微光电视成像系统表征方法

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1、第16卷　第9期强激光与粒子束Vol.16,No.92004年9月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSSep.,2004文章编号:100124322(2004)0921111205X微光电视成像系统表征方法1,2121王晓蕊,　张建奇,　冯卓祥,　解卫博(1.西安电子科技大学技术物理学院,陕西西安710071;2.西安应用光学研究所,陕西西安710100)　　摘　要:在分析微光电视成像系统的基础上,提出了适用于微光电视成像系统仿真所用的微光场景图像数据的要求及生成方法;针对第二代近贴聚焦系统和第三代像增强系统,建立

2、了微光电视成像系统的能量增益理论模型;引入3维噪声理论模型表征了微光成像系统的噪声;最后,提出了微光电视图像噪声抑制算法的评价方法。仿真结果表明:经微光系统传递后,图像中的高频信息变模糊,加入噪声后,信噪比降低;而经过5帧平均算法后的图像质量明显改善,对比度增加。　　关键词:微光电视系统;　能量传递方程;　调制传递函数;3维噪声模型　　中图分类号:TN223文献标识码:A　　随着微光成像技术在夜视、光学高速摄影、光子探测和自适应光学等领域的广泛应用,有效评价微光成像系统的图像质量和性能,设计高性能的微光成像系统成为必然要求。近年来,研究人

3、员开展了微光成像系统的[1～5]仿真研究,建立了多种理论模型。通过分析发现,这些模型主要从系统的空间线性传递特性和噪声特性两方面进行了仿真,没有考虑系统参数,如光学系统物理参数、光电阴极灵敏度,以及电子光学近贴聚焦、MCP等增益参数对信号增益特性的影响,也没有考虑非线性因素图像处理算法对图像质量的影响。而完整的微光电视(LLLTV)系统仿真模型应包含辐射信号能量的增益传递特性模拟、线性空间调制模糊效应模拟、噪声特性模拟和信号处理算法模拟等模块。为此,针对以第二代近贴像增强器或第三代像增强器为核心的微光电视系统,本文分析了微光成像系统信号能

4、量增益特性,提出了场景数字图像数据的要求及生成方法;建立了微光电视系统的能量增益理论模型;利用调制传递函数表征了系统的空间分辨率传递特性;引入3维噪声分析方法模拟系统的噪声;研究了图像处理算法对系统噪声抑制的模拟方法;建立了微光成像系统的数字仿真模型。1　仿真思想及实现方法　　要建立微光电视成像仿真模型,就应全面了解影响微光电视成像质量的各种因素,包括夜间目标和背景的光学特性、大气环境和微光成像系统组成部分的物理效应,并构建准确的数学模型,采用有效的方法综合表征系统的各种特性。图1表示微光电视成像系统原理,其实现方法是:首先生成微光场景图

5、像,然后利用能量传递方法模拟系统各组成部分对系统成像的增益效果;再把微光成像系统看成线性系统,利用光学传递函数方法来表征系统各组成模块的空间物理效应;接着对输入图像作傅里叶变换,使傅里叶变换频谱图与空间物理效Fig.1Diagramoflow2light2levelTVimagingsystem图1　微光电视成像系统原理框图X收稿日期:2003212205;修订日期:2004205209基金项目:国家自然科学基金资助课题(60277005);高等学校博士学科点专项科研基金资助课题(20030701003)作者简介:王晓蕊(1976—),男

6、,博士生,工程师,主要从事光电成像系统性能评估、光电系统设计及实时图像处理等研究;E2mail:wx-rui@sohu.com。©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.1112　　　　　　　　　　　　强　激　光　与　粒　子　束　　　　　　　　　　　　　　第16卷应模型作用,然后再作傅里叶反变换;最后引入3维噪声模型表征系统的噪声,并考虑图像处理算法对系统噪声的抑制,得到系统作用后的效果图。图2给出了仿真实现流程。Fig.2FlowchartforLLLT

7、Vimagingsystemsimulation图2　微光电视成像系统仿真实现流程框图2　微光场景图像数据要求及生成方法　　微光场景生成图像是微光成像系统仿真的重要部分,准确地表征微光场景是实现微光系统数字仿真的关键。通常,夜天光或月光中目标的反射亮度及其与背景的对比度非常低,且微光成像系统灵敏度比较高,要准确模拟微光成像系统信号增益特性(其模型在3.1节给予推导),就需要使低照度场景输入信号和放大后的信号能在同一个灰度级量化范围内表示。假设夜天光中目标和背景输出也在此灰度量化范围之内,能够反映夜天光中的目标和背景的对比度层次,就需要将微

8、光场景量化为较高的灰度级动态范围。我们知道,如果生成一种低灰度级、低空间分辨率的场景图像,就不能准确表征微光场景的对比度层次,且增强后的图像会逸出饱和,无法有效仿真微光成像系统的能量传递特性。