在光電成像技術(shù)中，對其性能進(jìn)行優(yōu)化，可以提升成像系統(tǒng)的分辨率。下面是學(xué)習(xí)啦小編整理了光電成像技術(shù)論文，有興趣的親可以來閱讀一下!

　　光電成像技術(shù)論文篇一

　　光電成像系統(tǒng)的分辨率鑒定與測量技術(shù)

　　摘 要:論述了光電成像系統(tǒng)中廣泛使用的分辨率指標(biāo)及分類,對空間分辨率模擬度量法的原理和測量方法進(jìn)行了論述和分析。通過研究指出用空間分辨率指標(biāo)來描述成像系統(tǒng)的質(zhì)量,具有較好的直觀性和歸一性。由于單一的空間分辨率測量指標(biāo)還不可能給出總的圖像系統(tǒng)的性能,僅僅基于分辨率指標(biāo)的圖像評估不可能同時保證系統(tǒng)靈敏度設(shè)計(jì)的技術(shù)要求。因此,結(jié)合模擬度量法研究光電成像系統(tǒng)的分辨率測量法,給出成像分辨率測量準(zhǔn)則。

　　關(guān)鍵詞:MTF;SRF;空間分辨率;DAS;GRD

　　中圖分類號:TP29文獻(xiàn)標(biāo)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)

　　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

　　物理系統(tǒng)中對分辨率指標(biāo)的使用由來已久,它是確定成像系統(tǒng)性能指標(biāo)的基本要素,尤其是用分辨率作為衡量圖像質(zhì)量的指標(biāo)之一,人們會因此認(rèn)為具有較高分辨率的系統(tǒng)具有較好的圖像質(zhì)量[1]。一般情況下,對于類似于系統(tǒng)設(shè)計(jì)這樣的問題確實(shí)如此(例如,將兩個EMUX系統(tǒng)相比),其MTF(調(diào)制傳遞函數(shù))具有相同的函數(shù)形式。

　　分辨率有四類不同內(nèi)容[2]:時間分辨率(以時間分類事件的能力);灰度分辨率(由A/D變換器設(shè)計(jì)、噪聲低限、或監(jiān)視器性能指標(biāo)決定);譜分辨率;空間分辨率。

　　以30 Hz幀頻的成像系統(tǒng),它所具有的時間分辨率為1/30 s;灰度分辨率是動態(tài)測量的范圍;譜分辨率簡單地說就是該系統(tǒng)的譜帶通(如可見光,NIR,SWIR,MWIR或LWIR)。分辨率是指能夠探測到的目標(biāo)最小細(xì)節(jié)的能力;或者說分辨率指的是成像系統(tǒng)注重于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采用空間頻率,以單位長度內(nèi)的周數(shù)或線對數(shù)表示。本文討論在工程 應(yīng)用中普遍關(guān)注的空間分辨率這一指標(biāo)。因?yàn)閷τ诳梢姽釩CD成像與測量、跟蹤系統(tǒng),或者對于機(jī)載前視紅外偵察系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)、分類和識別都與空間分辨率指標(biāo)有著密切的關(guān)系。在工程應(yīng)用中,用空間分辨率指標(biāo)來描述成像系統(tǒng)的質(zhì)量,具有較好的直觀性和歸一性。

　　1 空間分辨率、靈敏度與系統(tǒng)的響應(yīng)關(guān)系

　　成像系統(tǒng)的靈敏度是關(guān)于最小可探測的信號,通常定義為系統(tǒng)輸出端的單位信噪比[3]。靈敏度與光學(xué)系統(tǒng)的采光特性、探測器響應(yīng)度和系統(tǒng)噪聲有關(guān),但與分辨率無關(guān)。由靈敏度極限給出的信噪比的近似表達(dá)式是:SNR=(τRΔI)/系統(tǒng)噪聲[4]。

