第３９卷第４期
Ｖ０１．３９Ｎｏ．４
红外与激光工程
ＩｎｆｒａｒｅｄａｎｄＬａｓｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２０１０年８月
Ａｕｇ．２０１０
大气传输引起的红外图像退化分析
李咏豪１，姜会林２，周
娜２
（１．北京特种车辆研究所，北京１０００７２；２．长春理工大学光电工程学院，吉林长春１３００２２）摘
要：分析并仿真了大气传榆引起的红外图像退化，．从大气湍流和气溶胶散射、吸收的物理过
程入手．分析了大气调制传递函数（ＭＴＦ）及其造成的图像退化。提出了大气作用效果的计算机仿真方法，在目标距离为ｌｌ㈣、离地高度２ｍ、Ｃ：＝１．Ｏｘｌ０…ｍ…、光学系统为ｆｉｇ．０４＝６００ｍｒｆｌ的情况下，针对远距离水平传输方向的红外成像系统进行了大气作用效果仿真．结果表明：大气传输引起的红外图像退化主要体现在由湍流引起的程度不同的局部模糊及图像跳动，
关键词：大气调制传递函数；中图分类号：ＴＮ９２９．１２
红外仿真；
湍流；
散射；
吸收
文献标志码：Ａ
文章编号：１００７—２２７６（２０１０）０４—０５８９—０４
Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｉｎｆｒａｒｅｄｉｍａｇｅｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｂｙ
ＬＩＹｏｎｇ－ｈａ０１，ＪＩＡＮＧＨｕｉ—ｌｉｎ２，ＺＨＯＵＮａ２
ａｅｒｏ
ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ
（１．ＢｅｉｊｉｎｇＳｐｅｃｉａｌＶｅｈｉｃｌｅＩｎｓｔｉｔｕｔｅ。Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００７２，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｉｇｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ
ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ
ａｎｄ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３（Ｘ）２２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｎｅ
ａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｉｎｆｒａｒｅｄ
ｅｆｆｅｃｔｓ
ｉｍａｇｅｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｂｙ
ａｅｒｏ
ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ
ｗｅｒｅ
ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．ＴｈｅａｔｍｏｓｐｈｅｒｅＭＴＦａｎｄｔｈｅｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｐｈｙｓｉｃａｌ
ｏｆｔｈｅｉｍａｇｅｗｅｒｅｐｏｉｎｔｅｄｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅ
ｐｒｏｃｅｓｓｏｆａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ，ａｅｒｏｓｏｌｓｃａｔｔｅｒｉｎｇａｎｄａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｏｆ
ｔｈｅａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｅｆｆｅｃｔｓｗｅｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｃｏｍｐｕｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｅｆｆｅｃｔｓｗａｓｄｏｎｅｆｏｒｔｈｅｉｎｆｒａｒｅｄｉｍａｇｉｎｇ
ｗａｓ
ｌ
ｓｙｓｔｅｍｏｆｌｏｎｇ—ｄｉｓｔａｎｃｅ
ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ
２
一ｌ≈
ｏｎ
ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ
ｔｈａｔｔｈｅｔａｒｇｅｔｄｉｓｔａｎｃｅ
一２／３
ｋｍ；ｔｈｅｈｅｉｇｈｔａｂｏｖｅｇｒｏｕｎｄｗａｓ２ｍ；Ｃ。＝ｘ１．ＯｘｌＯ
ｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｉｎｆｒａｒｅｄ
ｍ
，ｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ
ｂｙ
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Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ
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ｉｍａｇｅｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｃａｕｓｅｄ
ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｒｅｍａｉｎｌｙ
ｆｏｃｕｓｅｄ
ｔｈｅｌｏｃａｌｆｕｚｚｙａｎｄｉｍａｇｅｄｉｔｈｅｒｉｎｇｉｎｖａｒｉｏｕｓｄｅｇｒｅｅｃａｕｓｅｄｂｙａｔｍｏｓｐｈｅｒｅｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ．
Ｉｎｆｒａｒｅｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；Ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ；
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＡｔｍｏｓｐｈｅｒｅＭＴＦ；
Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ；Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ
