氣壓對(duì)車載光電系統(tǒng)成像質(zhì)量影響的仿真研究（通訊）
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氣壓對(duì)車載光電系統(tǒng)成像質(zhì)量影響的仿真研究（通訊）
李國璋1， 姜文韜1，2， 任國全1， 李冬偉1， 陳 誠2
（1軍械工程學(xué)院，石家莊050003；2．中國人民解放軍78638部隊(duì)，四川什邡618408）
摘要：為了研究氣壓對(duì)車載光電系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響，在分析氣壓變化對(duì)光電系統(tǒng)離焦影響的基礎(chǔ)上，建立了氣壓引起光電系統(tǒng)成像模糊的數(shù)學(xué)模型。通過建立某輪式火炮瞄準(zhǔn)鏡的光學(xué)系統(tǒng)模型，并設(shè)置不同的環(huán)境氣壓對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真分析，最終得到了不同氣壓下該瞄準(zhǔn)鏡的成像仿真圖像。利用灰度平均梯度法對(duì)仿真圖像進(jìn)行評(píng)價(jià)，并得出結(jié)論：環(huán)境氣壓越低，圖像越模糊，該瞄準(zhǔn)鏡的成像質(zhì)量越差。此研究對(duì)新型車載光電系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞：車載光電系統(tǒng)；氣壓；模糊圖像；成像質(zhì)量；仿真
中圖分類號(hào)：TH745 文章編號(hào)：1671 - 637X( 2016) 04 - 0090 - 04
0 引言
隨著現(xiàn)代武器系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，高精度的光電成像系統(tǒng)因具有良好的機(jī)動(dòng)性和靈活性被廣泛應(yīng)用于機(jī)載、車載和艦載偵察觀瞄系統(tǒng)，已成為信息化武器裝備中的關(guān)鍵技術(shù)之一。對(duì)于坦克裝甲車輛而言，光電系統(tǒng)如同其眼睛，主要用來完成對(duì)目標(biāo)的觀察與搜索、跟蹤與瞄準(zhǔn)，其成像質(zhì)量的好壞直接影響了坦克裝甲車輛戰(zhàn)斗能力的強(qiáng)弱。然而，隨著戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜化，光電系統(tǒng)實(shí)際承受的大氣壓力和系統(tǒng)最初設(shè)計(jì)的大氣壓力有所不同，這會(huì)使得其光學(xué)參數(shù)發(fā)生變化，從而引起成像質(zhì)量的變化。因此，研究氣壓對(duì)光電系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響對(duì)于車載光電系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)以及后續(xù)的圖像恢復(fù)具有重要的意義。
關(guān)于大氣壓力對(duì)光電系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響，都做了相關(guān)的研究和試驗(yàn)，主要推導(dǎo)了環(huán)境壓力變化時(shí)阿貝數(shù)變化對(duì)像面移動(dòng)的影響。其研究的重點(diǎn)大都集中在光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和光電系統(tǒng)的調(diào)焦兩個(gè)方面，沒有對(duì)大氣壓力引起光電系統(tǒng)成像質(zhì)量變化的原因進(jìn)行深入分析。為此，本文通過推導(dǎo)建立氣壓變化引起成像模糊的數(shù)學(xué)模型，以某輪式火炮瞄準(zhǔn)鏡為研究對(duì)象，仿真得到其離焦模糊圖像，從定性和定量分析的角度，得到不同氣壓對(duì)車載光電系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響。1氣壓變化對(duì)光電系統(tǒng)的影響
