《光电成像系统数字建模虚拟仿真》实验指导书.docx

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《光电成像系统数字建模虚拟仿真》试验指导书

一、试验任务

当前，各种基于光电成像系统观测的总体设计中〔对地观测、机载平台、舰载平台、车载平台等〕，对光电成像系统的性能要求不断提高，如何能在设计阶段得知其光电成像性能是提高光电探测系统性能的关键。

依据光电成像系统成像过程，本综合试验依据信息传输通道的组成，对成像过程进展模块化虚拟仿真建模，分别为：大气传输模块、成像系统运动模块、光学系统模块、探测器模块、电子线路模块、显示器模块和人眼滤波模块。成像过程如图1所示。

图1 光电成像过程图

通常状况下光电成像系统近似为线性移不变系统，可用调制传递函数MTF来描述成像系统对成像质量的影响。MTF仿真思路是:在频域空间，建立成像系统各组成单元的空间调制传递函数模型，考虑到各组成单元的独立性，系统总的传递函数为各组成单元传递函数的乘积，然后对输入场景图做傅里叶变换，把空域数据转换为频域数据，接着使系统MTF与频域数据相乘，最终做傅里叶逆变换恢复空间场景图，即完成了图像仿真过程。仿真过程图如图2所示。

图2仿真过程图

图像仿真从视觉的角度来评价成像系统的质量，为了对系统有一个客观的评价，本综合虚拟仿真试验又设计了系统综合评价指标MTF、NETD和MRTD，这样通过人眼主观感受和客观数据来综合评价系统成像质量。

二、试验目的

依据光电成像过程，建立大气、成像平台的振动、光学系统、焦平面阵列、电子线路以及显示器和人眼对成像质量的影响方式和理论评价模型，设计成像系统性能评价指标MTF、NETD和MRTD计算算法。

三、试验要求

依据光电成像系统的根本信息传递过程，结合影响成像质量的各个环节，完成了光电成像系统数字建模虚拟仿真设计。设计的根本模块包括大气仿真模

块、成像平台运动模块、光学系统模块、探测器模块、信号处理电路模块、成像系统噪声模块、显示器模块和人眼效应模块。在总体性能评价指标方面承受系统调制传递函数MTF、噪声等效温差NETD和最小可区分温差MRTD来评价成像系统综合性能指标。

光电成像系统数字建模虚拟仿真试验相关要求：

输入为8/16位数字图像，输出为叠加光学成像系统特性的8位灰度数字图像

图像大小为任意值，不限于1024×768

修改相应的参数，生成的图像特性会发生相应的变化

可实现图像显示，并通过参数修改，可更变化图像

仿真计算每个仿真模块的MTF曲线，分析相关参数变化对模块MTF的影响，找出对MTF影响较大的参数，进展合理设计

显示输入图像经过各模块处理后的效果，并对结果进展分析

各模块输入参数内容见表1。

退化环节

大气类型路径类型气溶胶模型边界层温度

表1输入参数说明

虚拟仿真设计输入参数 输出调制传递函数退化图像

大气

光学系统

平流层消光类型观测海拔

目标海拔

观测点距目标距离地表海拔

波长范围能见度

湍流参数〔曝光时间、大气折射率构造参数等〕光学系统孔径及孔径类型

畸变〔Seidel系数〕、渐晕工作波段

光学系统焦距

光学系统设计MTF文件弥散圆半径及能量百分比

线性运动方向、速度、距离等参数

调制传递函数退化图像

调制传递函数

运动 正弦振动角幅度、振动方向与水平方向夹角随机运动漂移均方根值

像元尺寸像元数积分时间

探测器像元水平和垂直中心距探测器模块 载流子寿命

峰值D*

探测器响应波段峰值D*对应的波长读出电路时钟周期

退化图像

调制传递函数退化图像

信号处理电路

电荷转移效率

低通滤波电路3dB频率高通滤波电路3dB频率高频提举电路提举幅度高频提举频率

盲元百分比

信号传递函数SiTF

噪声等效温差NETD

调制传递函数退化图像

调制传递函数退化图像

成像系统噪声 行、列噪声最大周期

背景温度

焦平面噪声等效带宽三维噪声强度

显示器尺寸〔宽高〕

图像水平、垂直占有率

调制传递函数退化图像

显示器

人眼

总体

CRT显示器电视线

平板显示器像元尺寸〔长宽〕观看距离

积分时间显示器亮度阈值信噪比

调制传递函数退化图像

最小可分辨温差

MRTD

作用距离估算或给定距离探测概率

四、试验设备

安装有《光电成像系统数字建模虚拟仿真软件》的计算机。

五、试验提示〔试验理论、试验操作方法和试验技巧〕

见《光电成像系统数字建模虚拟仿真软件使用说明》。仿真实例：

光学系统参数承受法国CatherineXP型红外热像仪模拟仿真，该热像仪的局部参数如下：

光学系统参数

光学系统类型

圆形光瞳

系统焦距

〔mm〕

212.5

水平视场〔°〕

9

光学系统透射比

0.8

垂直视场〔°〕

6.7

扫描效率

0.8

系统X方向F数

1.7

弥散圆半径