間解析度。

　　以30 Hz幀頻的成像系統,它所具有的時間解析度為1/30 s;灰度解析度是動態測量的範圍;譜解析度簡單地說就是該系統的譜帶通***如可見光,NIR,SWIR,MWIR或LWIR***。解析度是指能夠探測到的目標最小細節的能力;或者說解析度指的是成像系統注重於不同尺寸的物體的對比度的能力。將物體大小的概念量化最有效的方法是採用空間頻率,以單位長度內的週數或線對數表示。本文討論在工程應用中普遍關注的空間解析度這一指標。因為對於可見光CCD成像與測量、跟蹤系統,或者對於機載前視紅外偵察系統的發現、分類和識別都與空間解析度指標有著密切的關係。在工程應用中,用空間解析度指標來描述成像系統的質量,具有較好的直觀性和歸一性。

　　1 空間解析度、靈敏度與系統的響應關係

　　成像系統的靈敏度是關於最小可探測的訊號,通常定義為系統輸出端的單位信噪比[3]。靈敏度與光學系統的採光特性、探測器響應度和系統噪聲有關,但與解析度無關。由靈敏度極限給出的信噪比的近似表示式是:SNR=***τRΔI***/系統噪聲[4]。

　　對於紅外成像系統,目標背景的反差是由溫差ΔT來確定的,系統噪聲常被作為噪聲等效溫差NEDT,這種近似只適用於那些目標的角視距與預測計算距離處的系統解析度相比較大的情況。τ是平均大氣稠密度係數,ΔI是目標和背景間的對比強度差***對紅外成像系統而言,可以是溫差ΔT***,R是在同一大氣條件下的相對作用距離。上式中的SNR只有當大氣透過率在有意義的光譜區間內不變時才有效,即τ***λ***?τ。其中λ是波長。

　　作為成像系統的響應取決於靈敏度和解析度,如圖1所示,不同的系統可以有不同的MRTD。系統A具有較好的靈敏度,它在低空間頻率處有較低的MRTD。系統B具有較高的解析度,比系統A能夠顯示更細的細節。在中距空間頻率處,兩系統近似等價。圖1表明靈敏度、解析度或其他任何單一引數都不能用來比較系統總的響應特性;系統A是否比系統B更好,取決於特定的應用[5]。

　　圖1 具有不同MRTD系統的靈敏度、

　　解析度與系統的響應特性

　　在預測計算中,一般都要涉及到靈敏度和解析度[6]。靈敏度和解析度對於系統響應的限制是不同的,如圖2所示。

　　圖2 系統性能取決於解析度和靈敏度因子

　　當靈敏度受到限制時,系統性能取決於目標-背景的對比強度ΔI,大氣衰減程度和系統噪聲。當解析度受到限制時,探測距離只依賴於目標尺寸和系統解析度。解析度在工程實現上的意義在於對目標探測的最大距離便於進行估算,其近似公式為:

　　距離=目標尺寸/解析度

　　***1***

　　公式***1***只適於估算系統的相對距離效能,不能用於推算絕對距離。

　　2 空間解析度的度量準則

　　對空間解析度指標的要求,系統設計的不同階段和不同應用場合所對應的測試基準是不一樣的[7]。這也說明空間解析度在系統的設計和使用中的側重點有所不同,因而解析度的測試方法也就有所改變。表1列出了空間解析度在設計階段所依據的判據準則。其中每一款項都是基於效能測試資料選取的,並對解析度測量尺度提出了相應的規範[8]。

　　表1 解析度測量準則

　　適用範圍解析度測量尺度

　　光學設計者Rayl Eigh準則,Sparrow準則,Airy圓盤直徑,Blur直徑

　　探測器銷售商探測器單元數

　　系統分析***幾何法***DAS

　　系統分析***MTF法***有限解析度 EIFOV

　　系統校準***SRF法***成像解析度,測量解析度

　　監視器設計者TV有限解析度,可定址畫素數

　　偵察圖片和遙感地面分辨距離

　　空間解析度由許多有時看來並不相關的測試指標來確定,如Airy盤角尺寸,探測器角視距***DAS***,或Nyquist頻率***由角取樣率確定***。從系統性能驗證表明,解析度不包括系統的噪聲效應。

　　系統解析度取決於繞射、光學像差、探測器角視距、數字化、電子頻寬和監視器的解析度。解析度最通用的測量方法是用探測器的DAS法,因為這是一種容易理解的方法。DAS方法適合於那些系統探測器的MTF有限的情況。系統的解析度可能受到光學截止頻率或Nyquist頻率的限制。

　　DAS和IFOV之間是有差別的。簡單地說DAS就是幾何角視距,它由探測器尺寸和系統的焦距來決定。IFOV是一個錐角,探測器通過這個錐角來感應輻射,而且它取決於光學系統的設計。當光學Blur直徑減小時,IFOV就接近於DAS。如果Blur直徑非常大時,探測器就會感受來自DAS定義角之外的輻射量。

　　3 模擬度量法[8]

　　當MTF降低到一定的程度時,解析度的模擬測量可以由點源成像的寬度來確定,即兩個點源的最小可探測距離,或者說由觀測者所能分辨的最小細節。這些測量方法都假定系統的輸出就是對目標物***線性、平移不變系統***的映像。電視測試法只有當系統在模擬域時,在掃描方向上的測量才有效。