通常設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)，一般只需考慮在常溫、常壓條件下能正常使用即可。但是，現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性要求越來越高。當(dāng)大氣壓力變化時(shí)，空氣密度發(fā)生變化，空氣的折射率也隨之發(fā)生變化。空氣折射率一旦變化，對(duì)通過光學(xué)系統(tǒng)傳播的光線來說，其光程也發(fā)生變化，必然會(huì)導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)的像面發(fā)生位移，進(jìn)而影響系統(tǒng)的成像質(zhì)量。
為了研究方便，光學(xué)成像系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化為單個(gè)透鏡的理想模型。大氣壓力變化所引起的單一透鏡焦距的變化可以表示為
為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力。由此可見，大氣壓力減小，焦距隨之變小，焦面向透鏡方向移動(dòng)；反之，大氣壓力增大將造成焦距變長(zhǎng)，焦面向遠(yuǎn)離透鏡的方向移動(dòng)。
光學(xué)系統(tǒng)焦距的變化使得理想成像面與探測(cè)器成像面不再重合，造成系統(tǒng)離焦，直接導(dǎo)致探測(cè)器成像面上影像模糊，分辨率降低，如圖1所示。
圖1中：A點(diǎn)為物點(diǎn)；a為物點(diǎn)到透鏡平面的距離；6為探測(cè)器成像而到透鏡平面的距離。當(dāng)氣壓為P0時(shí)，透鏡的焦距是f，理想像點(diǎn)到透鏡平面的距離恰好也是b，此時(shí)物點(diǎn)的像清晰地聚焦在探測(cè)器成像面上；當(dāng)氣壓變?yōu)?/font>P時(shí)，透鏡的焦距變?yōu)?/font>f1,理想像點(diǎn)到透鏡平面的距離是c，此時(shí)在探測(cè)器成像面上，物點(diǎn)將被彌散為一塊圓形光斑。設(shè)h表示透鏡的半徑，r表示彌散斑半徑，根據(jù)高斯公式可以得到
結(jié)合式(2)和式(3)，可以整理得出彌散斑半徑為
在實(shí)際應(yīng)用中，由于存在衍射、像差等非理想特性因素，當(dāng)光電系統(tǒng)發(fā)生離焦時(shí)，其成像過程中的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)通常用二維高斯模型來近似
式中，尺為模糊半徑。根據(jù)光電探測(cè)器成像原理，可以近似得出
式中，p為光電探測(cè)器的像元尺寸。
對(duì)于空間不變線性成像系統(tǒng)，其離焦模糊圖像的成像過程可以用數(shù)學(xué)上的卷積公式來描述
結(jié)合式(1)及式(5)可知，式(8)和式(9)分別表達(dá)了在不同大氣壓力環(huán)境下，點(diǎn)目標(biāo)靜止圖像與離焦模糊圖像之間在時(shí)域和頻域上的關(guān)系，從本質(zhì)上揭示了光電系統(tǒng)離焦模糊圖像的成像機(jī)理。
2 系統(tǒng)仿真分析
2.1光學(xué)系統(tǒng)建模
火炮瞄準(zhǔn)鏡通常安裝于炮塔頂部，其光學(xué)系統(tǒng)主要包括大物鏡、變倍物鏡組、棱鏡和目鏡等子系統(tǒng)。系統(tǒng)在工作時(shí)，由無窮遠(yuǎn)處射入的目標(biāo)光線，通過大物鏡、分光棱鏡和變倍物鏡后，會(huì)聚在焦面上，再經(jīng)五角棱鏡轉(zhuǎn)折900平行出射，最后成像在系統(tǒng)的目鏡上。本文研究的某車載瞄準(zhǔn)鏡采用圖2所示的光學(xué)系統(tǒng)。
2.2大氣壓力變化下系統(tǒng)性能分析
保持其他環(huán)境因素不變，對(duì)瞄準(zhǔn)鏡光學(xué)系統(tǒng)在大氣壓力變化下成像質(zhì)量的變化進(jìn)行分析。在ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件里，通過多重?cái)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義不同的大氣壓力環(huán)境，最后可以通過點(diǎn)列圖求得不同大氣壓力下的系統(tǒng)彌散斑半徑。
均方根值( Root Mean Square，RMS)是每條光線交點(diǎn)與參考光線點(diǎn)的距離的均方根，反映了光能的集中程度，所以通常采用均方根值來表示彌散斑的半徑。為了更清晰地觀察和對(duì)比瞄準(zhǔn)鏡光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量隨大氣壓力的變化規(guī)律，每隔0.1 atm(1 atm=101 325 Pa)建立一個(gè)氣壓環(huán)境結(jié)構(gòu)，得到不同大氣壓力下系統(tǒng)的彌散斑半徑，仿真結(jié)果如表1和圖3所示。
