氣壓對車載光電系統成像質量影響的仿真研究（通訊）

             李國璋¹，  姜文韜^1，2，  任國全¹，  李冬偉¹，  陳  誠²

  （1軍械工程學院，石家莊050003；2．中國人民解放軍78638部隊，四川什邡618408）

摘要：為了研究氣壓對車載光電系統成像質量的影響，在分析氣壓變化對光電系統離焦影響的基礎上，建立了氣壓引起光電系統成像模糊的數學模型。通過建立某輪式火炮瞄準鏡的光學系統模型，并設置不同的環境氣壓對系統模型進行仿真分析，最終得到了不同氣壓下該瞄準鏡的成像仿真圖像。利用灰度平均梯度法對仿真圖像進行評價，并得出結論：環境氣壓越低，圖像越模糊，該瞄準鏡的成像質量越差。此研究對新型車載光電系統的環境適應性設計具有重要的參考價值。

關鍵詞：車載光電系統；氣壓；模糊圖像；成像質量；仿真

中圖分類號：TH745 文章編號：1671 - 637X( 2016) 04 - 0090 - 04

 0  引言

    隨著現代武器系統的迅猛發展，高精度的光電成像系統因具有良好的機動性和靈活性被廣泛應用于機載、車載和艦載偵察觀瞄系統，已成為信息化武器裝備中的關鍵技術之一。對于坦克裝甲車輛而言，光電系統如同其眼睛，主要用來完成對目標的觀察與搜索、跟蹤與瞄準，其成像質量的好壞直接影響了坦克裝甲車輛戰斗能力的強弱。然而，隨著戰場環境的復雜化，光電系統實際承受的大氣壓力和系統最初設計的大氣壓力有所不同，這會使得其光學參數發生變化，從而引起成像質量的變化。因此，研究氣壓對光電系統成像質量的影響對于車載光電系統環境適應性設計以及后續的圖像恢復具有重要的意義。

    關于大氣壓力對光電系統成像質量的影響，都做了相關的研究和試驗，主要推導了環境壓力變化時阿貝數變化對像面移動的影響。其研究的重點大都集中在光學系統的設計和光電系統的調焦兩個方面，沒有對大氣壓力引起光電系統成像質量變化的原因進行深入分析。為此，本文通過推導建立氣壓變化引起成像模糊的數學模型，以某輪式火炮瞄準鏡為研究對象，仿真得到其離焦模糊圖像，從定性和定量分析的角度，得到不同氣壓對車載光電系統成像質量的影響。1氣壓變化對光電系統的影響

    通常設計的光學系統，一般只需考慮在常溫、常壓條件下能正常使用即可。但是，現代化戰爭對光學系統的環境適應性要求越來越高。當大氣壓力變化時，空氣密度發生變化，空氣的折射率也隨之發生變化?？諝庹凵渎室坏┳兓?，對通過光學系統傳播的光線來說，其光程也發生變化，必然會導致光學系統的像面發生位移，進而影響系統的成像質量。

    為了研究方便，光學成像系統可以簡化為單個透鏡的理想模型。大氣壓力變化所引起的單一透鏡焦距的變化可以表示為

為標準大氣壓力。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；反之，大氣壓力增大將造成焦距變長，焦面向遠離透鏡的方向移動。

    光學系統焦距的變化使得理想成像面與探測器成像面不再重合，造成系統離焦，直接導致探測器成像面上影像模糊，分辨率降低，如圖1所示。

    圖1中：A點為物點；a為物點到透鏡平面的距離；6為探測器成像而到透鏡平面的距離。當氣壓為P₀時，透鏡的焦距是f，理想像點到透鏡平面的距離恰好也是b，此時物點的像清晰地聚焦在探測器成像面上；當氣壓變為P時，透鏡的焦距變為f_1,理想像點到透鏡平面的距離是c，此時在探測器成像面上，物點將被彌散為一塊圓形光斑。設h表示透鏡的半徑，r表示彌散斑半徑，根據高斯公式可以得到