　　解析度也可以由光學因子來定義。繞射產生了最小可能的光斑尺寸。繞射測試法包括Rayl Eith準則,Sparrow準則和Airy圓盤直徑。Airy圓盤是繞射圖案的亮斑中心,該繞射圖案是由理想的光學系統產生的。Rayl EIth和Sparrow準則是度量兩個緊靠在一起的目標體區分的能力,其中這兩個目標體是點源體。光學像差和焦距限制***相對於Blur直徑而言***會增加繞射直徑。光學設計者通常利用光線跟蹤程式來計算出Blur直徑。

　　有限解析度可以定義為空間頻率,此時MTF降到其最大值的2%或5%。電視有限解析度是由觀測者觀察星形、楔形狀或解析度圖案所能分辨的最小細節來確定的。電視有限解析度是一種主觀度量。在上述圖案消失時的空間頻率近似等於這一有限解析度。除了電視有限解析度之外,還有許多針對監視器的解析度測試法和許多可以應用的測量技術。表2給出了模擬系統的解析度測量法。

　　表2 模擬系統的解析度測量法

　　解析度說明測試***常用單位***

　　Rayleigh準則可以區別2個點源θ=1.22λ/D/mrad***計算值***

　　Sparrow準則可以區別2個點源θ=λ/D/mrad***計算值***

　　Airy 圓盤由點源產生的有限繞射直徑θ=2.44λ/D/mrad***計算值***

　　Blur直徑由點源產生的實際最小直徑根據光路計算值/mrad

　　有限解析度空間頻率***當MTF=0.02~0.05***測量值或計算值 /cy/mrad

　　電視有限解析度辨別方波形的能力測量值***每影象高度上的TV線數***

　　成像解析度SRF=0.5時的角視距測量值 /mrad

　　測量解析度SRF=0.99時的角視距測量值 /mrad

　　地面分辨距離圖片解讀器能夠分辨的***1周***的最小試驗目標測量值或計算值***英尺或米***

　　地形解析度由圖片解讀器可以閱讀到的有限地貌特徵的評估測量值***英尺或米***

　　注:λ為光波中心波長;D為孔徑。

　　SRF***Slit Response Function***函式給出了成像解析度。成像解析度即是目標角視距產生50%的SRF響應,如圖3所示。

　　圖3 SRF函式θ1是成像解析度,θ2是測量解析度

　　成像解析度包括光學和電學響應,可以肯定它比計算DAS值更能反映實際系統的響應。對於理想系統而言,DAS是成像解析度的兩倍。對於選擇SRF=0.99的測量解析度近似等於最小目標尺寸,這可確保在照度方向重新復現。正是這一絕對最小尺寸可以用來進行響應測量和輻射測量校準。

　　對於空中偵察和相關的影象解讀,解析度是通過地形可分辨距離來量測的。GRD是最小的試驗目標***1周***尺寸,該尺寸可以由富有經驗的圖片解讀員在地面分辨出來。GRD是一種客觀度量攝像機分辨標準對比度目標的物理特性指標,可以分辨的最小細節具有GRD/2物理意義上的寬度。

　　GRD=***解析度***•R1

　　***2***

　　其中:R1是目標斜距[9]。通常典型的偵察模式是測量垂直於瞄準線方向的距離。因此,式***2***中不包含cos θ修正因子。列於表2的任一解析度測量都可以使用,但DAS最為普遍。GRD在實驗室內是測不到的,因為它取決於目標的實際距離,但如果依據適當的解析度測量也可以進行計算。

　　地形解析度是一個主觀項,它是對待觀測物體的有限特徵所做的大量估計[10],系統必須能夠分辨這些特徵。例如,當對公路上的中央斑馬白線條進行觀測時,要求系統具有4英寸的地面解析度。而對位於上述公路旁沙地上的花崗岩鵝卵石進行觀測時,只需系統具有大概2英尺的解析度即可。

　　4 結語

　　解析度指標是確定成像系統性能的基本要素,尤其是用該項指標可以作為衡量影象質量的標準比照引數,通常具有較高解析度的系統具有較好的影象質量。一般情況下,對於類似於系統設計這樣的問題確實如此***例如,將兩個EMUX系統相比***,它們的MTF***調製傳遞函式***具有相同的函式形式。對於可見光CCD成像測量與跟蹤系統,或者對於機載前視紅外偵察系統對目標的發現、分類和識別都與空間解析度指標有著密切的關係。在工程應用中,用空間解析度指標來描述成像系統的質量,具有較好的直觀性和歸一性。

　　雖然解析度給出了可識別目標的細節,然而單一的空間解析度測量指標還不可能滿足對所有感測器系統響應之間進行的比較。解析度不可能給出總的影象系統的效能,也不會給出影象對比度的影響效果。但是對比度傳遞函式和調製傳遞函式給出了對比度資訊。另外,解析度不受噪聲影響,與靈敏度也無關係。此外,需要值得注意的是,僅僅基於解析度技術要求的設計不可能同時保證靈敏度設計的技術要求。

　　整理

　　參考文獻

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　　[8]Gerald C Holst.Electro-optical Imaging System Perfor-mance[M]. by JCD Publishing 2932 Cove Trail Winter Park,FL32789 and Spie Optical Engineering Press,1995.

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　　[10]Kenneth R Castleman.Digital Image Processing[M].北京:電子工業出版社,2002

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