可见、红外目标对比度特性测量系统研究

1、1 绪 论 可见、红外目标对比度特性测量系统研究摘 要近年来，随着红外技术的不断发展，在军事领域，目标与背景对比度特性测量越来越受各国的重视。目标与背景对比度特性测量是评价目标探测识别装置的性能和目标隐身效果的重要依据之一。目标与背景对比度特性测量主要通过成像系统获取目标图像，从而获得目标图像的灰度值，反演得到目标特性。本文主要针对光学成像系统进行研究，为了能同时对目标进行可见光图像和红外图像进行采集，在光学系统设计上采用双波段融合技术，把可见光波段和红外波段融合到一个光学系统里，很大程度上提高目标探测概率和准确度，同时也有利于后期的图像融合。也是目前国内外的一个热门研究课题。通过比较国内外双

2、波段设计经验，深入研究可见/红外双波段光学系统设计方法。设计了一套可见/红外双波段共口径光学系统，其中可见光波段为0.38m0.76m，红外波段为7.9m9.7m。随着加工工艺的提高和二元光学元件的出现，分析比较双波段光学系统设计的一般结构形式，采用折衍混合结构形式。系统光路中采用分光棱镜进行分光，分别各种探测器接收成像。红外光路利用制冷型红外探测器进行接收，为实现100%冷光阑效率和减小系统透镜的口径，采用二次成像结构。本文对成像系统参数进行理论计算，依据系统选型以及探测器的参数，分别计算可见光通道和红外光通道光学系统的主要参数。设计参数如下：可见光光路的焦距为100mm，相对孔径为1:4。

3、长波红外光路的焦距为100mm，相对孔径为1:2。为了使光学系统在-40+60的工作温度范围内成像质量均满足像质要求，分析了温度变化对光学系统结构参数及性能的影响，采用光学被动式对系统进行无热化设计，两个波段光路全视场在奈奎施特频率处的MTF值均大于0.4，系统满足无热化设计要求。光学系统最终设计像质良好，满足设计要求。关键词：目标与背景对比度；双波段；二次成像；无热化1 绪 论1.1 课题的目的及意义在军事领域，目标探测识别一直各国争先研究的课题，只有掌握了先进的技术，就能在战场上占据主动权，在目标探测识别、目标打击和预警上占据主导地位。为了适应未来不同的战场环境，在目标探测识别技术上提出了

4、更高的要求，从最初的可见光波段探测到后来的红外目标探测，到如今更加宽的波段探测，更加全面的目标信息采集，不再是单一波段的目标探测。目标与背景对比度数据能有效的区分目标与背景，能有效的对目标进行精确的定位和跟踪识别。目标对比度特性测量可以获得不同的目标在不同使用环境背景下的对比度数据，是识别目标的主要数据来源。目前，主要是指对目标红外波段辐射强度及温度、光谱分布特性与目标与背景可见光反射特性进行测量，在信息化装备体系建设中具有极为重要的作用1。近年来，世界各大军事强国，投入了大量的人力物力研究目标与背景的对比度特性2，以此来提高军事目标的打击能力和现代军事战场的生存能力3。目前，用于测量目标和背

5、景对比度的装置有很多，例如红外热成像仪、红外光谱辐射计、激光雷达等4。但大部分都是针对单一波段的目标特性测量，这就在目标信息采集上表现出很大的不足。目标与背景对比度特性数据的获取主要有两种方法，一种是通过计算机仿真模拟，针对不同的目标发射率，不同的大气条件，所处的不同环境背景，通过计算公式和软件仿真得来的数据；另一种是通过实验设备，在外场环境下进行大量的实验来获取目标与背景对比度数据。目前国内在软件仿真方面已经做了很多研究，也获得了一定的成果，但在外场实验数据测量方面还是落后于国外。所以本课题针对目标与背景对比度特性测量的系统进行研究，由于目前目标对比度特性测量采用的是成像法，主要是通过光学成