由圖3可以明顯看出，氣壓變化會(huì)造成系統(tǒng)的彌散斑半徑發(fā)生變化。根據(jù)式(8)和式(9)建立的成像模糊的數(shù)學(xué)模型，利用得到的彌散斑半徑，通過Matlab軟件仿真不同大氣壓力環(huán)境下的離焦模糊圖像。通過對(duì)仿真出來的多組圖像進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)，可以揭示大氣壓力變化對(duì)成像質(zhì)量的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)仿真的圖像如圖4～圖6所示。
灰度平均梯度法( Gray Mean Gradient，GMG)是一種無參考圖像質(zhì)量的客觀評(píng)價(jià)方法，是在真實(shí)探測(cè)環(huán)境下判斷系統(tǒng)成像質(zhì)量的潛在手段。其定義為
式中，M和N為圖像的長(zhǎng)和寬。GMG能夠較好地反映出圖像的細(xì)微變化，其值越大表示被測(cè)圖像越清晰，質(zhì)量越高。利用灰度平均梯度法對(duì)仿真圖像進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果如圖7所示。
由圖7日可以看出，無論是在何種氣壓條件下，隨著視場(chǎng)角的增大，仿真圖像的GMG值會(huì)逐漸減小，說明在瞄準(zhǔn)鏡成像過程中，處于視場(chǎng)中央的目標(biāo)，其成像質(zhì)量最好；而處于視場(chǎng)邊緣的目標(biāo)，其成像質(zhì)量最差。對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，隨著氣壓的增大，對(duì)于0視場(chǎng)下的仿真圖像，其GMG值在7.425 E下浮動(dòng)，且上下浮動(dòng)不超過0. 008%，可以認(rèn)為其GMG值沒有變化，說明氣壓對(duì)處于視場(chǎng)中央的目標(biāo)的成像質(zhì)量基本沒有影響。對(duì)于0. 707視場(chǎng)和1.0視場(chǎng)下的仿真圖像，隨著氣壓的增大，其GMG值也增大，并且氣壓每增大0.1 atm，它們的GMG值分別增大約0.048和0.027，說明氣壓越大，處于瞄準(zhǔn)鏡系統(tǒng)0. 707視場(chǎng)至1．0視場(chǎng)之間的目標(biāo)的成像質(zhì)量越好，且氣壓變化對(duì)處于0. 707視場(chǎng)附近的目標(biāo)的成像質(zhì)量影響最大。正常情況下，車載光電系統(tǒng)一般都工作在常壓環(huán)境下，為了使其能夠適應(yīng)低氣壓等極端環(huán)境，可以在成像系統(tǒng)中增加調(diào)焦機(jī)構(gòu)，并且設(shè)計(jì)圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)，利用評(píng)價(jià)函數(shù)的反饋結(jié)果，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)焦，從而保證該光電成像系統(tǒng)能夠在不同環(huán)境中正常使用。
3結(jié)論
本文首先分析了氣壓變化對(duì)光電系統(tǒng)離焦的影響，得出了量化關(guān)系式，再結(jié)合離焦模糊圖像的數(shù)學(xué)模型，分析表述了氣壓變化引起圖像模糊的成像機(jī)理。通過建立某輪式火炮瞄準(zhǔn)鏡的光學(xué)系統(tǒng)模型并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到了不同氣壓下該瞄準(zhǔn)鏡成像質(zhì)量的變化規(guī)律。仿真結(jié)果表明：該瞄準(zhǔn)鏡視場(chǎng)中央目標(biāo)的成像質(zhì)量?jī)?yōu)于視場(chǎng)邊緣目標(biāo)，并且大氣壓力越小，圖像越模糊，系統(tǒng)的成像質(zhì)量越差。本文的研究成果對(duì)氣壓變化引起的模糊圖像的仿真與恢復(fù)具有一定的借鑒意義，也為新型車載光電系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)提供了重要參考。
