[发明专利]一种基于半实物的深空红外点目标成像仿真方法

摘要

本发明公开了一种基于半实物的深空红外点目标成像仿真方法，本发明方法首先构建基于半实物的深空红外点目标成像仿真系统，所构建的系统包括：半实物模型构建模块、参数定义模块和仿真模块，通过半实物模型构建模块构建半实物低温红外背景成像器模型，参数定义模块对成像参数进行定义，仿真模块仿真红外点目标在探测器焦平面上的成像。本发明经过半实物的方法完成了深空背景红外点目标数字场景仿真得到数字场景图像，解决了背景模拟图像与深空背景高度接近，探测器和电路特性与实物一致的问题。

主权项

1.一种基于半实物的深空红外点目标成像仿真方法，其特征在于具体步骤为：第一步构建基于半实物的深空红外点目标成像仿真系统基于半实物的深空红外点目标成像仿真系统，包括：半实物模型构建模块、参数定义模块和仿真模块；所述：半实物模型构建模块的功能为：构建半实物低温红外背景成像器模型；参数定义模块的功能为：对成像参数进行定义；仿真模块的功能为：仿真红外点目标在探测器焦平面上的成像；第二步半实物模型构建模块构建半实物低温红外背景成像器模型半实物模型构建模块将整个成像器放置于真空舱中模拟深空环境，低温背景采用低温黑体，将成像器光轴与低温黑体中心对齐，调整两者之间的距离，保证低温黑体充满成像器视场，对真空舱抽真空后，当低温黑体制冷到温，根据需要设置不同的积分时间采集低温背景图像；第三步参数定义模块对成像参数进行定义相关成像参数包括：光学系统参数、探测器参数和成像电路参数；参数定义模块对光学系统参数进行定义：光学入瞳面积S_opt、光学系统等效F/#、光学系统透过率ε_opt；参数定义模块对探测器参数进行定义：探测器焦平面面阵大小M*N、像元大小s、平均响应率像元填充率FF、积分时间t_int、响应波段(λ₁,λ₂)；参数定义模块对成像电路参数进行定义：AD采样位数n、读出电路基准电压V₀、读出电路响应电压范围N；第四步仿真模块仿真红外点目标在探测器焦平面上的成像深空背景点目标的红外成像过程为：目标和背景的红外辐射经过光学系统成像在探测器焦平面上，探测器的像元将接收到的红外辐射经过光电转换输出为多路模拟电压信号，然后电压信号经过AD采样输出为数字信号，这些数字信号经过成像电路处理输出为灰度图像，此灰度图像即为深空背景下的红外点目标数字场景；仿真模块通过四个方面完成红外点目标在探测器焦平面上的成像仿真：仿真模块获取点目标的红外辐射：设一个点目标在(λ₁,λ₂)波段上的辐射强度为I(W/Sr)，与成像器光轴夹角为θ，两者之间的距离为R，则该点目标在光学系统入瞳前的辐射照度E为：当目标与成像器距离时，目标在焦平面上的成像在一个像素以内，称为点目标，ω为成像器焦平面单个像元的有效视场，为目标的有效半径；仿真模块确定每帧点目标中心在探测器焦平面上的位置：每帧点目标中心在探测器焦平面上的位置通过每一帧目标在焦平面上的速度矢量来获取：目标在焦平面上的运动速度为其中为探测器焦平面二维平面上的水平方向x轴、俯仰方向y轴的单位向量，探测器左上角像元编号为(1，1)，右下角像元编号为(M，N)，为速度矢量在x、y轴上的分量，目标在焦平面上的初始位置为(x₀，y₀)，经过时间t后，目标在空间的位置(x₁，y₁)为：公式(2)中，每帧的速度为仿真模块获取弥散斑能量分布：波长为λ的弥散斑能量分布为：其中，(x、y)为弥散斑上的二维平面坐标点，坐标系原点为弥散斑的中心点；NA为光学系统的数值孔径，J₁为一阶贝塞尔函数；S_opt为光学入瞳面积；ε_opt为光学系统透过率；设探测器像元大小为s×s，不考虑像元间隙对响应信号的影响，弥散斑中心在探测器焦平面上的坐标为(a，b)，根据需要的精度选择E(x,y,λ)中(x,y)的半径r；根据坐标(a，b)和半径r获取弥散斑落在探测器焦平面以像元(a，b)为中心的周围几个像元上的响应电压：其中(x_min(m,n),x_max(m,n))、(y_min(m,n),y_max(m,n))为弥散斑在像元(m,n)上的分布范围；(λ_min,λ_max)为探测器响应波段；仿真模块获取目标所在像元信号响应灰度：点目标在探测器焦平面像元上的响应电压为：其中，t_int为探测器的积分时间；为探测器在单位时间内的平均响应率；探测器响应电压V_pix(m,n)经过AD采样和读出电路输出为数字信号，即目标的灰度值T_gray(m,n)：其中，n为AD采样位数，V₀为读出电路基准电压，N为读出电路响应电压范围；将目标在像元(m,n)上的响应信号值T_gray(m,n)叠加在半实物采集的图像像元(m,n)的灰度值上；至此，得到在深空背景红外点目标在红外焦平面上的数字成像结果。