6、像系统对目标进行图像采集，获得目标图像灰度值与所处背景图像灰度值，进而反演得出目标特性数据。由于传统的成像系统大多是单一波段，在目标成像上波段单一，目标信息采集不全面。近年来，也出现了一些双波段的成像系统，但这是单独对两个单波段系统进行独立设计再通过机械结构将两个子系统拼接到一起，虽然也能实现不同波段下的目标图像采集，但带来的是测量系统体积大，系统波段间切换效率低等问题，同时也加大了后期图像融合的难度。本文针对目标对比度特性测量的成像系统，在可见光波段和红外波段的图像采集，提出了一种基于可见、红外双波段共口径的光学系统设计方法，把可见光波段和红外波段融合到一个通道里。1.2 国内外研究成果简述

7、及发展趋势1.2.1 目标对比度特性研究国内外现状国外20世纪50年代就开始对军事目标进行红外特征研究，目标涉及飞机、舰船、坦克和桥梁等。美国在目标对比度特性研究上处于世界领先的水平，1978年，密西根大学根据理论建模和外场测试建立了PRISM计算软件，该软件可以根据坦克相应的参数得出坦克表面的温度场及辐射亮度5。1987年美国坦克及摩托化司令部在PRISM软件的基础上发布了TTIM软件，该软件主要研究光学系统、探测器及信号处理对仿真结果有影响的因素6。美国在目标特性测量这方面的研究处于领先的地位。根据测量系统所处的空间位置，划分为地基、空基和天基。上世纪70年代，已经研制出用于飞机辐射特性测

8、量的地基红外成像系统，该系统包括跟踪器、测距装置、可见及红外成像系统，具有目标特性测量和跟踪功能。目前，美国最具代表性的是地基空间目标辐射特性测量系统是毛伊岛光学观测站AMOS7。AMOS包含多个大口径望远镜的辐射测量系统，测量波段为可见和红外波段。与国外相比，国内目标特性研究相对比较薄弱。起步的比较晚，20世纪90年代初，系统化的理论研究才真正的开始。“八五”、“九五”期间，重点选择了坦克、舰船和飞机等目标辐射特性理论建模研究。并取得了一定的进展8。2002年，韩玉阁等人对目标与背景红外辐射特性的理论建模和计算分析，生成了目标与背景的红外热图像9。2004年，王毅等人利用大气传输软件MODT

9、RAN计算了大气条件下可见光到红外波段上的目标与背景的对比度10。2013年，韩玉阁等人又提出了装甲车辆及地物背景的温度场及红外特性的计算模型，对装甲车辆运动时对地面产生的热痕进行数值模拟11。1.2.2 双波段光学系统国内外研究现状2008年11月，美国专利中报道发明了一种双波段反射式红外热成像系统12，该系统包括一个反射式红外热成像和一台反射式可见光摄像机，两者共轴，可以同步同轴地获取图像。其中反射式红外热成像器内通过反射光学模块聚焦在红外成像传感器上成像。2010年，Jay N. Vizgaitis13设计了一款折反射中波红外/长波红外双波段连续共变焦光学系统。该系统共口径部分采用折射式

10、，成像探测器为红外双波段探测器。2011年Jeong-Yeol Han14等人针对远距离倾斜相机中可见/中波红外双波段的实现，采用卡塞格林结构。上世纪80年代,我国的红外技术才刚刚开始出现,由于起步的时间较晚所以现在与欧洲国家比相对比较落后,中国推广第一代红外成像仪也较晚,红外变焦系统的设计更少。2001 年，上海技物所发表的一篇专利中涉及一种用于机载或星载红外遥感等领域中的红外双波段折衍混合光学成像系统15，使用双中心波长闪耀二元衍射元件以及 InSb/HgCdTe 双色探测器，其单元大小 80m80m，系统焦距 173.3mm，F 数 2.5，视场0.5，考虑到衍射效率，波段选取了 3.5

11、3.9m 和 10.512.5m，该系统结构简单，采用双中心波长闪耀二元光学衍射元件提高了通光效率。2003 年，西光所在短波和中波红外波段设计了红外双波段(13m 和 35m)卡塞格林系统16，焦距 261.3mm，F 数 2.6，视场 2.6，探测器单元尺寸为 46m，该系统采用共用卡塞格林系统中的两反射镜，而在主反射镜背部光路中加分光镜分光，然后在每一路光路中分别加场镜以校正畸变、场曲等像差。2004 年，浙江大学利用衍射元件设计了中波、长波红外双波段光学系统17。系统如图2.1所示。双波段焦距均为146mm，F数为2，全视场3。同样采用分光路结构并在系统后部使用二次成像系统。系统双波段