Ｏ引言
热成像系统用于观测远距离目标时，红外辐射在到达热成像系统的光学系统之前必须通过大气，并被
射源这些现象使远距离目标的热图像质量变差。研
究表明：肖红外成像系统用于远距离目标获取时，系统的整机性能受到系统自身ＭＴＦ和大气湍流ＭＴＦ
的很大限制｜ｌＩ。因此．研究红外辐射的大气传输对像
质的影响，并对其进行建模和仿真，对红外成像系统的性能评估具有重要意义。
衰减。衰减的同时，大气梯度和湍流使辐射在结构上
发生畸变．引起空气折射率不均。此外，大气是固有辐
收稿日期：２００９—１０—１０：修订日期：２（Ｘ）Ｏ—１２一０５
基金项目：国家自然科学基金资助项目（６０９７７００１）；围家高技术研究发展计划（２００７ＡＡｌ２ＺＩｌＯ）
作者简介：李咏豪（１９７７－）。男．山东招远人。Ｉ：程师．硕｛：．主要研究方向为光电仿真‘ｊ检测技术，Ｅｍａｉｌ：ｌｉｙｈ＠１６３．ｔｏｍ
万方数据
红外与激光工程第３０卷
１红外成像中大气传输作用效果分析
ｌ－ｌ大气衰减
大气是一个包含湍流、散射和吸收粒子的随机介
质，大气对系统Ｔ作的影响基本体现在辐射衰减。红外辐射衰减与３种现象有关：大气气体分子的吸收；大气中分子、气溶胶和微粒的散射；冈气象条件（云、
雾、雨、雪）引起的衰减等。红外辐射的大气衰减满足布盖尔一朗伯定律，即光谱透过率ｒ。（Ａ）和衰减系数Ｏｔ。（Ａ）之间满足如下关系：
下。（Ａ）＝ｅｘｐ【一ｄ。（Ａ）Ｄ】
（１）
式中：Ｄ为被观测目标和热成像系统间的距离。，
１．２大气湍流对成像的影响
红外辐射在大气中传播会造成图像模糊。原因有两个：一一是由于经气溶胶和其他大气成分散射后进人
人瞳的散射光：二是在光路中由湍流引起的介质折射
率变化。大气气溶胶散射造成的模糊通常被称为“邻接效果”。对于远距离的水平光路，由于接近地面的风和空气与地面之间的热交换造成温度的显著变化，使湍流成为影响图像质量的重要因素。即使存在气溶胶模糊．湍流也常常是模糊的决定性因素。湍流模糊常
被作为一个线性移不变物理过程来处理。湍流引起的系统性能下降可以用湍流ＭＴＦ来描述。
Ｋｏｐｅｉｋａ等提出ｒ湍流ＭＴＦ模型Ｉ创。该模型由古德曼提出的大气相十长度模型发展而来。在湍流
ＭＴＦ模型中，大气的折射率变化用折射率结构参数ｔ
表示。。湍流ＭＴＦ分为长曝光模型和短曝光模型。长曝光模型集中反映ｒ焦平面上模糊点位置随时间的变
化．这种变化是由传感器入瞳处的等晕波前倾斜引起
的。大气湍流的长曝光ＭＴＦ是：
５１３
２
一ｌ／３
Ｍ７ＦＬＥ＝ｅｘｐ（一５７．４０管ｅＡ
Ｒ）（２）式中：ａ为波形常数，当波形是球面时，ａ为３／８，当波
面是平面时，ａ为ｌ；ｆ为空间频率，ｃ／ｍｒａｄ；Ｃ：为折射
率结构参数，ｍ划３；Ａ为波长；Ｒ为光程。大气湍流的短
曝光ＭＴＦ是：
Ｓ１３
２
—１／３ｌ／３
Ｍ阿ｓＥ＝ｅｘｐ（一５７．４嘭ｅＡ
Ｒ）［１－Ｉｚ（Ａｆ／Ｄ）】（３）
式中：Ｄ为通光孔径；肛为无量纲系数，在近场和远场
万方数据
时取不同值．近场时取ｌ，远场时取０．５。
长曝光记录的模糊光斑通常比短曝光的大，这是
因为造成模糊光斑的入射光角度随着光路的弯曲一直在变。使得光斑位置在像面上随机跳动，长曝光记录的是光斑跳动在时间上的积分。对于凝视型红外相机和红外监视型相机，其积分时间通常为毫秒级，典型值是
１６．７ｍｓ，帧频６０
Ｈｚ。所以。通常采用短曝光模型。
折射率结构参数Ｃ用下式来确定：
ｃ。２＝等
２
Ｉ，３
（４）
式中：＜ｄ‘＞为波前入射角的变化量：Ｄ为光学孔径；尺
为物像间的距离。
１．３气溶胶对成像的影响
除了大气湍流，光线在大气传输过程中还受到分子和气溶胶产生的散射和吸收作用的影响。
散射作用大大扩展了光源的辐射范围，造成光线入射角度的Ｈ大差异．从而也造成像平面上图像的模糊。与短曝光湍流不同的是，由气溶胶造成的模糊是非常广泛的。散射光的角度受到成像系统视场的限制，并非所有的散射光都会出现在像面。此外，传感器的动态范围也限制了记录在像面的散射光角度．其影
响往往比视场的限制还大。如果在入瞳处由目标辐射
的散射光的辐射水平低于背景辐射，其对大气模糊的
贡献将是轻微的，通常町以忽略不计。接收器有限的
空间频率带宽限制了实际记录在像面的非散射光的最高频率。所有这些实际仪器的限制应适用于处理气
溶胶ＭＴＦ的经典理论ｍ４１。
与可见光波段内不同的是。在热红外波段内吸收
是一个非常明显的效应。到达成像系统的入射光包含
非散射和散射两个部分。在长波红外大气窗口、中等气候条件下。长波红外的散射系数比可见光小得多，
光子通常只能与粒子发生一次作用，即要么被粒子吸
收。要么被散射１５ｌ。
因此，吸收只适用于非散射光的部分．而不适用
于所有辐射。所有与散射光有关的模糊，都不会因为微粒吸收而衰减。另外，能在无限空间频率带宽上增强图像的非散射光会被大气吸收而衰减，这使得图像
模糊作用更显著。因此，吸收造成气溶胶ＭＴＦ在高空
间频率处衰减。气溶胶ＭＴＦ可表示为：
第４期李咏豪等：大气传输引起的红外图像退化分析
：ｅｘｐ！、－ｓ。Ｒｉ考”
ｗ班ｉ唧Ｈ刮１．ｆ＂ｖ２忙卟≤Ｋ∞’
｛ｅｘｐ卜ＳＲ｝ｅｘｐ（－Ａ。尺）｝：ＶⅫ。
式中：Ｓ。和Ａ。分别为大气有效的散射和吸收系数；尺
为路径长度；ｙ为气溶胶ＭＴＦ的角空间截止频率，
将湍流ＭＴＦ和气溶胶ＭＴＦ相乘。得到大气ＭＴＦ：
ＭＴＦ＝Ｍ．Ｍ。
（６）
根据大气的热ＭＴＦ分析，闩标与背景之间的温差通过有微粒的大气传播后将受到大气的调制．从而
使物体对比度下降、网像模糊、图像灰度值起伏及图
像形变、闪烁等忙引．
２大气退化作用仿真
２．１仿真方法
大气退化作用仿真器本身町以看作足时间函数Ｆ（・）和尺（・）组成的一个串联的系统．该系统作用于静
态输入图像ｌ（ｘ，Ｙ），并创建・个输ｆｆ｛图像序列Ｏ（ｕ，＇，，ｔ）：
０（“，ｖ，ｆ）＝ＪＲ（Ｆ（１（ｘ，ｙ）））
（７）
Ｘ和Ｙ表爪输入图像的学标．Ｕ和ｖ表示输出图像的坐标，输Ｉ叶Ｉ罔像序列的时间依赖性体现在ｔ上。
第一个操作符Ｆ（・）用来模拟大气凋制传递厢数对图
像的模糊作用．定义为时间和夺问移不变的窄间滤波器
用高斯函数的标准差ｄｗ表爪模糊程度，
Ｄ（“．ｐ，，）＝（Ｆ（，（工，ｙ）；ｆ）
（８）
第二个操作符尺（・）用来模拟｜冬ｊ像跳动，，这也是时间函数．且是卒间移不变操作符．Ｏ（ｕ．Ｖ，ｆ）＝Ｄ（“（Ｊ，Ｙ，，），ｖ（ｘ，Ｙ，ｆ），ｔ（ｘ，Ｙ，ｆ））＝
Ｒ（１（ｘ，ｙ）；ｄ石（，），ｄｙ（，））＝月（“工，ｙ）；，）（９）
这个操作处理输入图像的坐标为输入图像的每个位置计算出位移矢量．分别用出、ｄｖ分量表示横向
和纵向位移，图ｌ、图２分别为滤波函数■维视ｌ冬１和
滤波函数参数ｄｗ、血、ｄｙ爪意图．
存开始仿真之前．必须指定相机的特性、物距、大