　　對于紅外成像系統(tǒng),目標(biāo)背景的反差是由溫差ΔT來確定的,系統(tǒng)噪聲常被作為噪聲等效溫差NEDT,這種近似只適用于那些目標(biāo)的角視距與預(yù)測計(jì)算距離處的系統(tǒng)分辨率相比較大的情況。τ是平均大氣稠密度系數(shù),ΔI是目標(biāo)和背景間的對比強(qiáng)度差(對紅外成像系統(tǒng)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(dāng)大氣透過率在有意義的光譜區(qū)間內(nèi)不變時才有效,即τ(λ)?τ。其中λ是波長。

　　作為成像系統(tǒng)的響應(yīng)取決于靈敏度和分辨率,如圖1所示,不同的系統(tǒng)可以有不同的MRTD。系統(tǒng)A具有較好的靈敏度,它在低空間頻率處有較低的MRTD。系統(tǒng)B具有較高的分辨率,比系統(tǒng)A能夠顯示更細(xì)的細(xì)節(jié)。在中距空間頻率處,兩系統(tǒng)近似等價。圖1表明靈敏度、分辨率或其他任何單一參數(shù)都不能用來比較系統(tǒng)總的響應(yīng)特性;系統(tǒng)A是否比系統(tǒng)B更好,取決于特定的應(yīng)用[5]。

　　圖1 具有不同MRTD系統(tǒng)的靈敏度、

　　分辨率與系統(tǒng)的響應(yīng)特性

　　在預(yù)測計(jì)算中,一般都要涉及到靈敏度和分辨率[6]。靈敏度和分辨率對于系統(tǒng)響應(yīng)的限制是不同的,如圖2所示。

　　圖2 系統(tǒng)性能取決于分辨率和靈敏度因子

　　當(dāng)靈敏度受到限制時,系統(tǒng)性能取決于目標(biāo)-背景的對比強(qiáng)度ΔI,大氣衰減程度和系統(tǒng)噪聲。當(dāng)分辨率受到限制時,探測距離只依賴于目標(biāo)尺寸和系統(tǒng)分辨率。分辨率在工程實(shí)現(xiàn)上的意義在于對目標(biāo)探測的最大距離便于進(jìn)行估算,其近似公式為:

　　距離=目標(biāo)尺寸/分辨率

　　(1)

　　公式(1)只適于估算系統(tǒng)的相對距離性能,不能用于推算絕對距離。

　　2 空間分辨率的度量準(zhǔn)則

　　對空間分辨率指標(biāo)的要求,系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不同階段和不同應(yīng)用場合所對應(yīng)的測試基準(zhǔn)是不一樣的[7]。這也說明空間分辨率在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用中的側(cè)重點(diǎn)有所不同,因而分辨率的測試方法也就有所改變。表1列出了空間分辨率在設(shè)計(jì)階段所依據(jù)的判據(jù)準(zhǔn)則。其中每一款項(xiàng)都是基于性能測試數(shù)據(jù)選取的,并對分辨率測量尺度提出了相應(yīng)的規(guī)范[8]。

　　表1 分辨率測量準(zhǔn)則

　　適用范圍分辨率測量尺度

　　光學(xué)設(shè)計(jì)者Rayl Eigh準(zhǔn)則,Sparrow準(zhǔn)則,Airy圓盤直徑,Blur直徑

　　探測器銷售商探測器單元數(shù)

　　系統(tǒng)分析(幾何法)DAS

　　系統(tǒng)分析(MTF法)有限分辨率 EIFOV

　　系統(tǒng)校準(zhǔn)(SRF法)成像分辨率,測量分辨率

　　監(jiān)視器設(shè)計(jì)者TV有限分辨率,可尋址像素數(shù)

　　偵察圖片和遙感地面分辨距離

　　空間分辨率由許多有時看來并不相關(guān)的測試指標(biāo)來確定,如Airy盤角尺寸,探測器角視距(DAS),或Nyquist頻率(由角采樣率確定)。從系統(tǒng)性能驗(yàn)證表明,分辨率不包括系統(tǒng)的噪聲效應(yīng)。