結合式(2)和式(3)，可以整理得出彌散斑半徑為

  在實際應用中，由于存在衍射、像差等非理想特性因素，當光電系統發生離焦時，其成像過程中的點擴散函數通常用二維高斯模型來近似

式中，尺為模糊半徑。根據光電探測器成像原理，可以近似得出

式中，p為光電探測器的像元尺寸。

    對于空間不變線性成像系統，其離焦模糊圖像的成像過程可以用數學上的卷積公式來描述

    結合式(1)及式(5)可知，式(8)和式(9)分別表達了在不同大氣壓力環境下，點目標靜止圖像與離焦模糊圖像之間在時域和頻域上的關系，從本質上揭示了光電系統離焦模糊圖像的成像機理。

2  系統仿真分析

2.1光學系統建模

    火炮瞄準鏡通常安裝于炮塔頂部，其光學系統主要包括大物鏡、變倍物鏡組、棱鏡和目鏡等子系統。系統在工作時，由無窮遠處射入的目標光線，通過大物鏡、分光棱鏡和變倍物鏡后，會聚在焦面上，再經五角棱鏡轉折900平行出射，最后成像在系統的目鏡上。本文研究的某車載瞄準鏡采用圖2所示的光學系統。

2.2大氣壓力變化下系統性能分析

    保持其他環境因素不變，對瞄準鏡光學系統在大氣壓力變化下成像質量的變化進行分析。在ZEMAX光學設計軟件里，通過多重數據結構定義不同的大氣壓力環境，最后可以通過點列圖求得不同大氣壓力下的系統彌散斑半徑。

    均方根值( Root Mean Square，RMS)是每條光線交點與參考光線點的距離的均方根，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比瞄準鏡光學系統成像質量隨大氣壓力的變化規律，每隔0.1  atm(1 atm=101 325 Pa)建立一個氣壓環境結構，得到不同大氣壓力下系統的彌散斑半徑，仿真結果如表1和圖3所示。

    由圖3可以明顯看出，氣壓變化會造成系統的彌散斑半徑發生變化。根據式(8)和式(9)建立的成像模糊的數學模型，利用得到的彌散斑半徑，通過Matlab軟件仿真不同大氣壓力環境下的離焦模糊圖像。通過對仿真出來的多組圖像進行質量評價，可以揭示大氣壓力變化對成像質量的影響規律。實驗仿真的圖像如圖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量的客觀評價方法，是在真實探測環境下判斷系統成像質量的潛在手段。其定義為

式中，M和N為圖像的長和寬。GMG能夠較好地反映出圖像的細微變化，其值越大表示被測圖像越清晰，質量越高。利用灰度平均梯度法對仿真圖像進行評價，評價結果如圖7所示。

由圖7日可以看出，無論是在何種氣壓條件下，隨著視場角的增大，仿真圖像的GMG值會逐漸減小，說明在瞄準鏡成像過程中，處于視場中央的目標，其成像質量最好；而處于視場邊緣的目標，其成像質量最差。對仿真結果進一步分析發現，隨著氣壓的增大，對于0視場下的仿真圖像，其GMG值在7.425 E下浮動，且上下浮動不超過0. 008%，可以認為其GMG值沒有變化，說明氣壓對處于視場中央的目標的成像質量基本沒有影響。對于0. 707視場和1.0視場下的仿真圖像，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，處于瞄準鏡系統0. 707視場至1．0視場之間的目標的成像質量越好，且氣壓變化對處于0. 707視場附近的目標的成像質量影響最大。正常情況下，車載光電系統一般都工作在常壓環境下，為了使其能夠適應低氣壓等極端環境，可以在成像系統中增加調焦機構，并且設計圖像清晰度評價函數，利用評價函數的反饋結果，實現實時自動調焦，從而保證該光電成像系統能夠在不同環境中正常使用。

3結論

    本文首先分析了氣壓變化對光電系統離焦的影響，得出了量化關系式，再結合離焦模糊圖像的數學模型，分析表述了氣壓變化引起圖像模糊的成像機理。通過建立某輪式火炮瞄準鏡的光學系統模型并進行仿真實驗，得到了不同氣壓下該瞄準鏡成像質量的變化規律。仿真結果表明：該瞄準鏡視場中央目標的成像質量優于視場邊緣目標，并且大氣壓力越小，圖像越模糊，系統的成像質量越差。本文的研究成果對氣壓變化引起的模糊圖像的仿真與恢復具有一定的借鑒意義，也為新型車載光電系統的環境適應性設計提供了重要參考。