12、窗口共用硫化锌和硒化锌材料，而后部通过各自光路独立校正其谱段像差，衍射面加在系统最后一光学表面上，实现了较好的成像质量。此外，该系统还实现了100%冷光阑效率，大幅度提高了红外光学系统的分辨率。图 2.1 分光路红外双波段光学系统2013年，长春理工大学现代光学测试技术研究室采用摄远结构，设计了焦距200mm、F数2.8、3m5m和8m12m宽光谱的制冷型红外双波段共光路光学系统18。该系统采用了二次成像设计并引入了1阶衍射面和非球面。所用材料为Ge、ZnS和一种新兴材料AMTIR1(锗、砷和硒的混合材料)，达到了很好的设计效果。2014年，西安工业大学的陈阳设计了一套变倍比达到10:1的可见

13、光/中红外双波段共口径共变焦光学系统，系统利用了一种直接变倍比差补偿方法实现了可见光与中红外波段在任意变焦位置处焦距及变倍比相同，达到了双波段共口径、共变焦的目的19。综上所述，目前国内对目标对比度特性定量测量还比较少，本课题设计一套可见、红外双波段光学系统，可以获取同一目标的可见光和红外信息，并利用信号处理将其转化为电信号，数字化后输出可见光图像和红外灰度图像，通过反演获得目标的可见光反射率和红外辐射率。1.3 本文研究的的主要内容和章节安排1.3.1 研究主要内容本课题针对地面目标与典型使用背景成像对比度的研究，利用目标和背景在可见光波段的反射特性和红外波段的辐射特性上的差异展开研究。通过

14、查阅国内外文献，并结合实际情况确定了研究方案。通过成像探测装置对远距离地面目标成像，获取可见光图像和红外图像，分别提取图像的目标灰度值和背景灰度值，通过灰度值来定义目标与背景的对比度，通过经验公式获得对比度与探测距离的关系，提高光电探测系统的探测精度。主要内容有以下几点：（1） 分析目标与背景的辐射特性，采用目标与背景图像的灰度值来定义目标与背景的对比度（2） 设计一款可见/红外双波段共口径光学系统，通过对系统参量分析计算，确定设计指标。（3） 对光学系统的关键技术进行研究，包括光学系统无热化技术，冷反射分析，和公差分析的一般方法。1.3.2 章节的安排本文内容共分六章，安排如下：第一章 绪论

15、；第二章 目标与背景对比度与系统总体设计；第三章 可见/红外双波段光学系统参数分析；第四章 可见/红外双波段光学系统设计关键技术；第五章 可见/红外双波段光学系统设计结果；第六章 总结与展望。112 目标对比度特性分析与系统总体设计 2 系统总体设计2.1 目标与背景对比度在自界中，一切温度高于绝对零度的物体都能向外界辐射能量，也就是不为我们人眼所看见的红外光线，红外光线与可见光线的区别在于波段的不同，红外波段主要集中在0.76m1000m，可以根据波段范围的不同，分为近红外、中波红外、长波红外、源红外和极远红外。红外波段在光子能量上弱于可见光波段，人眼对红外光线感应不了。但是在红外波段具有较

16、强的热效应，目标的辐射表征的主要是温度，当温度越高辐射的能量越强。2.1.1 目标辐射特性目标按其所处位置可分为空中目标、海面目标和地面目标空中目标主要有各种类型的飞机、导弹和其它飞行器，此类目标的特点为速度高、体积小、温度高，能发射很强的红外辐射，辐射主要来自尾喷管和排出的气流，与天空背景的红外辐射特性有明显不同，背景干扰较小，目标的探测和跟踪较为简单海面目标包括各种军舰、运输船等，此类目标的排气筒有较强的红外辐射，从排气筒输出的废气具有很高的温度，虽然采用废气冷却措施，但废气的温度仍明显高于船体的温度，船体的温度虽然与海水温度接近，但二者的辐射发射率差异很大，其目标辐射特性与背景辐射差异大