每个像素。ｄｗ、血、ｄｖ的一一阶统计特性由前述公式给ｍ．
万方数据
网ｌ滤波函数一：维视网
网２滤波函数参数ｄｗ．出，ｄｖ爪崽网
Ｆｉｇ．１
ＶｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＦｉｇ．２Ｓｋｅｔｃｈｏｆ
ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
ｄｗ．ｄｘ
ｆｉｌｔｅｒｆｕｎｃｔｉｏｎ
ｄｙｏｆｔｈｅｆｉｌｔｅｒｆｕｎｃｔｉｏｎ
并由利用多重【日ｌ归模型设计的随机数产乍器产生。
然后对输入图像使用操作符Ｆ（・）。需要计算㈣Ｋ
ｎ个（ｍ和ｎ分别指输入网像在水平和垂直方向上的像素数）不同宽度的内核低通滤波。由此产幸的图像显爪出不同的局部模糊，，
接着对低通滤波后的图像运用操作符Ｒ（・）。这需
要汁算另一个肌ｘ＿，ｚ的结果．根据每个输出罔像像素
的出和ｄｖ位移量．采用向后映射的方法找到对应的
输入图像中采样点的位置。向后映射能够将输入平面上各点随机分配到输出平面Ｌ，因此，可以精确模拟高动荡时的图像扭曲。使用双线性插值的方法考虑最近
的４个像素来计算该点的值，这种方法比最近邻法具
有更好的效果，仿真过程呵以用图３来表，】；，、
陶３仿真过稃小意陶
Ｆｉｇ．３Ｄｉａｇｒａｍ
ｏｆ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
选用下列参数作为仿真对象：目标距离为ｌｋｍ：｝ｊ标离地高度为２
ｍ；Ｃ：为１．ｏ×１．０—３ｍ瑚（延光路方
向）；光学系统为ｆ／４．０，ｆ＝６００ｍｍ，ｗ＝Ｏ．９２。ｘＯ．７３。；探
Ｉ．Ｌｍ：响应波根据公式（３）、（５）、（６）得出大气ＭＴＦ，该传递函数
２．２仿真结果
测器探测元为３２０ｘ２５６。像元尺寸为３０段为７．７～９．５¨ｍ，，
气情况等再将物理描述向仿真环境参数转换，，对于一次具体的仿真计算．需要为输ｍ图像的每个像素计算
模糊程度和所期望的在指定动荡下的位置分布。对于
仅考虑大气传输的退化效果ｉ，曲线图如图４所示。
５９２
红外与激光工程
第３９卷
曲■
暑
图４大气调制传递函数
Ｆｉｇ．４Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ
ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｔｒａｎｓｆｅｒｆｕｎｃｔｉｏｎ
对不同频率的条形靶进行了大气退化作用仿真。目的在于考察大气的独立退化作用。仿真结果如图５所示。经红外成像系统得到的实际红外图像还应包括系统自身及运动模糊、噪声等对图像的退化作用。
图５经大气传输退化后不同空间频率的条形靶仿真结果
Ｆｉｇ．５Ｓｉｍｕｌａｔｅｄｂａｒｔａｒｇｅｔｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓｄｅｇｒａｄｅｄ
ｂｙａｔｍｏｓｐｈｅｒｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ
为了比较仿真结果与原始图像的差别，将仿真结果与原始图像做互相关运算，求出其互相关函数。为了简化计算，仅考虑一维的情况。
ｒｆｇ（ｍ）＝Ｅ㈣咖训｝＝熙击蝥咖（棚）
（一Ｍ≤ｍ≤Ｍ）
（１０）
由于ｒ缸与ｒｆ之间满足如下关系：
ｒｆｇ（ｍ）＝ｒｆ（ｍ）’ｈ（ｍ）
（１１）
对公式（１）两端取傅里叶变换得：
Ｐｆｇ∞）＝Ｐｆ啦）‘Ｈ∞）
（１２）
由上述关系式可求出退化过程的传递函数。图６
为在５０ｌｐ／ｍｍ处的归一化互相关函数。
分别计算各频率处的互相关函数．并根据公式（１２）求出退化过程的传递函数。图７为退化过程的传递函数与大气调制传递函数比较的结果。
万方数据
置
葛
Ｓｐａｔｉａｌｆｒｅｑｔｍｃｙ／Ｉｐ・ｍｍ‘’
图６５０ｌｐ／ｍｍ处归一化互相关函数
Ｆｉｇ．６Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ
ｃｒｏｓｓ－ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ
ｆｕｎｃｔｉｏｎ
ａｔ
５０ｌｐ／ｍｍ
函一
兰
Ｓｐａｔｉａｌ
ｆｒｅｑｕｎｃｙ／Ｉｐ’蛐‘
图７退化过程的传递甬数
Ｆｉｇ．７Ｔｒａｎｓｆｅｒｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ
从图７中可以看出：由于大气调制传递函数具有
大气传输引起的红外图像退化是个复杂的物理（１：转第６２６页）
较高的数值，大气传输造成的图像退化主要体现在湍流引起的介质折射率变化，造成调制传递函数的局部波动，使图像显示出不同程度的局部模糊及图像跳动，频率越高退化效果越明显。随着频率的升高，大气调制传递函数引起的边缘模糊变得更加明显，增加了对远距离目标探测和识别的难度。
３结论
过程。在远距离目标获取中，红外侦查相机的性能受到大气传输的限制。文中主要针对大气调制传递函数
和图像跳动．利用随机数产生器产生具有特定统计特性的串联操作符的３个参数ｄｗ、出、ｄｙ。对不同空间频率的条形靶进行了大气传输效果仿真，并将仿真结
果与原始图像进行了互相关分析，证明退化过程的传递函数与理论结果相符。算法主要针对的远距离水平传输方向的红外成像系统大气传输退化也可嵌入到其他成像仿真的图像处理过程中，与系统自身及运动模糊、噪声等对图像的退化作用进行联合仿真。大气
６２６红外与激光工程第３９卷
法，根据电场作用下液滴面形变化的原理，直接在半导体激光管封装窗口上制作非球面透镜来准直ＬＤ光束。实验制得具有两个聚焦的非球面透镜，对ＬＤ光束
相互垂直方向的发散角分别进行准直。效果良好。
ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｏｆ
ｌｅｎｓ
ｅｄｇｅ－ｅｍｉｔｔｉｎｇｌａｓｅｒｄｉｏｄｅｗｉｔｈ
ｉｏｎ
ｍｉｃｒｏ－ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌ
ｕｓｉｎｇ
ｆｏｃｕｓｅｄ
ｏｎ
ｂｅａｍｄｉｒｅｃｔ
ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ【Ｊ】．ＩＥＥＥ
Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ（】）：２—８．
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Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，２００２，１５
