光电成像系统的分辨率鉴定与测量技术

光电成像系统的分辨率鉴定与测量技术

摘要:论述了光电成像系统中广泛使用的分辨率指标及分类,对空间分辨率模拟度量法的原理和测量方法进行了论述和分析。通过研究指出用空间分辨率指标来描述成像系统的质量,具有较好的直观性和归一性。由于单一的空间分辨率测量指标还不可能给出总的图像系统的性能,仅仅基于分辨率指标的图像评估不可能同时保证系统灵敏度设计的技术要求。因此,结合模拟度量法研究光电成像系统的分辨率测量法,给出成像分辨率测量准则。

关键词:MTF;SRF;空间分辨率;DAS;GRD

中图分类号:TP29文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)01-177-03

Resolution Identification and Measuring Technique of Photoelectric Image System

ZHANG Bin,LI Zhaohui

(Chinese Flight Test Establishment,Xi′an,710089,China) Abstract:Index and classification of resolution which are widely used in the photoelectric image system is discussed with analysis of the principle and method of the simulated measurement of spatial resolution.The investigation shows that

the index of spatial resolution which describes quality of the image-forming system is more direct and unitary than other methods.However,the single spatial resolution can not show the capability of the whole image system.Besides,the evaluation which it is only based on the index of spatial resolution can not ensure the designed technical requirement of the system sensitivity.Therefore,on the basis of the resolution measuring method of the photoelectric image system,a measuring criterion of the imaging resolution is obtained.

Keywords:MTF;SRF;spatial resolution;DAS;GRD

0 引言

物理系统中对分辨率指标的使用由来已久,它是确定成像系统性能指标的基本要素,尤其是用分辨率作为衡量图像质量的指标之一,人们会因此认为具有较高分辨率的系统具有较好的图像质量[1]。一般情况下,对于类似于系统设计这样的问题确实如此(例如,将两个EMUX系统相比),其MTF(调制传递函数)具有相同的函数形式。

分辨率有四类不同内容[2]:时间分辨率(以时间分类事件的能力);灰度分辨率(由A/D变换器设计、噪声低限、或监视器性能指标决定);谱分辨率;空间分辨率。

以30 Hz帧频的成像系统,它所具有的时间分辨率为1/30 s;灰度分辨率是动态测量的范围;谱分辨率简单地说就是该系统的谱带通(如可见光,NIR,SWIR,MWIR或LWIR)。分辨率是指能够探测到的目标最小细节的能力;或者说分辨率指的是成像系统注重于不同尺寸的物体的对比度的能力。将物体大小的概念量化最有效的方法是采用空间频率,以单位长度内的周数或线对数表示。本文讨论在工程应用中普遍关注的空间分辨率这一指标。因为对于可见光CCD成像与测量、跟踪系统,或者对于机载前视红外侦察系统的发现、分类和识别都与空间分辨率指标有着密切的关系。在工程应用中,用空间分辨率指标来描述成像系统的质量,具有较好的直观性和归一性。

1 空间分辨率、灵敏度与系统的响应关系

成像系统的灵敏度是关于最小可探测的信号,通常定义为系统输出端的单位信噪比[3]。灵敏度与光学系统的采光特性、探测器响应度和系统噪声有关,但与分辨率无关。由灵敏度极限给出的信噪比的近似表达式是:SNR=(τRΔI)/系统噪声[4]。

对于红外成像系统,目标背景的反差是由温差ΔT来确定的,系统噪声常被作为噪声等效温差NEDT,这种近似只适

用于那些目标的角视距与预测计算距离处的系统分辨率相比较大的情况。τ是平均大气稠密度系数,ΔI是目标和背景间的对比强度差(对红外成像系统而言,可以是温差ΔT),R是在同一大气条件下的相对作用距离。上式中的SNR只有当大气透过率在有意义的光谱区间内不变时才有效,即τ(λ)?歃印Ｆ渲笑耸遣ǔぁ?

作为成像系统的响应取决于灵敏度和分辨率,如图1所示,不同的系统可以有不同的MRTD。系统A具有较好的灵敏度,它在低空间频率处有较低的MRTD。系统B具有较高的分辨率,比系统A能够显示更细的细节。在中距空间频率处,两系统近似等价。图1表明灵敏度、分辨率或其他任何单一参数都不能用来比较系统总的响应特性;系统A是否比系统B更好,取决于特定的应用[5]。

图1 具有不同MRTD系统的灵敏度、

分辨率与系统的响应特性

在预测计算中,一般都要涉及到灵敏度和分辨率[6]。灵敏度和分辨率对于系统响应的限制是不同的,如图2所示。

图2 系统性能取决于分辨率和灵敏度因子

当灵敏度受到限制时,系统性能取决于目标-背景的对比强度ΔI,大气衰减程度和系统噪声。当分辨率受到限制时,探测距离只依赖于目标尺寸和系统分辨率。分辨率在工程实现上的意义在于对目标探测的最大距离便于进行估算,其近似