17、，有利于探测，地面目标包括机场、工厂、桥梁等固定目标和坦克、汽车、火炮等机动目标，地面机动目标的不同部位有不同的辐射能量，排气管最热，其次是发动机外壳。地面固定目标红外辐射特性较为复杂，与地面背景的红外辐射特性较为接近的目标，检测红外目标较为困难，相对而言地面机动目标更利于探测。对于红外波段，一般采用辐射度学来定义。最早的是普朗克提出的黑体的温度与辐射能量的关系，主要定义了辐射能量与物体温度、波段的选择的关系式。一个绝对温度为的黑体，其辐射功率Mb（T）与波长、温度T满足下列关系: （2.1）式中，C1为第一辐射常数，其值为3.74108wm4/m2；C2为第二辐射常数，其值为14388mk。

18、这就是著名的普朗克辐射定律，同时这也是红外辐射度学的一个基础。由于本文研究的主要是针对地面目标，以坦克目标为例，坦克目标辐射的主要由本身材料发射率和表面温度决定的，当太阳光照射到坦克表面被其吸收，增加其向外辐射的能量。当坦克静止状态下处于常温温度，当坦克发动机发动的时候，温度将达到300K左右。由于黑体在一定的温度下，辐射出射度在一定范围内不会随着波段的变大而一直变大，而是有一个峰值波段，这时的辐射能量是最强的。根据维恩位移定律，峰值波长m满足的维恩位移定律， （2.2）式中，常数b=2898（mK）。针对地面目标，假设温度T=300K，此时的峰值波长m=9.65m，所以坦克主要的辐射波段集中

19、在长波红外波段。由于在大气中传输会对红外辐射中某些波长发生严重吸收，针对地面目标辐射能量集中在长波波段。2.1.2 目标与背景对比度实际情况下，目标通常都是处在自然背景中，受到来自各个背景的红外辐射。如何有效地计算各种背景的红外辐射，成为准确计算目标温度场的关键。通常情况下，导弹红外系统面对的背景有天空、地面和海洋等。根据目标的分类，背景可以分为天空背景、海面背景和地面背景。天空背景的红外辐射源主要由太阳、月球、星星、云和大气等产生，太阳辐射在通过大气时，受大气组分的吸收和散射，射至地球表面的多是0.3m3m的辐射，而且大部分集中于0.38m0.76m的可见光波段月球的辐射包括两部分，一部分是

20、反射的太阳辐射，一部分为月球自身的辐射，月球的辐射近似于的绝对黑体星星的辐射随时间和在天空的位置两个因素变化，但任何时刻它对地球表面的辐射量都是很小的大气辉光产生在大气层，主要为0.75m2.5m。地面背景辐射由反射、散射的太阳光和自身的热辐射组成,辐射的光谱特性有两个峰值，一处由太阳辐射产生，一处由自身的热辐射产生，影响地面温度分布和辐射特性的因素很多。目标与背景的对比度有多种表示方法，可以用目标与背景的辐射温度、强度、亮度、出射度、功率以及在探测器上的辐射照度表示；所得红外图像可以用目标与背景的灰度表示；由同一物理量表示的对比度还可以分为绝对对比度和相对对比度。对于大多数地面辐射源而言，一

21、定条件下可以视为漫射灰体，并且在工程计算中有足够的准确度，因此文中采用测试设备采集到的图像的灰度值来表示对比度。 （2.5）式中，对比度C定义为目标与背景灰度值之差与背景灰度值之比。通过成像系统对目标进行图像采集，包括光学系统，探测器，图像处理系统。本文主要针对其中光学系统，提出一种双波段融合的设计方法。2.2 系统工作原理目标对比度特性主要是目标自身的辐射与目标所处的背景环境的辐射能量不同，来实现对目标的区分和定位。本文测量目标对比度，主要通过成像系统对目标的红外图像采集和反射背景可见光图像的采集，从而获得图像灰度值，反演得到目标辐射反射特性及对比度特性。目标图像的采集是通过成像系统获取，本

22、文设计的光学成像系统是双波段共口径光学系统，两个波段分别是可见光波段和长波红外波段，系统共口径部分能同时获得目标的可见光波段信息和长波红外波段的信息，经过分光棱镜，各自通道成像，长波红外光路采用制冷型长波红外焦平面，主要是通过获取目标的辐射能量，经光学系统到达探测器上，经过光电转换元件，转化成电信号，再经信号处理系统最终输出灰度图像；可见光光路采用CCD作为探测器，获得目标的可见光信号经过光电转换元件转换成像电信号，再经过信号处理系统输出可见光图像。工作原理如图2.1所示。图2.1 成像系统工作原理示意图2.3 光学系统设计流程 2.4 本章小结本章节通过辐射定律描述目标的辐射与目标反射背景辐

