基于激光干擾紅外成像系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)研究

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1、基于激光干擾紅外成像系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函〔研究摘要：調(diào)制傳遞函數(shù)是描述光學(xué)成像系統(tǒng)傳遞頻率信息特性的重要指標(biāo)。為客觀評(píng)估激光輻照干擾紅外成像系統(tǒng)的效果，完成了激光輻照紅外成像系統(tǒng)的試驗(yàn)，采集了不同能量激光干擾紅外熱像儀后的紅外熱圖像?；谌羞叿ǎ治鱿裰械度羞吘壍牟煌潭雀蓴_情況，計(jì)算激光輻照的刀刃邊緣擴(kuò)展函得到相應(yīng)紅外成像系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線，定量分析了不同能量密度激光輻照紅外成像系統(tǒng)的干擾結(jié)果。關(guān)鍵詞：紅外成像系統(tǒng)；激光干擾；刃邊法：刀刃邊緣擴(kuò)展函數(shù)；調(diào)制傳遞函數(shù)中圖分類號(hào)：TN215文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1673-504803-0059-060引言調(diào)制傳遞函數(shù)是光學(xué)成像系統(tǒng)質(zhì)

2、量評(píng)價(jià)的指標(biāo)之一，是用于定性和定量描述光學(xué)成像系統(tǒng)性能的基本物理量。MTF反映光學(xué)成像系令y的頻率傳遞特性，對(duì)成像系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)更具有可靠性。因此，直接從圖像上得到激光輻照紅外成像系統(tǒng)的干擾信息更具有權(quán)威性。目前，國(guó)內(nèi)外常用的MTF的計(jì)算方法有點(diǎn)源法、狹縫法和刃邊法。點(diǎn)源法與狹縫法對(duì)光源的亮度和目標(biāo)的精度都有較高的要求。相比而言，刃邊法對(duì)光源與目標(biāo)的要求都不是特別高，得到的圖像以及處理的結(jié)果也比較好。刃邊法可以利用較多的數(shù)據(jù)點(diǎn)，處理方法比較合理，可以有效減少圖像噪聲帶來的影響，提高M(jìn)TF測(cè)量的精度。本文利用刃邊法，對(duì)激光輻照干擾紅外成像系統(tǒng)得到的圖像進(jìn)行處理，經(jīng)過邊緣檢測(cè)、霍夫變

3、換得到擬合的直線邊界，進(jìn)而獲得邊緣擴(kuò)展函數(shù)、線擴(kuò)展函數(shù)以及調(diào)制傳遞函數(shù)。1刃邊法測(cè)試的原理刃邊法是在圖像上選擇具有一定反差的亮暗的邊界，通過測(cè)定成像系統(tǒng)對(duì)這一邊界的模糊狀況來確定系統(tǒng)在各種空間頻率的響應(yīng)。若亮暗突變的邊界用i表示，成像系統(tǒng)的響應(yīng)函數(shù)是h，對(duì)于一個(gè)線性空間不變系統(tǒng)，輸出的函數(shù)圖像o表示為式中：h是垂直于刃邊方向的一維響應(yīng)函數(shù)；h是沿刃邊方向的一維響應(yīng)函數(shù)?？梢酝ㄟ^求兩個(gè)垂直方向的響應(yīng)函數(shù)得到系統(tǒng)的二維響應(yīng)函數(shù)，從而簡(jiǎn)化了計(jì)算難度。由式和式可知，如果垂直于刃邊方向亮暗突變邊界用i表示，系統(tǒng)在該方向上的一維響應(yīng)函數(shù)用h表示，則該方向上的輸出函數(shù)圖像o為式中：i稱作階躍函數(shù)

