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光电成像系统建模及性能评估技术研究

胡方明  
【摘要】: 光电成像系统的理论建模、成像仿真和性能评估是光电成像技术领域的重要研究内容之一,也是成像领域的研究热点。建立可靠而有效的成像仿真与评估模型,不仅可以为成像系统的优化设计提供参考依据,缩短系统的设计周期;还可以避免代价昂贵的军事试验,节约军事开支,提高工作效率。 本文针对新型光电成像系统(微光与红外成像系统)的成像特性,研究了光电成像传感器的成像仿真及性能评估方法。主要完成内容:(1)针对目标和背景特性,以目标环境的光学特性模型、环境辐射传输模型为理论基础,利用Multi一Creator三维建模工具和视景驱动软件Vega,分别实现了地面背景可见光三维场景、红外三维场景和微光三维场景的生成,重点研究了三维地形的描述方法、过渡光电纹理的生成方法、地形表面的网格划分方法。(2)光电成像系统建模及成像仿真。依据光电成像系统的基本参量:视场、帧频,首次推导了场景图像灰度到光电成像系统输出图像的灰度转换模型;并利用调制传递函数和三维噪声模型,模拟了光电成像系统各模块对成像的降质效应;首次提出了基于系统级的测量参数:SiTF、MTF、NETD、噪声等效背景照度的光电输出成像的仿真方法,并给出了仿真结果。(3)针对成像系统的动态特性,利用数值积分方法对各种运动效应:线性运动、振动和随机运动进行了理论建模,重点研究了低频振动参量:振动振幅、曝光时刻、曝光时间和振动周期对成像质量的作用;以仿真成像为基础,提出了基于人眼视觉和机器视觉的成像系统现场性能预测方法。(4)依据人眼对红外图像中目标的识别流程,提出了基于改进BP神经网络算法(尺度化共轭梯度法(SCG))的成像系统现场性能表征的计算机客观判定技术,结合外场观测试验数据,初步建立了目标特征参量与目标探测识别概率的特性曲线。(5)提出了基于成像质量客观度量准则的成像系统评价的方法,给出四种典型客观度量准则:归一化最小方差、保真度、相关度和信息率的性能评价函数,理论推导了它们之间的相互关系;针对光电成像系统的能量分辨率损失和空间分辨率损失仿真图像,计算比较了四种客观度量的输出结果,深入分析了成像系统物理效应与客观度量准则的定量关系,验证了客观度量函数在性能评价中的使用范围。


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