23、射，介绍目标与背景对比度的定义。定义目标与背景对比度为目标与背景灰度值之差与背景灰度值之比。采用所得图像的灰度表示对比度的方式，主要针对其成像系统中光学系统，提出了双波段设计方法。3 可见/红外双波段光学系统基本参数分析目标搜索过程的不同阶段对应不同的探测水平，探测水平是将系统性能与人眼视觉相结合的一种视觉能力评价，约翰逊根据实验把目标探测与等效条带图案探测问题联系起来。在不考虑目标本质和图像缺陷的情况下，用目标等效条带图案可分辨力来评价成像系统对目标的识别能力。目标等效条带图案是一组黑白间隔相等的条带状图案，其总高度为基本上能被识别的目标临界尺寸，即目标在该方向的最小投影尺寸，条带长度为垂直

24、于临界尺寸方向的横跨目标尺寸。约翰逊准则：等效条带图案可分辨力能用来预测目标的探测和识别，确定了各类探测水平所需要的条带周期数。目标测量系统探测距离与目标与背景特性、大气环境、光学系统参数及成像质量、探测器接收性能和后期信息处理技术等因素有关。根据目标探测技术和工程实践经验，通常要求光学系统同时满足两个条件确保对目标进行可靠探测：（1） 目标自身辐射和经目标反射的自然光通过大气传输，经过光学系统，到达接收探测器靶面的照度要大于探测器像面最小照度。（2） 目标经光学系统在探测器靶面所成像的尺寸依据约翰逊（Johnson）准则，大于探测器的分辨率。3.1 可见光光路参数分析 （1）光学系统焦距人眼

25、在搜索处于一定背景中的目标或成像系统显示器上的目标像时，眼睛的连续响应可分为探测、定向、识别和辨别四个等级。下表3.1给出各种探测水平所需条带周期数N均表示50%概率下的结果。表3.1 人眼搜索的等级及约翰逊准则探测水平定 义50%概率时所需分辨力/cyc探 测在视场内发现一个目标1.00.25定 向可大致区分目标是否对称及方位1.40.35识 别可将目标分类（如坦克、卡车、人等）4.00.8辨 别可区分出目标型号及其他特征（如T-72坦克等）6.41.5实际应用中，其他探测概率的条带周期数要作相应的修正。美国热成像系统静态性能模型FLIR92采用了一种概率与目标条带周期N的关系为 （3.1）

26、学位论文独创性声明式中，E=2.7+0.7（N/Ne）；Ne为50%概率对应的条带周期数。根据上式可以推出探测概率与等效条带数的关系，如下表3.2所示。表3.2 目标探测概率与等效条带数的关系探测概率010508095100探 测00.511.523识 别0246812辨 别048121624 本课题针对坦克目标进行探测研究，坦克目标的临界面积为33，临界宽度为3m。根据约翰逊准则，光学系统探测概率选取为50%，根据表3.2，在此探测概率下对应的线对数N=4。可见光光路采用CCD作为探测器，其尺寸为13941040，像元尺寸为6.45m6.45m，在在不考虑内部因素对分辨率影响的前提下，对于可

27、见光波段，CCD的奈奎斯特频率Nn为： （3.2）本方案系统探测目标的距离R为5处高度W约为3m的坦克目标。由光学系统焦距f 的大小应保证系统具有不低于观察等级所对应的分辨力，所以焦距最小值计算公式如下: （3.3）式中，N为探测等级对应概率的线对数，R为探测距离，H为目标等效高度，Nn为探测器极限分辨力。 当式中N=4，R=5，H=3m，Nn=77.5lp/mm时，可见光光路的焦距为f 86mm。结合工程经验和实际设计需求，我们取光学系统的焦距为100mm。（2）系统视场角计算光学系统的视场角根据光学公式(3.4)可以算出，其中为半视场角，y 为实际设计的半像高： (3.4)该光学系统采用的