4、，對(duì)階躍函數(shù)進(jìn)行微分得到?jīng)_擊函數(shù)5。由5函數(shù)的篩選性質(zhì)可知，任意函數(shù)與S卷積得到任意函數(shù)本身。式表明，對(duì)邊緣擴(kuò)展函數(shù)微分可以得到系統(tǒng)的響應(yīng)函數(shù)，由于響應(yīng)函數(shù)是垂直于刃邊方向的一維函數(shù)，因此也稱為線擴(kuò)展函數(shù)。對(duì)線擴(kuò)展函數(shù)歸一化后進(jìn)行傅里葉變換，即可得到成像系統(tǒng)一個(gè)方向的調(diào)制傳遞函數(shù)。同理可以獲得另一個(gè)方向上的調(diào)制傳遞函數(shù)，從而獲得系統(tǒng)的二維調(diào)制傳遞函數(shù)。2激光輻射紅外成像傳感器干擾試驗(yàn)紅外成像系統(tǒng)性能受激光干擾程度通常取決于輸出圖像的惡化程度，因此，從圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)的角度對(duì)激光干擾效果進(jìn)行評(píng)估，能夠比較準(zhǔn)確地評(píng)估激光對(duì)紅外成像系統(tǒng)所成像的干擾程度。試驗(yàn)采用的激光器輸出能量比較強(qiáng)，為防止

5、紅外熱像儀出現(xiàn)不可逆的損傷，本文設(shè)計(jì)并搭建了試驗(yàn)平臺(tái)，如圖1所示。由試驗(yàn)原理可知，激光器的輸出能量依次經(jīng)過多個(gè)分束鏡后，使進(jìn)入紅外熱像儀的能量盡量降低，以保證入射激光能量不會(huì)導(dǎo)致紅外熱像儀的硬損傷。主要試驗(yàn)儀器：激光器；熱像儀。刃邊法測(cè)量時(shí)，主要思路是從含有邊緣響應(yīng)的圖像中提取邊緣擴(kuò)展函數(shù)，對(duì)邊緣擴(kuò)展函數(shù)進(jìn)行求導(dǎo)，進(jìn)而得出線擴(kuò)展函數(shù)，進(jìn)一步對(duì)線擴(kuò)展函數(shù)進(jìn)行傅里葉變換，計(jì)算出系統(tǒng)的MTF。這里的MTF是根據(jù)圖像計(jì)算出的，包括光學(xué)系統(tǒng)MTF、電子線路MTF、探測(cè)器MTF，各MTF之間是相乘的關(guān)系，等于各個(gè)環(huán)節(jié)的乘積。本文在進(jìn)行激光干擾MTF的試驗(yàn)中，用不同功率大小的激光進(jìn)行干擾，觀察激

6、光干擾后在熱圖像采集到的圖像，并且用同一種功率大小的激光對(duì)刃邊不同部位的干擾程度進(jìn)行分析。照射紅外成像系統(tǒng)激光功率密度為0.212mW/mm2,由于對(duì)刃邊不同部位的干擾程度不同，在試驗(yàn)中，選擇了同一刃邊的4個(gè)不同部位，分別進(jìn)行了激光輻照前與激光輻照后的對(duì)比分析，不同部位的圖像如圖2所示。圖2是激光輻照前的原E2是在一定激光功率的輻照下得到的圖像。從圖中可以看出激光輻照后，刃邊不同部位的干擾程度不同，在刃邊上部和下部分布的散斑比較少，在刃邊中上部分布的散斑比較多，而在刃邊中下部的散斑比較集中，出現(xiàn)特別明亮的區(qū)域。3激光輻照紅外系統(tǒng)干擾的計(jì)算分析3.1激光輻照紅外成像系統(tǒng)刃邊法的邊緣擴(kuò)

7、展函數(shù)選擇激光輻照前與激光輻照后刃邊不同部位得到的像，見圖3。3?分別是a處激光輻照前與激光輻照后的邊緣擴(kuò)展函數(shù)；圖3?分別是b處激光輻照前與激光輻照后的邊緣擴(kuò)展函數(shù)：圖3?分別是c處激光輻照前與激光輻照后的邊緣擴(kuò)展函數(shù)；圖3?分別是d處激光輻照前與激光輻照后的邊緣擴(kuò)展函數(shù)。計(jì)算本試驗(yàn)的邊緣擴(kuò)展函數(shù)，先分別對(duì)激光輻照前與激光輻照后的圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，接著對(duì)圖像進(jìn)行霍夫變換得到直線方程.再根據(jù)直線方程對(duì)邊緣進(jìn)行相應(yīng)函數(shù)擬合。本試驗(yàn)在邊緣檢測(cè)后之所以進(jìn)行霍夫變換.是因?yàn)榧?/p>