　　系統(tǒng)分辨率取決于繞射、光學(xué)像差、探測器角視距、數(shù)字化、電子帶寬和監(jiān)視器的分辨率。分辨率最通用的測量方法是用探測器的DAS法,因?yàn)檫@是一種容易理解的方法。DAS方法適合于那些系統(tǒng)探測器的MTF有限的情況。系統(tǒng)的分辨率可能受到光學(xué)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(tǒng)的焦距來決定。IFOV是一個錐角,探測器通過這個錐角來感應(yīng)輻射,而且它取決于光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。當(dāng)光學(xué)Blur直徑減小時,IFOV就接近于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(dāng)MTF降低到一定的程度時,分辨率的模擬測量可以由點(diǎn)源成像的寬度來確定,即兩個點(diǎn)源的最小可探測距離,或者說由觀測者所能分辨的最小細(xì)節(jié)。這些測量方法都假定系統(tǒng)的輸出就是對目標(biāo)物(線性、平移不變系統(tǒng))的映像。電視測試法只有當(dāng)系統(tǒng)在模擬域時,在掃描方向上的測量才有效。

　　分辨率也可以由光學(xué)因子來定義。繞射產(chǎn)生了最小可能的光斑尺寸。繞射測試法包括Rayl Eith準(zhǔn)則,Sparrow準(zhǔn)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(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的。Rayl EIth和Sparrow準(zhǔn)則是度量兩個緊靠在一起的目標(biāo)體區(qū)分的能力,其中這兩個目標(biāo)體是點(diǎn)源體。光學(xué)像差和焦距限制(相對于Blur直徑而言)會增加繞射直徑。光學(xué)設(shè)計(jì)者通常利用光線跟蹤程序來計(jì)算出Blur直徑。

　　有限分辨率可以定義為空間頻率,此時MTF降到其最大值的2%或5%。電視有限分辨率是由觀測者觀察星形、楔形狀或分辨率圖案所能分辨的最小細(xì)節(jié)來確定的。電視有限分辨率是一種主觀度量。在上述圖案消失時的空間頻率近似等于這一有限分辨率。除了電視有限分辨率之外,還有許多針對監(jiān)視器的分辨率測試法和許多可以 應(yīng)用的測量技術(shù)。表2給出了模擬系統(tǒng)的分辨率測量法。

　　表2 模擬系統(tǒng)的分辨率測量法

　　分辨率說 明測試(常用單位)

　　Rayleigh準(zhǔn)則可以區(qū)別2個點(diǎn)源θ=1.22λ/D/mrad(計(jì)算值)

　　Sparrow準(zhǔn)則可以區(qū)別2個點(diǎn)源θ=λ/D/mrad(計(jì)算值)

　　Airy 圓盤由點(diǎn)源產(chǎn)生的有限繞射直徑θ=2.44λ/D/mrad(計(jì)算值)

　　Blur直徑由點(diǎn)源產(chǎn)生的實(shí)際最小直徑根據(jù)光路計(jì)算值/mrad

　　有限分辨率空間頻率(當(dāng)MTF=0.02~0.05)測量值或計(jì)算值 /cy/mrad

　　電視有限分辨率辨別方波形的能力測量值(每圖像高度上的TV線數(shù))

　　成像分辨率SRF=0.5時的角視距測量值 /mrad

　　測量分辨率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(yàn)?zāi)繕?biāo)測量值或計(jì)算值(英尺或米)

　　地形分辨率由圖片解讀器可以閱讀到的有限地貌特征的評估測量值(英尺或米)

　　注:λ為光波中心波長;D為孔徑。

　　SRF(Slit Response Function)函數(shù)給出了成像分辨率。成像分辨率即是目標(biāo)角視距產(chǎn)生50%的SRF響應(yīng),如圖3所示。

　　圖3 SRF函數(shù)θ1是成像分辨率,θ2是測量分辨率

　　成像分辨率包括光學(xué)和電學(xué)響應(yīng),可以肯定它比計(jì)算DAS值更能反映實(shí)際系統(tǒng)的響應(yīng)。對于理想系統(tǒng)而言,DAS是成像分辨率的兩倍。對于選擇SRF=0.99的測量分辨率近似等于最小目標(biāo)尺寸,這可確保在照度方向重新復(fù)現(xiàn)。正是這一絕對最小尺寸可以用來進(jìn)行響應(yīng)測量和輻射測量校準(zhǔn)。