28、探测器为13941040的CCD探测器，像元大小为6.45m6.45m，这样可以算出探测器光敏面对角线长度为11mm，为了防止CCD探测器装调偏离光轴而形成暗角，在实际设计过程中半像高y 应稍大于图像传感器CCD的有效像面对角线半径，所以半视场角为： (3.5)（3）F数的确定理论上F数与光学系统成像成反比，F数小，光学系统有效通光口径越大，若F数太小，会导致系统设计以及加工难度增加，综合考虑，确定F数为4。3.2 红外光路参数分析对于红外光学系统，由约翰逊准则可知，红外系统的作用距离探测5远等效为3m的坦克目标，光学系统对目标成像至少占一对像元，可以推算出红外光学系统的焦距： (3.6)式中

29、，探测距离R=5，坦克目标H=3m，一对像元尺寸高度h=225m=50m。所以红外光学系统的焦距为f 84mm，结合工程经验和实际设计需求，我们取光学系统的焦距为100mm。由于红外光学系统采用320256的制冷型红外焦平面，综合考虑，确定F数为2。3.2.1 红外系统成像性能评价评价一个红外热成像系统的性能优劣通常是以它的现场性能（如作用距离）为标准的。因此，能够评估红外热成像系统性能的参量有如下几个特点，首先，能够体现热成像系统的外场特性；其次，选择的评价参量能够进行数学建模。再则，评估参量能够得到实验室测量结果的验证，以利于检验、修改和优化理论模型；最后能找到外场性能指标与实验室测量参量

30、之间的定量转换关系，能够预测热成像系统的外场性能。目前，能够表征热成像系统性能的常用参量有NETD、MRTD、MDTD、MTF等参量，然而纵观红外热成像系统性能评估模型的发展历程，可以发现这些参量都是基于MRTD理论模型。最小可分辨温差能够综合评价红外成像系统性能，其不仅包括主观因索,也包括系统特征。一般通过MRTD可以表征在不同的空间频率下，红外成像系统对空间温度的感知度。最小可分辨温差（MRTD）对对应的空间频率为四个条带，长宽比值为7:1的目标，采用红外成像系统对这个目标进行观测时，当人眼可以分辨出这个标图形空间频率上的四个条带时，此时目标与环境间的温差就被定义为最小可分辨温差(MRTD

31、)。MRTD计算公式： (3.7)式中：SNRDT为对应50%的探测概率下的信噪比；NETD为最小等效温差；MTF(f)系统的调制传递函数；为系统的瞬间视场；fp为目标特征的空间频率函数。3.2.2 MRTD的修正（1）目标尺寸修正在实验室中，表征红外热成像系统静态性能参量MRTD的标准测试图案是高宽比为7：1的四条带标准靶，而实际目标的等效条带图案的高宽比一般不满足理想测试图案的高宽比。因此，本文根据实际目标的等效条带图案的高宽比对MRTD模型进行修正。若对应于某一观察等级时的目标的等效条带对数为Ne，目标实际的高宽比为0，则等效条带的长为L，宽为W/2Ne，长宽比为： (3.8)目标的等效

32、条带的长宽比和人眼视觉系统的空间积累特性有关，等效条带越长，积累越大，视觉接收的信噪比越高（提高m倍）。因此，考虑实际目标等效条带的长宽比之后，MRTD修正为： (3.9)（2）探测概率与视频阈值信噪比对于目标图像，观察者探测概率的清晰度有关系，而图像清晰度又取决于图像信噪比。国外已做过一些实验，F.A.Rosell将其总结为概率积分： (3.10)式中：SNRDT为探测概率为50%时的视频阈值信噪比，一般取值为2.8，SNR为对应的探测概率为P时的阈值信噪比，对应的MRTD也需要改变，即： (3.11)考虑到上述两个因素，修正后的最小可分辨温差为： (3.12)3.2.3 目标与背景辐射温差对于红外成像系统有实际意义的辐射源主要有两类：一类是所要探测的目标和景物，对于我们的研究，其范围一般是：人类、坦克、飞机等典型目标。另一类就是干扰红外成像系统探测性能的背景辐射。地面上的主要目标是坦克、装甲运输车等。这些目标温度较低，辐射能量小，且其辐射多集中在8m12m。同时，这些车辆涂漆表面的辐射发射率大约为0.9。估算红外成像系统的作用距离时，我们是基于目标与背景的温差来估算视距的。因此有必要研究目标辐射和背景辐射的温差。热像仪实际探测到的是一个复杂景物图像，要精确地确定复杂图像