本發(fā)明涉及紅外遙感和紅外空間，尤其涉及一種天基紅外成像系統(tǒng)圖像質(zhì)量定量化評估方法。

背景技術(shù)：

1、在紅外遙感領(lǐng)域，傳統(tǒng)的紅外系統(tǒng)成像評估算法通常僅考慮了單一特性，利用調(diào)制傳遞函數(shù)mtf、噪聲等效溫差netd、最小可分辨溫差mrtd某個單一指標(biāo)評估仿真系統(tǒng)和真實系統(tǒng)性能，已經(jīng)成為了傳統(tǒng)光電系統(tǒng)性能評價的標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)評估模型存在一定的主觀性，不同實驗條件下測試結(jié)果有很大的差別，且對非線性響應(yīng)因素考慮不足，難以支撐系統(tǒng)整體性能的評估。

2、在現(xiàn)代載荷設(shè)計中，許多參數(shù)是互相制約的：追求弱小目標(biāo)探測性能需要提高載荷的靈敏度，會帶來疑似目標(biāo)的增加與虛警率的上升，因此選取合適的紅外圖像質(zhì)量定量化評估指標(biāo)至關(guān)重要。

3、紅外成像系統(tǒng)圖像評估體系首先由特定探測任務(wù)需求出發(fā)，衍射極限gsd或角分辨率是光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的強約束指標(biāo)，過高分辨率需求將導(dǎo)致光學(xué)口徑需求過大，工程難以實現(xiàn)，進一步會限制光學(xué)視場；光學(xué)品質(zhì)因數(shù)q、探測距離r、像元尺寸dx以及截止波長λmax共同決定了光學(xué)焦距f、最小口徑需求dmin以及f#數(shù)；在探測器性能方面，需求的靈敏度開始由背景限開始向更低的噪聲限轉(zhuǎn)變，噪聲等效靈敏度系數(shù)、信噪比、探測譜段、最小最大溫度探測范圍等參數(shù)綜合決定了成像系統(tǒng)圖像質(zhì)量。

4、因此需要一種智能的評估算法，具有向下分析能力，有效加快成像系統(tǒng)質(zhì)量評估-系統(tǒng)設(shè)計回路的迭代速度，為在軌載荷的研發(fā)提供技術(shù)支持，在目標(biāo)探測、識別及跟蹤方面也具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明意在提供一種天基紅外成像系統(tǒng)圖像質(zhì)量定量化評估方法，以解決背景技術(shù)中所述的問題。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種天基紅外成像系統(tǒng)圖像質(zhì)量定量化評估方法，包括以下步驟：

4、s101、初始化紅外成像系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)與探測器參數(shù)；

5、選取目標(biāo)與背景，設(shè)定光照條件、譜段與季節(jié)條件，載入場景輻亮度圖像。設(shè)定紅外系統(tǒng)參數(shù)，其中光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)包括相機口徑d、焦距、探測距離、光學(xué)效率、中心波長、能量集中度和瞬時視場。然后設(shè)置探測器參數(shù)，分別為：像元尺寸、暗電流、積分時間、儀器背景噪聲、讀出噪聲、滿阱電子數(shù)、非均勻性、量化位數(shù)與量子效率。

6、s102、根據(jù)紅外成像系統(tǒng)參數(shù)選取探測系統(tǒng)圖像質(zhì)量評價指標(biāo)；

7、本發(fā)明主要研究空中目標(biāo)紅外成像系統(tǒng)圖像質(zhì)量評估體系確立方法，首先對紅外系統(tǒng)成像鏈路中各模塊分析，從空中目標(biāo)成像需達到的總體指標(biāo)出發(fā)，逐級別分解至載荷核心部件紅外探測器級指標(biāo)，重點對空中目標(biāo)成像所需的分辨率、波段、積分時間等指標(biāo)進行了論證，并進一步開展典型紅外系統(tǒng)對空中目標(biāo)的成像質(zhì)量分析。因此本方法選取的評價指標(biāo)共有：系統(tǒng)f數(shù)、地面分辨率、光學(xué)衍射極限分辨率、ifov、最小分辨角、光學(xué)效率、能量集中度、量子效率、信號電子數(shù)、噪聲電子數(shù)，電子數(shù)信噪比。

8、s102.1、光學(xué)系統(tǒng)的核心參數(shù)確立過程根據(jù)角分辨率和光學(xué)衍射極限決定的，

9、首先是相機角分辨率ifov與地面探測分辨率gsd之間的關(guān)系：

10、

11、gsd＝ifov*r

12、其中ifov為角分辨率，f為光學(xué)系統(tǒng)焦距，dx為像元尺寸，gsd為地面分辨率，r為系統(tǒng)探測距離；

13、光學(xué)衍射極限分辨率σ為：

14、

15、其中d為光學(xué)系統(tǒng)口徑，λ為探測波長；

16、最小分辨角θmin為：

17、

18、系統(tǒng)極限口徑dmin為：

19、

20、其中，f#為系統(tǒng)f數(shù)；

21、s102.2、紅外系統(tǒng)噪聲通過電子數(shù)信噪比指標(biāo)進行評估，從內(nèi)部探測器級指標(biāo)出發(fā)，將光子噪聲、儀器噪聲、暗電流噪聲以及電子學(xué)噪聲各個噪聲分項對靈敏度及動態(tài)范圍的影響進行分析，從頂層信噪比指標(biāo)出發(fā)，考慮到觀測信號的最大、最小量級，向下級各噪聲項進行指標(biāo)分配，合理評估系統(tǒng)成像指標(biāo)要求。