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Ｂａｏ－ｗｅｎ，ｅｔａｎｄ
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ｉｎ
ｌａｓｅｒ
参考文献：
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ｌｉｍｉｔｅｄａｓｐｈｅｒｉｃ
ｃｏｌｌｉｍａｔｉｏｎ
ｌｅｎｓ【Ｊ】．Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆ
Ａｐｐｌｉｅｄ
ｌａｓｅｒｄｉｏｄｅ
ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒｓ［Ｃ］／／ＳＰｍ，１９９７。７４０：１４５－１５１．
【２】
ＣＨＥＮＧＩＣｅ－ｈｕ扎ＣＨＥＮＧＤｕｏ－ｓｉ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｔｈｅｃｏｌｌｉｍａｔｉｏｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ
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ＨＥ
Ｊｉａｎ—ｈｕｉ，ＺＨＡＮ
ｏｎ
Ｚｈｅｎ—ｘｉａｎ，ＷＵ
Ｙｕｎ—ｌｉａｎｇ，ｅｔ
ａ１．
ｍｏｄｕｌｅ
ｈｉ曲ｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒ【Ｊ】．Ｉｎｆｒａｒｅｄ
ａｎｄＬａｓｅｒＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
ｓｕｒｆａｃｅｐｒｏｆｉｌｅｏｆａｓｐｈｅｒｉｃａｌｌｉｑｕｉｄｍｉｃｒｏ—ｌｅｎｓ
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ｕｓｅ
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ｗｉｔｈ
ｄｉｆｆｕｓｅｌｉｇｈｔｂｙ
ｏｆ
ａ
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Ｑｉａｎｇ，ＳＨＩＹｏｎｇ－ｃｈａｏ，ＬＶ
Ｎａｉ－ｇｕａｎｇ，ｅｔ
ａ１．
【５】
ＳＭＩＴＨ
ＷＪ．ＭｏｄｅｒｎＯｐｔｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ［ＭＩ．ＮｅｗＹｏｒｋ：
Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅ
ｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｌａｓｅｒ—ｓｐｏｔｃｅｎｔｅｒ【Ｊ１．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ
ｏｆ
ＭｃＧｒａｗ—Ｈｉｌｌ．２０００．
【６】
ＺＨＡＮ
Ｚｈｅｎ－ｘｉａｎ，ＨＥ
Ｂｅｉｊｉｎｇ
Ｊｉａｎ－ｈｕｉ，ＹＡＯ
Ｈａｉ—ｔａｏ，ｅｔ
ａ１．
Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ
ＭａｃｈｉｎｅｒｙＩｎｄｕｓｔｒｙ（张强，施涌潮，吕
乃光．等．激光光斑中心位置的探测．北京机械工业学院学
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Ａｓｐｈｅｆｉｃａｌｌｉｑｕｉｄｍｉｃｒｏ—ｌｅｎｓｍａｎｉｐｕｌａｔｅｄｂｙｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｆｏｒｃｅｓ
【Ｊ】．ＡｃｔａＯｐｔｉｃａＳｉｎｉｃａ（詹珍贤，何建慧，姚海涛，等．电场作用下的变焦非球面液滴微透镜．光学学报），２００８，２８（２）：
３６１－３６４．
【７】
ＦＵ
Ｙｏｎｇ－ｑｉ，ＮＧＯＩ
Ｋ，ＢＲＹＡＮ
Ａ．Ａ
【１２】ＴＡＮ
ａｎｄ
Ｚｕｏ－ｊｕｎ，ＸＵＥＳｏｎｇ，ＫＡＮＧＪｉｎｇ－ｒａｎ，ｅｔａ１．Ｃｏｌｌｉｍａｔｉｏｎ
ｏｆｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒｓ
ｉｎ
ｔｅｓｔ
ｌａｓｅｒｆｕｚｅ【Ｊ１．Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆ
Ａｐｐｌｉｅｄ
ｎｏｖｅｌ
ｏｎｅ
Ｏｐｔｉｃｓ（谭佐军，薛松，康竞然，等．激光引信巾半导
ｓｔｅｐ
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（上接第５９２页）
（３）：３５４－３５８．
传输的非等晕效应仿真还有待进一步研究。
参考文献：
１
ＫＲＡＰＥＬＳ
Ｋ，ＤＲＩＧＧＥＲＳＲＧ，ＶＯＬＬＭＥＲＨＡＵＳＥＮＲＨ．ｃｔ
ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ
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ＳＡＤＯＴＤＡＮ，ＤＶＩＲＡ，ＢＥＲＧＥＬＬｉｍａｇｅｓｄｉｓｔｏｒｔｅｄｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ
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ｅｔａ１．Ｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｍａｌ
ｏｎ
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ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ
ｍｅａｓｕｒｅｄａｎｄ
ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ
ｔｒａｎｓｆｅｒ
ｆｕｎｃｔｉｏｎ【Ｊ】．
ＯｐｔｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９４，３３：４４—５３．
【５】
ＳＡＤＯＴＤ，ＫＯＰＥＩＫＡＮＳ．Ｉｍａｇｉｎｇｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ：ｐｒａｃｔｉｃａｌ
ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ・ｂａｓｅｄ
