基于同心多尺度成像的机载光电系统探测能力分析

作者:吴雄雄;王晓蕊;郭冰涛;袁航;李珂;袁影; 刊名:光学学报 上传者:林敬

【摘要】同心多尺度成像技术为突破传统光学成像中分辨率与视场之间的矛盾提供了一条有效的途径。将同心多尺度成像模式应用于机载光电探测系统,实现机载广域宽视场高分辨目标探测。综合分析了目标辐射空间分布、目标辐射传输和光学系统成像等特性,建立了表征同心多尺度成像系统的探测能力理论模型,得到了系统探测能力与组成单元透镜的口径、焦距、间距等参数之间的变化关系。并用光学设计软件Zemax设计了实际光学系统,数值模拟了空中来袭运动目标的光谱信号信噪比(SNR)响应特征。结果表明合理增加同心多尺度成像系统中的物镜焦距、减小目镜焦距、增大系统口径和降低探测信噪比阈值等能够有效提高成像系统的探测能力。

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传统机载光电成像探测能力分析模型尽管考虑了复杂背景环境的影响,但是大多都针对光学系统有效口径进行探测能力理论计算,没有考虑具体光学系统设计相关的视场、分辨率及其内部结构设计参数[1-2]。在光学成像领域,人们总是希望设计的光学系统具有长焦距、高分辨率、宽视场、小体积、大相0422001-1对口径等成像特点。其中分辨率和视场角是光学成像系统的两个关键技术指标。兼顾宽视场与高分辨成像一直是空天监视、预警探测、安全监控等领域追求的方向[3-7]。但是由于受到透镜系统比例法则的制约[8],传统成像系统无法同时实现宽视场与高分辨率成像。随着高科技作战和新型机载装备的发展,各国对军事应用提出了探测范围广、范围远、分辨率高等要求。因此有必要研究兼顾宽视场与高分辨统一的机载成像系统,并对其探测能力进行研究分析。目前已经探索出许多宽视场与高分辨统一的典型成像方式。例如,Sargent等[9]通过利用高分辨相机扫描的方式获得宽视场高分辨率图像,但是扫描获取的宽幅图像帧与帧之间存在时间间隔,仅适用于静态场景;Suntharalingam等[10]通过拼接多个探测器获得连续的更大的探测器实现大视场高分辨率成像,虽然该探测器适用于单次曝光获取图像的应用场合,但是其存在拼接缝隙,获取的图像内存在盲区;闫阿奇等[11]通过使用鱼眼透镜扩大视场,但是其成像面存在畸变,整个像面上无法实现一致分辨率,尤其边缘区域被严重压缩,信息损失较大;Wilburn等[12]通过使用相机阵列同时获取一系列视角不同的图像,最后通过图像拼接实现宽视场全景成像,但是该方法相机阵列物理尺寸太大,成本太高。近年来,美国杜克大学的Brady等[13]提出了多尺度光学设计,该系统包括一个大的物镜和一系列小的光学元件组成的多孔径中继成像阵列结构,集成了物镜的大视场采集能力和多孔径中继成像阵列结构的局部像差校正能力。但是该系统的多孔径阵列由不同的光学元件组成,生产和装配比较困难。因此Brady等[14-16]把物镜设计为同心球形物镜,形成同心多尺度成像结构,这样多孔径阵列不同位置的光学元件完全对称一致。依照同心多尺度模式设计的十亿超高像素相机有AWARE-2、AWARE-10等,AWARE-2相机拥有的视场为120°×50°,角分辨率为40μrad[17],AWARE-10相机拥有100°×60°的视场,角分辨率为25μrad[18],真正地实现了宽视场高分辨十亿超高像素成像。同心多尺度成像模式成功地避开了加工探测器拼接和光学设计等一系列技术挑战,是实现宽视场高分辨成像的最佳方式之一。为了实现对广域空中目标的监视与预警,本文将同心多尺度成像系统应用于机载光电探测系统,分析了目标辐射空间分布及传输特性,研究了系统探测能力与组成单元透镜的口径、焦距、间距等参数之间的关系,为系统光学设计提供理论依据,并数值模拟了空中来袭运动目标的光谱信号信噪比(SNR)响应特征,提出了提高系统探测能力的方法。2机载光电成像系统探测原理对机载光电成像系统探测能力的分析,需要研究整个系统链路环节。首先太阳辐射能量的空间分布使空间目标的全部或部分区域被照亮。目标表面的反射能量和自身的辐射能量在空间传输一段距离后进入光学探测系统。当电荷耦合器件(CCD)的焦平面接收到目标辐射能量后,转换为携带图像信息的电信号,然后图像采集处理单元对电信号进行采集处理,进而实现目标的探测与识别。机载光电成像系统探测原理如图1所示,包括目标的反射和自身辐射、大气传输、光学系统、探测器等模块。目标辐射强度包括目标自身辐射强度和目标表面反射辐射强度两部分。现有文献大

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