22、信號電子數(shù)計算。根據(jù)信號電子數(shù)ns的定義：一個積分時間周期內(nèi)目標(biāo)產(chǎn)生并向積分電容注入的電荷數(shù)。目標(biāo)像元接收的電子數(shù)，表示為：

23、

24、式中，qe是探測器量子效率，λ為中心波長，h為普郎克常數(shù)(h＝6.6×10-34j·s-1)，c為光速(c＝3×108m/s)，j為目標(biāo)輻射強度，τa為目標(biāo)所在高度大氣透過率，τ0是光學(xué)系統(tǒng)透過率(含光學(xué)遮擋因子)，ee為能量集中度，l是探測距離，tint是系統(tǒng)積分時間。

25、除目標(biāo)外觀測地球背景及其大氣路徑產(chǎn)生的電子數(shù)nbg表示為：

26、

27、式中l(wèi)bg為背景輻亮度。

28、s102.3、在天基遠距離成像時，空中目標(biāo)在紅外系統(tǒng)中所成的像多為點目標(biāo)，受空間噪聲影響較小，系統(tǒng)噪聲可簡化為時間噪聲：

29、

30、nread為系統(tǒng)的讀出噪聲電子數(shù)，nph為所有光子噪聲相關(guān)的總和產(chǎn)生的均方根：

31、

32、ninstr是光學(xué)儀器各部件及杜瓦窗口輻射的總和，ndark為紅外探測器暗電流噪聲電子數(shù)。

33、工程上紅外焦平面噪聲性能一般利用電子數(shù)信噪比模型描述，電子數(shù)信噪比取為信號電子數(shù)與總噪聲電子數(shù)之比。

34、

35、可以容易確定光子噪聲主導(dǎo)的系統(tǒng)探測性能上限，但由于系統(tǒng)還包含來自探測器噪聲、電子學(xué)讀出噪聲、儀器背景等等多項，以上過程僅用于最初期簡化模型評估系統(tǒng)能力。

36、s103、分別對評價指標(biāo)進行無量綱歸一化處理；

37、對選取的紅外成像系統(tǒng)的圖像質(zhì)量評價指標(biāo)進行指標(biāo)屬性正向化處理。

38、設(shè)指標(biāo)為x，極小型指標(biāo)的正向化方法為：

39、positxm＝max(x)-xm,m＝1,2,3…

40、極大型指標(biāo)的正向化方法為：

41、positxm＝xm-min(x),m＝1,2,3…

42、s104、構(gòu)建基于topsis熵權(quán)法的紅外系統(tǒng)圖像質(zhì)量定量化評估模型；

43、s104.1、根據(jù)圖像質(zhì)量定量化評估指標(biāo)構(gòu)建評價矩陣：

44、

45、其中n為評價對象個數(shù)，m為評價指標(biāo)個數(shù)。為了去除量綱的影響，對x進行歸一化處理，記為z：

46、

47、s104.2、熵權(quán)法計算各評價指標(biāo)的權(quán)重，計算各指標(biāo)的熵值：

48、

49、其中k與樣本數(shù)量有關(guān)，一般取k＝1/ln(n)。進而計算各指標(biāo)的權(quán)值：

50、

51、s104.3、確定最優(yōu)和最劣距離。首先定義最大值和最小值：

52、z+＝(max(z11,z21,...,zm1),max(z12,z22,...,zm2),...,max(z1n,z2n,...,zmn))

53、z-＝(min(z11,z21,...,zm1),min(z12,z22,...,zm2),...,min(z1n,z2n,...,zmn))

54、計算出第i個評價對象的最優(yōu)距離和最劣距離：

55、

56、s104.4、由得到的最優(yōu)和最劣距離計算各組參數(shù)得分：

57、

58、s105、根據(jù)模型評價結(jié)果實現(xiàn)對成像系統(tǒng)的圖像質(zhì)量定量化評估。

59、根據(jù)模型評價的歸一化結(jié)果實現(xiàn)成像系統(tǒng)的圖像質(zhì)量的評估：

60、

61、根據(jù)分數(shù)高低即可得到成像質(zhì)量綜合排名。

62、技術(shù)方案原理及有益效果：本發(fā)明綜合評估了紅外探測系統(tǒng)各個子系統(tǒng)的性能指標(biāo)，并對指標(biāo)確定的成像系統(tǒng)進行了性能分析，根據(jù)任務(wù)目標(biāo)，采取了三個層次的初始化和設(shè)計：第一級初始化紅外成像系統(tǒng)場景，第二級基于探測器選型、規(guī)模和像元尺寸進行成像質(zhì)量評估指標(biāo)選取，第三級通過綜合指標(biāo)計算性能。該方法具有客觀性與通用性，對于性能評估、系統(tǒng)改進、成本節(jié)約和決策支持具有重要意義。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明構(gòu)建了紅外系統(tǒng)成像質(zhì)量評估指標(biāo)，并結(jié)合熵權(quán)topsis計算得到成像質(zhì)量評估中各指標(biāo)的權(quán)重值，最后基于各指標(biāo)權(quán)重指數(shù)，實現(xiàn)對多組探測系統(tǒng)參數(shù)的評估，具備一定的有效性，為紅外技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展提供可靠的工具和方法。