ｔｈｅｏｒｙ
ａｎｄ
ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ
ｏｆ
ａ１．Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ
ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｔｒａｎｓｆｅｒｆｕｎｃｔｉｏｎｆｏｒ
ｉｎｆｒａｒｅｄｔａｒｇｅｔａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｎｇ【Ｊ１．ＯｐｔＥｎｇ，２００１，加（９）：
１９０６—１９１３．
２
ＳＡＤＯＴＤ，ＫＯＰＥＩＫＡ
Ｎ
ａｅｒｏｓｏｌＭＴＦ【Ｃｌ／／ＳＰＩＥ，１９９２，１６８８：５９—６４．
【６１
Ｓ。ＲＯＴＭＡＮＳＲ．Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎｏｆ
ｍｏｄｅｌｉｎｇ［Ｃ］／／
【７】
ＳＡＤＯＴＤ，ＫＩＴＲＯＮＧ，ＫＩＴＲＯＮＮ，ｅｔａ１．Ｔｈｅｒｍａｌｉｍａｇｉｎｇｔｈｒｏｕｇｈ
ｔｈｅ
ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ：Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ
ＭＴＦ
ｔｈｅｏｒｙ
ａｎｄ
ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｂｌｕｒｒｉｎｇｅｆｆｅｃｔｓｉｎｔａｒｇｅｔａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎＳＰＩＥ，１９９４，２２２４：９５—１０７．
３
ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ【Ｃ］／／ＳＰＩＥ，１９９３，１９６８：５９—６６．ＧＡＯ
Ｓｉ—ｆｅｎｇ，ＷＵＰｉｎｇ，ＨＥＭａｎ—ｌｉ，ｅｔａ１．Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ
ｏｎ
ｔｈｅ
ＺＨＵ
Ｗｅｎ－ｙｕｅ，ＭＡＸｉａｏ－ｓｈａｎ，ＲＡＯＲｕｉ－ｚｈｏｎｇ，ｅｔａ１．Ｏｐｔｉｃａｌ
ｅｆｆｅｃｔｓ
ｏｎ
ｏｐｅｒａｔｉｎｇ
ｒａｎｇｅｏｆｉｎｆｒａｒｅｄｓｙｓｔｅｍｕｎｄｅｒｃｏｍｐｌｅｘａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ
ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ
ｅｌｅｃｔｒｏ－ｏｐｔｉｃａｌ
ｓｅｎｓｏｒｓ［Ｊ】．Ｉｎｆｒａｒｅｄａｎｄ
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湍流对光电探测器性能的影响．红外与激光工程），２００６，３Ｓ
万方数据
大气传输引起的红外图像退化分析
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
李咏豪， 姜会林， 周娜， LI Yong-hao， JIANG Hui-lin， ZHOU Na
李咏豪,LI Yong-hao(北京特种车辆研究所,北京,100072)， 姜会林,周娜,JIANG Hui-lin,ZHOU Na(长春理工大学光电工程学院,吉林,长春,130022)红外与激光工程
INFRARED AND LASER ENGINEERING2010,39(4)
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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_hwyjggc201004002.aspx
第３９卷第４期
Ｖ０１．３９Ｎｏ．４
红外与激光工程
ＩｎｆｒａｒｅｄａｎｄＬａｓｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２０１０年８月
Ａｕｇ．２０１０
大气传输引起的红外图像退化分析
李咏豪１，姜会林２，周
娜２
（１．北京特种车辆研究所，北京１０００７２；２．长春理工大学光电工程学院，吉林长春１３００２２）摘
要：分析并仿真了大气传榆引起的红外图像退化，．从大气湍流和气溶胶散射、吸收的物理过
程入手．分析了大气调制传递函数（ＭＴＦ）及其造成的图像退化。提出了大气作用效果的计算机仿真方法，在目标距离为ｌｌ㈣、离地高度２ｍ、Ｃ：＝１．Ｏｘｌ０…ｍ…、光学系统为ｆｉｇ．０４＝６００ｍｒｆｌ的情况下，针对远距离水平传输方向的红外成像系统进行了大气作用效果仿真．结果表明：大气传输引起的红外图像退化主要体现在由湍流引起的程度不同的局部模糊及图像跳动，
关键词：大气调制传递函数；中图分类号：ＴＮ９２９．１２
红外仿真；
湍流；
散射；
吸收
文献标志码：Ａ
文章编号：１００７—２２７６（２０１０）０４—０５８９—０４
Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｉｎｆｒａｒｅｄｉｍａｇｅｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｂｙ
ＬＩＹｏｎｇ－ｈａ０１，ＪＩＡＮＧＨｕｉ—ｌｉｎ２，ＺＨＯＵＮａ２
ａｅｒｏ
ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ
（１．ＢｅｉｊｉｎｇＳｐｅｃｉａｌＶｅｈｉｃｌｅＩｎｓｔｉｔｕｔｅ。Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００７２，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｉｇｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ
ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ
ａｎｄ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３（Ｘ）２２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｎｅ
ａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｉｎｆｒａｒｅｄ
ｅｆｆｅｃｔｓ
ｉｍａｇｅｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｂｙ
ａｅｒｏ
ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ
ｗｅｒｅ
ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．ＴｈｅａｔｍｏｓｐｈｅｒｅＭＴＦａｎｄｔｈｅｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｐｈｙｓｉｃａｌ
ｏｆｔｈｅｉｍａｇｅｗｅｒｅｐｏｉｎｔｅｄｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅ
ｐｒｏｃｅｓｓｏｆａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ，ａｅｒｏｓｏｌｓｃａｔｔｅｒｉｎｇａｎｄａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｏｆ
ｔｈｅａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｅｆｆｅｃｔｓｗｅｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｃｏｍｐｕｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｅｆｆｅｃｔｓｗａｓｄｏｎｅｆｏｒｔｈｅｉｎｆｒａｒｅｄｉｍａｇｉｎｇ
ｗａｓ
ｌ
ｓｙｓｔｅｍｏｆｌｏｎｇ—ｄｉｓｔａｎｃｅ
ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ
２
一ｌ≈
ｏｎ
ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ
ｔｈａｔｔｈｅｔａｒｇｅｔｄｉｓｔａｎｃｅ
一２／３
ｋｍ；ｔｈｅｈｅｉｇｈｔａｂｏｖｅｇｒｏｕｎｄｗａｓ２ｍ；Ｃ。＝ｘ１．ＯｘｌＯ
ｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｉｎｆｒａｒｅｄ
ｍ
，ｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ
ｂｙ
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Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ
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ｉｍａｇｅｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｃａｕｓｅｄ
ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｒｅｍａｉｎｌｙ
ｆｏｃｕｓｅｄ
ｔｈｅｌｏｃａｌｆｕｚｚｙａｎｄｉｍａｇｅｄｉｔｈｅｒｉｎｇｉｎｖａｒｉｏｕｓｄｅｇｒｅｅｃａｕｓｅｄｂｙａｔｍｏｓｐｈｅｒｅｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ．
Ｉｎｆｒａｒｅｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；Ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ；
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＡｔｍｏｓｐｈｅｒｅＭＴＦ；
Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ；Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ
Ｏ引言
热成像系统用于观测远距离目标时，红外辐射在到达热成像系统的光学系统之前必须通过大气，并被
射源这些现象使远距离目标的热图像质量变差。研
究表明：肖红外成像系统用于远距离目标获取时，系统的整机性能受到系统自身ＭＴＦ和大气湍流ＭＴＦ
的很大限制｜ｌＩ。因此．研究红外辐射的大气传输对像
质的影响，并对其进行建模和仿真，对红外成像系统的性能评估具有重要意义。
衰减。衰减的同时，大气梯度和湍流使辐射在结构上
发生畸变．引起空气折射率不均。此外，大气是固有辐
收稿日期：２００９—１０—１０：修订日期：２（Ｘ）Ｏ—１２一０５
基金项目：国家自然科学基金资助项目（６０９７７００１）；围家高技术研究发展计划（２００７ＡＡｌ２ＺＩｌＯ）
作者简介：李咏豪（１９７７－）。男．山东招远人。Ｉ：程师．硕｛：．主要研究方向为光电仿真‘ｊ检测技术，Ｅｍａｉｌ：ｌｉｙｈ＠１６３．ｔｏｍ
万方数据
红外与激光工程第３０卷
１红外成像中大气传输作用效果分析
ｌ－ｌ大气衰减
大气是一个包含湍流、散射和吸收粒子的随机介
质，大气对系统Ｔ作的影响基本体现在辐射衰减。红外辐射衰减与３种现象有关：大气气体分子的吸收；大气中分子、气溶胶和微粒的散射；冈气象条件（云、
雾、雨、雪）引起的衰减等。红外辐射的大气衰减满足布盖尔一朗伯定律，即光谱透过率ｒ。（Ａ）和衰减系数Ｏｔ。（Ａ）之间满足如下关系：
下。（Ａ）＝ｅｘｐ【一ｄ。（Ａ）Ｄ】
（１）
式中：Ｄ为被观测目标和热成像系统间的距离。，
１．２大气湍流对成像的影响
红外辐射在大气中传播会造成图像模糊。原因有两个：一一是由于经气溶胶和其他大气成分散射后进人
人瞳的散射光：二是在光路中由湍流引起的介质折射
率变化。大气气溶胶散射造成的模糊通常被称为“邻接效果”。对于远距离的水平光路，由于接近地面的风和空气与地面之间的热交换造成温度的显著变化，使湍流成为影响图像质量的重要因素。即使存在气溶胶模糊．湍流也常常是模糊的决定性因素。湍流模糊常
被作为一个线性移不变物理过程来处理。湍流引起的系统性能下降可以用湍流ＭＴＦ来描述。
Ｋｏｐｅｉｋａ等提出ｒ湍流ＭＴＦ模型Ｉ创。该模型由古德曼提出的大气相十长度模型发展而来。在湍流
ＭＴＦ模型中，大气的折射率变化用折射率结构参数ｔ
表示。。湍流ＭＴＦ分为长曝光模型和短曝光模型。长曝光模型集中反映ｒ焦平面上模糊点位置随时间的变
化．这种变化是由传感器入瞳处的等晕波前倾斜引起
的。大气湍流的长曝光ＭＴＦ是：
５１３
２
一ｌ／３
Ｍ７ＦＬＥ＝ｅｘｐ（一５７．４０管ｅＡ
Ｒ）（２）式中：ａ为波形常数，当波形是球面时，ａ为３／８，当波
面是平面时，ａ为ｌ；ｆ为空间频率，ｃ／ｍｒａｄ；Ｃ：为折射
