[发明专利]一种双视场红外成像系统散焦的建模仿真方法

说明书

本发明公开一种对双视场红外成像系统散焦成像进行建模仿真的方法。首先，使用专门光学设计软件分别计算得到两个视场在散焦时调焦量与光学系统MTF、调焦量与系统有效焦距之间的关系曲线。然后，一方面由散焦时调焦量与系统MTF之间的关系，用频率样本法设计表征散焦成像空间分辨率的二维低通滤波器，并用其对蓝本图像进行空间滤波处理以仿真散焦导致的红外图像模糊效应；另一方面，由散焦时调焦量与视场倍率之间的关系，对蓝本图像进行缩放或剪裁处理以仿真散焦成像的视场变化。理论分析和实验均表明这种方法对双视场红外成像系统散焦效应建模的精确度高，仿真的效果好。

技术领域

本发明涉及红外成像系统建模仿真技术领域，具体的涉及一种双视场红外成像系统散焦的建模仿真方法。

背景技术

在光学成像系统中，对一定距离的目标成像若最佳像面位置满足物像共轭关系时为称为聚焦，若偏离了该位置将导致系统散焦。由温度变化引起的光学材料特性和传播介质的折射率变化或对远近不同物距景物成像都将导致红外光学成像系统发生散焦。

随着红外成像技术的飞速发展，多视场红外光学系统应用越来越广泛。双视场红外成像系统应满足在较大的温度范围内工作，若采用传统的被动消热差方法将导致光学系统设计过于复杂而不能实现。但无论是由物距变化、还是由热差引起的散焦效应，都可以通过“驱动调焦透镜轴向运动”的调焦操作克服。此时，若以手动方式调焦主要依靠用户的目测判断和人为操控调焦伺服系统运作，耗时长、主观性大，难以实时克服由热差引起的散焦效应；若以基于实时图像处理的自动方式调焦将直接以获取图像的高清晰度为目标，通过对输出红外图像分析处理判断成像是否清晰，据此给出反馈信号自动控制调焦镜的运动完成聚焦，避免了解决散焦问题的传统方法和手动调焦的各种缺点，为双视场红外成像系统的使用提供更大的便利。

在对双视场红外成像系统进行自动聚焦设计之前，需要先建立适合于研究、能较好体现双视场红外成像系统散焦关键特征的模型，并在构建模型的基础上进行红外图像散焦效应计算机仿真，以便选择合适的自动聚焦算法和策略，以及随时修正设计参数。散焦对红外成像光学系统带来的影响主要来自于弥散斑和视场变化，最终导致红外成像空间分辨率下降和横向放大率变化。一方面，调制传递函数(MTF)是一个从客观上反映红外成像系统空间分辨率性能的重要参数指标，将红外成像系统的设计参数输入到系统的调制传递函数数学模型中，就可以计算各个调焦量处的MTF曲线，进而对散焦成像引起空间分辨率下降造成的红外图像模糊效应进行仿真；另一方面，光学系统的有效焦距决定了红外成像系统视场倍率的关键参数，通过计算各个调焦量处的光学系统有效焦距，然后与与探测器透镜焦距相比就可得到各个调焦量处的视场倍率值，进而对散焦成像引起视场倍率变化造成的红外图像缩放效应进行仿真。

然而，对于双视场红外成像系统这样的复杂光学系统，采用几何光学方法手工计算并推导各个调焦量处的探测器面上弥散斑大小和光学系统有效焦距，并建立各个调焦量对应的空间分辨率MTF数学模型，难度和复杂度过大以致几乎不可能做到，其有效性和准确性也难以评估。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种双视场红外成像系统散焦的建模仿真方法，特别针对复杂的双视场红外光学系统，首先使用专门的光学设计软件分别计算两个视场在散焦时调焦量与光学系统MTF和视场倍率之间的关系曲线。然后，一方面采用频率样本法设计模拟散焦成像空间分辨率的二维低通滤波器，用其对蓝本图像进行空间滤波处理以实现对散焦模糊效应的仿真；另一方面，由散焦时各个调焦量处的视场倍率值，对蓝本图像进行缩放处理以实现对散焦成像视场变化的仿真。理论分析和实验均表明该方法对双视场红外成像系统散焦效应建模的精确度高，仿真的效果好。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：

一种双视场红外成像系统散焦的建模仿真方法，包括：

步骤一、对双视场红外成像系统散焦分析