　　對于空中偵察和相關(guān)的圖像解讀,分辨率是通過地形可分辨距離來量測的。GRD是最小的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)(1周)尺寸,該尺寸可以由富有 經(jīng)驗(yàn)的圖片解讀員在地面分辨出來。GRD是一種客觀度量攝像機(jī)分辨標(biāo)準(zhǔn)對比度目標(biāo)的物理特性指標(biāo),可以分辨的最小細(xì)節(jié)具有GRD/2物理意義上的寬度。

　　GRD=(分辨率)•R1

　　(2)

　　其中:R1是目標(biāo)斜距[9]。通常典型的偵察模式是測量垂直于瞄準(zhǔn)線方向的距離。因此,式(2)中不包含cos θ修正因子。列于表2的任一分辨率測量都可以使用,但DAS最為普遍。GRD在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)是測不到的,因?yàn)樗Q于目標(biāo)的實(shí)際距離,但如果依據(jù)適當(dāng)?shù)姆直媛蕼y量也可以進(jìn)行計(jì)算。

　　地形分辨率是一個主觀項(xiàng),它是對待觀測物體的有限特征所做的大量估計(jì)[10],系統(tǒng)必須能夠分辨這些特征。例如,當(dāng)對公路上的中央斑馬白線條進(jìn)行觀測時,要求系統(tǒng)具有4英寸的地面分辨率。而對位于上述公路旁沙地上的花崗巖鵝卵石進(jìn)行觀測時,只需系統(tǒng)具有大概2英尺的分辨率即可。

　　4 結(jié) 語

　　分辨率指標(biāo)是確定成像系統(tǒng)性能的基本要素,尤其是用該項(xiàng)指標(biāo)可以作為衡量圖像質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)比照參數(shù),通常具有較高分辨率的系統(tǒng)具有較好的圖像質(zhì)量。一般情況下,對于類似于系統(tǒng)設(shè)計(jì)這樣的問題確實(shí)如此(例如,將兩個EMUX系統(tǒng)相比),它們的MTF(調(diào)制傳遞函數(shù))具有相同的函數(shù)形式。對于可見光CCD成像測量與跟蹤系統(tǒng),或者對于機(jī)載前視紅外偵察系統(tǒng)對目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)、分類和識別都與空間分辨率指標(biāo)有著密切的關(guān)系。在工程應(yīng)用中,用空間分辨率指標(biāo)來描述成像系統(tǒng)的質(zhì)量,具有較好的直觀性和歸一性。

　　雖然分辨率給出了可識別目標(biāo)的細(xì)節(jié),然而單一的空間分辨率測量指標(biāo)還不可能滿足對所有傳感器系統(tǒng)響應(yīng)之間進(jìn)行的比較。分辨率不可能給出總的圖像系統(tǒng)的性能,也不會給出圖像對比度的影響效果。但是對比度傳遞函數(shù)和調(diào)制傳遞函數(shù)給出了對比度信息。另外,分辨率不受噪聲影響,與靈敏度也無關(guān)系。此外,需要值得注意的是,僅僅基于分辨率技術(shù)要求的設(shè)計(jì)不可能同時保證靈敏度設(shè)計(jì)的技術(shù)要求。

　　整理

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]張建奇.紅外物理[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2004.

　　[2]A R 杰哈.紅外技術(shù)應(yīng)用——光電、光子器件及傳感器[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

　　[3]安毓英,曾曉東.光電探測原理[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2004.

　　[4]馬松德,張正友. 計(jì)算機(jī)視覺——計(jì)算理論與算法基礎(chǔ)[M].北京:科學(xué)出版社,2003.

　　[5]李言俊,張科.視覺仿生成像制導(dǎo)技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006.

　　[6]王永仲.現(xiàn)代軍用光學(xué)技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2003.

　　[7]徐淦卿.紅外物理與技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1989.

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

　　[9]蔡道濟(jì).國外電子靶場試驗(yàn)技術(shù)述評[D].北京:國防科工委情報研究所,1989.

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

點(diǎn)擊下頁還有更多>>>光電成像技術(shù)論文