[发明专利]复杂背景条件下红外成像系统作用距离估算方法

摘要

一种复杂背景条件下红外成像系统作用距离估算方法，(1)建立对复杂背景条件有效的红外成像系统作用距离估算模型，包括作用距离方程和作用距离解算方法；(2)利用“辅助成像系统”获取所要研究复杂背景的红外图像；(3)对“辅助成像系统”进行定标，确定该系统红外辐射亮度关于成像灰度的函数；(4)求出“辅助成像系统”入瞳处复杂背景的红外辐射亮度；(5)求出复杂背景零距离传输的红外辐射亮度；(6)求出目标红外辐射亮度值及目标的有效面积；(7)求出所需环境条件下的红外辐射大气透过率与成像距离的关系曲线；(8)将相关数据代入本发明所建的作用距离算估算模型，最终完成复杂背景下“目标成像系统”对目标作用距离的计算。

主权项

1、一种复杂背景条件下红外成像系统作用距离估算方法，其特征在于：包括如下步骤：为准确描述本发明的实现过程，这里将估算作用距离所针对的红外成像系统命名为“目标成像系统”，而将用来获取背景图像的红外成像系统命名为“辅助成像系统”；步骤1、建立红外成像系统作用距离估算模型，该模型包括作用距离方程和作用距离解算方法：作用距离方程：将传统作用距离方程中的背景辐射亮度由单独的变量改为一个多维向量，并赋予该向量每个成员一个属性——存在概率W，该存在概率W为红外辐射亮度值，该红外辐射亮度值等于该成员值的背景区域的面积与背景总面积的比值，相应的作用距离也由单一的变量改为一个多维向量，同样赋予该向量每个成员一个属性——存在概率Z，该存在概率Z为作用距离值等于该成员的概率，即为对应的背景亮度值的存在概率，作用距离向量和背景辐射亮度向量的维数相等，维数等于背景红外辐射亮度存在不同值的数目，本发明建立的作用距离方程如式为：如式(1)所示：$[R1(x1),R2(x2),...,RM(xM)]T=[Ao(Nt-[Nb1(x1),Nb2(x2),...,NbM(xM)]T)AτoτaD*δ(Vs/Vn)(AdΔf)1/2]12---(1)其中，[R1(x1)，R2(x2)，...，RM(xM)]T为作用距离向量，[Nb1(x1)，Nb2(x2)，...，NbM(xM)]T为背景红外辐射亮度向量，M为向量的维数，xi为向量的第i维对应的存在概率。Ao为光学系统有效面积，Nt为目标红外辐射亮度，A为目标有效面积，τo为光学系统的红外辐射透过率，τa红外辐射的大气透过率，D*为表示探测器性能的星探测度，δ为信号衰减因子，Vs/Vn为系统工作所需可探测最小信噪比，Ad为探测器的面积，Δf为等效噪声带宽；作用距离解算方法：根据求得的作用距离方程曲线、红外辐射大气透过率与成像距离之间的关系曲线，利用图解法求得作用距离，即求得两条曲线的交点对应的距离坐标轴上值；求得的作用距离是一个向量，由若干个作用距离值组成，作用距离解算方法将对一组作用距离进行计算改变为对感兴趣的保守估计概率下的作用距离进行计算，解算保守估计概率下的作用距离时，首先求出满足该概率的亮度阈值，然后将该亮度值作为背景亮度值代入作用距离方程，求解得到的作用距离即为某保守估计概率下的作用距离；步骤2、利用“辅助成像系统”拍摄所需的复杂背景图像，即获取复杂背景的红外图像：利用“辅助成像系统”拍摄所需的复杂背景的红外图像或者与该背景类似的其它背景的红外图像，并记录成像系统与背景的距离、拍摄的时间地点以及环境参数；步骤3、对“辅助成像系统”进行定标，确定该系统入瞳处红外辐射的亮度—灰度函数：根据步骤2利用“辅助成像系统”所拍摄的红外图像，得到该红外图像中的亮度值与灰度值不是线性对应的关系，本发明用泰勒级数来表示该系统入瞳处红外辐射的亮度—灰度函数，其中，因变量为亮度值，自变量为灰度值，如式(2)所示：L＝A0+A1·GV+A2·GV2+A3·GV3+...+An·GVn (2)其中，L为红外辐射亮度值，GV为红外图像上对应的灰度值，A0...An为亮度—灰度函数泰勒级数的各个系数；步骤4：求出“辅助成像系统”入瞳处复杂背景的红外辐射亮度值：根据步骤2利用“辅助成像系统”所拍摄的红外图像，得到该红外图像中的亮度值与灰度值，将红外图像的灰度值代入步骤3中确定的亮度—灰度函数，求得入瞳处的复杂背景的红外辐射亮度值；步骤5、求出复杂背景零距离传输的红外辐射亮度：将步骤2中记录的“辅助成像系统”到复杂背景图像的距离、拍摄时的时间、拍摄时的地点以及环境参数，输入到红外辐射大气透过率计算软件LOWTRAN7中，得到该条件下的红外辐射的大气透过率，结合步骤4计算得到的红外成像系统入瞳处的红外辐射亮度值，计算出复杂背景在零距离传输处的红外辐射亮度值，计算公式如式(4)所示：L0＝Lopt/τa (4)其中，L0为零距离传输的红外辐射亮度值，Lopt为红外系统入瞳处的红外辐射亮度值，τa为红外辐射大气透过率；步骤6、求出目标红外辐射亮度值及目标的有效面积：目标红外辐射亮度值的计算方法如下：目标分为静止目标和运动目标两种，对于静止目标，一般将其看作是灰体，该灰体为具有一定辐射度的黑体，确定静止目标温度，然后根据普朗克定理求得静止目标辐射的光谱分布，再通过积分得到所要波段内的辐射亮度。对于运动目标，首先根据气动加热理论求得运动目标的温度，然后由普朗克定律求得运动目标辐射的光谱分布，再通过积分得到所要波段内的辐射亮度；静止目标和运动目标的有效面积的计算方法如下：首先计算出目标的红外几何形状，然后按照观察方向对其进行投影，投影面积即为目标在该方向的有效面积；步骤7、求出所需环境条件下的红外辐射大气透过率与成像距离的关系曲线：将步骤2中记录的“辅助成像系统”到复杂背景图像的距离、拍摄时的时间、拍摄时的地点以及环境参数，输入到红外辐射大气透过率计算软件LOWTRAN7中，得到该条件下的红外辐射的大气透过率，并绘制出该条件下大气透过率与成像距离的关系曲线；步骤8、估算复杂背景下“目标成像系统”对目标的作用距离：将步骤5得到的复杂背景零距离传输的红外辐射亮度、步骤6得到的目标红外辐射亮度值及目标的有效面积、步骤7得到的所需环境条件下的红外辐射大气透过率与成像距离的关系曲线以及“目标成像系统”的相关参数代入到步骤1中的作用距离方程中，求得该复杂背景下的作用距离向量，并可根据步骤1中作用距离方程解算方法，计算不同保守估计概率下的作用距离。$