率结构参数，ｍ划３；Ａ为波长；Ｒ为光程。大气湍流的短
曝光ＭＴＦ是：
Ｓ１３
２
—１／３ｌ／３
Ｍ阿ｓＥ＝ｅｘｐ（一５７．４嘭ｅＡ
Ｒ）［１－Ｉｚ（Ａｆ／Ｄ）】（３）
式中：Ｄ为通光孔径；肛为无量纲系数，在近场和远场
万方数据
时取不同值．近场时取ｌ，远场时取０．５。
长曝光记录的模糊光斑通常比短曝光的大，这是
因为造成模糊光斑的入射光角度随着光路的弯曲一直在变。使得光斑位置在像面上随机跳动，长曝光记录的是光斑跳动在时间上的积分。对于凝视型红外相机和红外监视型相机，其积分时间通常为毫秒级，典型值是
１６．７ｍｓ，帧频６０
Ｈｚ。所以。通常采用短曝光模型。
折射率结构参数Ｃ用下式来确定：
ｃ。２＝等
２
Ｉ，３
（４）
式中：＜ｄ‘＞为波前入射角的变化量：Ｄ为光学孔径；尺
为物像间的距离。
１．３气溶胶对成像的影响
除了大气湍流，光线在大气传输过程中还受到分子和气溶胶产生的散射和吸收作用的影响。
散射作用大大扩展了光源的辐射范围，造成光线入射角度的Ｈ大差异．从而也造成像平面上图像的模糊。与短曝光湍流不同的是，由气溶胶造成的模糊是非常广泛的。散射光的角度受到成像系统视场的限制，并非所有的散射光都会出现在像面。此外，传感器的动态范围也限制了记录在像面的散射光角度．其影
响往往比视场的限制还大。如果在入瞳处由目标辐射
的散射光的辐射水平低于背景辐射，其对大气模糊的
贡献将是轻微的，通常町以忽略不计。接收器有限的
空间频率带宽限制了实际记录在像面的非散射光的最高频率。所有这些实际仪器的限制应适用于处理气
溶胶ＭＴＦ的经典理论ｍ４１。
与可见光波段内不同的是。在热红外波段内吸收
是一个非常明显的效应。到达成像系统的入射光包含
非散射和散射两个部分。在长波红外大气窗口、中等气候条件下。长波红外的散射系数比可见光小得多，
光子通常只能与粒子发生一次作用，即要么被粒子吸
收。要么被散射１５ｌ。
因此，吸收只适用于非散射光的部分．而不适用
于所有辐射。所有与散射光有关的模糊，都不会因为微粒吸收而衰减。另外，能在无限空间频率带宽上增强图像的非散射光会被大气吸收而衰减，这使得图像
模糊作用更显著。因此，吸收造成气溶胶ＭＴＦ在高空
间频率处衰减。气溶胶ＭＴＦ可表示为：
第４期李咏豪等：大气传输引起的红外图像退化分析
：ｅｘｐ！、－ｓ。Ｒｉ考”
ｗ班ｉ唧Ｈ刮１．ｆ＂ｖ２忙卟≤Ｋ∞’
｛ｅｘｐ卜ＳＲ｝ｅｘｐ（－Ａ。尺）｝：ＶⅫ。
式中：Ｓ。和Ａ。分别为大气有效的散射和吸收系数；尺
为路径长度；ｙ为气溶胶ＭＴＦ的角空间截止频率，
将湍流ＭＴＦ和气溶胶ＭＴＦ相乘。得到大气ＭＴＦ：
ＭＴＦ＝Ｍ．Ｍ。
（６）
根据大气的热ＭＴＦ分析，闩标与背景之间的温差通过有微粒的大气传播后将受到大气的调制．从而
使物体对比度下降、网像模糊、图像灰度值起伏及图
像形变、闪烁等忙引．
２大气退化作用仿真
２．１仿真方法
大气退化作用仿真器本身町以看作足时间函数Ｆ（・）和尺（・）组成的一个串联的系统．该系统作用于静
态输入图像ｌ（ｘ，Ｙ），并创建・个输ｆｆ｛图像序列Ｏ（ｕ，＇，，ｔ）：
０（“，ｖ，ｆ）＝ＪＲ（Ｆ（１（ｘ，ｙ）））
（７）
Ｘ和Ｙ表爪输入图像的学标．Ｕ和ｖ表示输出图像的坐标，输Ｉ叶Ｉ罔像序列的时间依赖性体现在ｔ上。
第一个操作符Ｆ（・）用来模拟大气凋制传递厢数对图
像的模糊作用．定义为时间和夺问移不变的窄间滤波器
用高斯函数的标准差ｄｗ表爪模糊程度，
Ｄ（“．ｐ，，）＝（Ｆ（，（工，ｙ）；ｆ）
（８）
第二个操作符尺（・）用来模拟｜冬ｊ像跳动，，这也是时间函数．且是卒间移不变操作符．Ｏ（ｕ．Ｖ，ｆ）＝Ｄ（“（Ｊ，Ｙ，，），ｖ（ｘ，Ｙ，ｆ），ｔ（ｘ，Ｙ，ｆ））＝
Ｒ（１（ｘ，ｙ）；ｄ石（，），ｄｙ（，））＝月（“工，ｙ）；，）（９）
这个操作处理输入图像的坐标为输入图像的每个位置计算出位移矢量．分别用出、ｄｖ分量表示横向
和纵向位移，图ｌ、图２分别为滤波函数■维视ｌ冬１和
滤波函数参数ｄｗ、血、ｄｙ爪意图．
存开始仿真之前．必须指定相机的特性、物距、大
每个像素。ｄｗ、血、ｄｖ的一一阶统计特性由前述公式给ｍ．
万方数据
网ｌ滤波函数一：维视网
网２滤波函数参数ｄｗ．出，ｄｖ爪崽网
Ｆｉｇ．１
ＶｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＦｉｇ．２Ｓｋｅｔｃｈｏｆ
ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
ｄｗ．ｄｘ
ｆｉｌｔｅｒｆｕｎｃｔｉｏｎ
ｄｙｏｆｔｈｅｆｉｌｔｅｒｆｕｎｃｔｉｏｎ
并由利用多重【日ｌ归模型设计的随机数产乍器产生。
然后对输入图像使用操作符Ｆ（・）。需要计算㈣Ｋ
ｎ个（ｍ和ｎ分别指输入网像在水平和垂直方向上的像素数）不同宽度的内核低通滤波。由此产幸的图像显爪出不同的局部模糊，，
接着对低通滤波后的图像运用操作符Ｒ（・）。这需
要汁算另一个肌ｘ＿，ｚ的结果．根据每个输出罔像像素
的出和ｄｖ位移量．采用向后映射的方法找到对应的
输入图像中采样点的位置。向后映射能够将输入平面上各点随机分配到输出平面Ｌ，因此，可以精确模拟高动荡时的图像扭曲。使用双线性插值的方法考虑最近
的４个像素来计算该点的值，这种方法比最近邻法具
有更好的效果，仿真过程呵以用图３来表，】；，、
陶３仿真过稃小意陶
Ｆｉｇ．３Ｄｉａｇｒａｍ
ｏｆ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
选用下列参数作为仿真对象：目标距离为ｌｋｍ：｝ｊ标离地高度为２
ｍ；Ｃ：为１．ｏ×１．０—３ｍ瑚（延光路方
向）；光学系统为ｆ／４．０，ｆ＝６００ｍｍ，ｗ＝Ｏ．９２。ｘＯ．７３。；探
Ｉ．Ｌｍ：响应波根据公式（３）、（５）、（６）得出大气ＭＴＦ，该传递函数
２．２仿真结果
测器探测元为３２０ｘ２５６。像元尺寸为３０段为７．７～９．５¨ｍ，，
气情况等再将物理描述向仿真环境参数转换，，对于一次具体的仿真计算．需要为输ｍ图像的每个像素计算
模糊程度和所期望的在指定动荡下的位置分布。对于
仅考虑大气传输的退化效果ｉ，曲线图如图４所示。
５９２
红外与激光工程
第３９卷
曲■
暑
图４大气调制传递函数
Ｆｉｇ．４Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ
ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｔｒａｎｓｆｅｒｆｕｎｃｔｉｏｎ
对不同频率的条形靶进行了大气退化作用仿真。目的在于考察大气的独立退化作用。仿真结果如图５所示。经红外成像系统得到的实际红外图像还应包括系统自身及运动模糊、噪声等对图像的退化作用。
图５经大气传输退化后不同空间频率的条形靶仿真结果
Ｆｉｇ．５Ｓｉｍｕｌａｔｅｄｂａｒｔａｒｇｅｔｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓｄｅｇｒａｄｅｄ
ｂｙａｔｍｏｓｐｈｅｒｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ
为了比较仿真结果与原始图像的差别，将仿真结果与原始图像做互相关运算，求出其互相关函数。为了简化计算，仅考虑一维的情况。
ｒｆｇ（ｍ）＝Ｅ㈣咖训｝＝熙击蝥咖（棚）
（一Ｍ≤ｍ≤Ｍ）
（１０）
由于ｒ缸与ｒｆ之间满足如下关系：
ｒｆｇ（ｍ）＝ｒｆ（ｍ）’ｈ（ｍ）
（１１）
对公式（１）两端取傅里叶变换得：
Ｐｆｇ∞）＝Ｐｆ啦）‘Ｈ∞）
（１２）
由上述关系式可求出退化过程的传递函数。图６
为在５０ｌｐ／ｍｍ处的归一化互相关函数。
分别计算各频率处的互相关函数．并根据公式（１２）求出退化过程的传递函数。图７为退化过程的传递函数与大气调制传递函数比较的结果。
万方数据
置
葛
Ｓｐａｔｉａｌｆｒｅｑｔｍｃｙ／Ｉｐ・ｍｍ‘’
图６５０ｌｐ／ｍｍ处归一化互相关函数
Ｆｉｇ．６Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ
ｃｒｏｓｓ－ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ
ｆｕｎｃｔｉｏｎ
ａｔ
５０ｌｐ／ｍｍ
函一
兰
Ｓｐａｔｉａｌ
ｆｒｅｑｕｎｃｙ／Ｉｐ’蛐‘
图７退化过程的传递甬数
Ｆｉｇ．７Ｔｒａｎｓｆｅｒｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ
从图７中可以看出：由于大气调制传递函数具有
大气传输引起的红外图像退化是个复杂的物理（１：转第６２６页）
较高的数值，大气传输造成的图像退化主要体现在湍流引起的介质折射率变化，造成调制传递函数的局部波动，使图像显示出不同程度的局部模糊及图像跳动，频率越高退化效果越明显。随着频率的升高，大气调制传递函数引起的边缘模糊变得更加明显，增加了对远距离目标探测和识别的难度。
３结论
过程。在远距离目标获取中，红外侦查相机的性能受到大气传输的限制。文中主要针对大气调制传递函数
和图像跳动．利用随机数产生器产生具有特定统计特性的串联操作符的３个参数ｄｗ、出、ｄｙ。对不同空间频率的条形靶进行了大气传输效果仿真，并将仿真结
果与原始图像进行了互相关分析，证明退化过程的传递函数与理论结果相符。算法主要针对的远距离水平传输方向的红外成像系统大气传输退化也可嵌入到其他成像仿真的图像处理过程中，与系统自身及运动模糊、噪声等对图像的退化作用进行联合仿真。大气
６２６红外与激光工程第３９卷
法，根据电场作用下液滴面形变化的原理，直接在半导体激光管封装窗口上制作非球面透镜来准直ＬＤ光束。实验制得具有两个聚焦的非球面透镜，对ＬＤ光束
相互垂直方向的发散角分别进行准直。效果良好。
ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｏｆ
ｌｅｎｓ
ｅｄｇｅ－ｅｍｉｔｔｉｎｇｌａｓｅｒｄｉｏｄｅｗｉｔｈ
ｉｏｎ
ｍｉｃｒｏ－ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌ
ｕｓｉｎｇ
ｆｏｃｕｓｅｄ
ｏｎ
ｂｅａｍｄｉｒｅｃｔ
ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ【Ｊ】．ＩＥＥＥ
Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ（】）：２—８．
Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ
Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，２００２，１５
【８】ＬＩＴｏｎｇ－ｈａｌ，ＷＵＧｕｏ－ｊｕｎ，ＨＵ
Ｂａｏ－ｗｅｎ，ｅｔａｎｄ
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ｉｎ
ｌａｓｅｒ
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【９】ＧＯＵＺｈｉ－ｙｏｎｇ，ＷＡＮＧＪｉａｎｇ，ＷＡＮＧＬｅｉ，ｅｔａ１．Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ・
ｌｉｍｉｔｅｄａｓｐｈｅｒｉｃ
ｃｏｌｌｉｍａｔｉｏｎ
ｌｅｎｓ【Ｊ】．Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆ
Ａｐｐｌｉｅｄ
ｌａｓｅｒｄｉｏｄｅ
ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒｓ［Ｃ］／／ＳＰｍ，１９９７。７４０：１４５－１５１．
【２】
ＣＨＥＮＧＩＣｅ－ｈｕ扎ＣＨＥＮＧＤｕｏ－ｓｉ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｔｈｅｃｏｌｌｉｍａｔｉｏｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ
ｆｏｒ
ｓｅｌｆｏｃ
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ＨＥ
Ｊｉａｎ—ｈｕｉ，ＺＨＡＮ
ｏｎ
Ｚｈｅｎ—ｘｉａｎ，ＷＵ
Ｙｕｎ—ｌｉａｎｇ，ｅｔ
ａ１．
ｍｏｄｕｌｅ
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传输的非等晕效应仿真还有待进一步研究。
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大气传输引起的红外图像退化分析
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
李咏豪， 姜会林， 周娜， LI Yong-hao， JIANG Hui-lin， ZHOU Na
李咏豪,LI Yong-hao(北京特种车辆研究所,北京,100072)， 姜会林,周娜,JIANG Hui-lin,ZHOU Na(长春理工大学光电工程学院,吉林,长春,130022)红外与激光工程
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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_hwyjggc201004002.aspx