大视场主动光学成像系统的成像研究

　　1　引　　言

　　对主动光学成像系统的成像分析是主动光学成像系统总体设计的一个重要内容。一方面可通过它来分析系统衬比传递特性及有效作用距离,从而为确定系统参数提供理论依据;另一方面它为分析主动光学成像系统的图像,识别目标提供有用的信息。因此,对它研究有着重要的应用价值。在主动光学成像系统中,像面光照度不仅受到光传输介质吸收和散射的影响,而且受到目标偏离视场中心角度的影响。因此,对其分析要进行复杂的计算。为简化计算,人们总是略去角度的影响[1],得出只适应小视场的结果。曹兴房[2]假定了主动系统照明光束在景物上的照度是均匀的,且在散射光的计算中略去了大气对光的衰减作用。这样就略去了角度的影响,这种假定只有当照明覆盖角和接收器视场角都很小的情况下才能成立。实际上,在许多情况下,照明覆盖角和接收器视场角并不小,如低空拍摄等。所以,研究一般及大视场情况下主动光学成像系统的成像性质和小视场近似条件很有必要。为此,本文研究了在大视场情况下目标和景物的成像性质,得到了光学成像系统像面照度的计算公式,并对其衬比传递特性及视场大小对图像的影响进行了详细的分析,得出了小视场的近似条件。其结果对主动光学成像系统的设计、图像分析和目标识别都有一定的意义。

　　2　主动光学成像系统

　　在主动光学成像系统中,景物和目标是通过反射人工光源发出的光而在成像系统中成像的。系统示意图如图1。

　　图中,θe为点光源照明覆盖半角,re为光源的半口径,θr为接收器视场半角,rr为接收器的半口径,d为光源到接收器的横向距离。由于光源到接收器的横向距离d远小于光源到目标和接收器到目标的距离,所以可以把系统作为同轴系统来处理,简化为图2。其中θ是光源至目标的光线与光轴的夹角,r为光源到目标的距离。

　　3　目标成像的计算

　　假定目标是反射率为ρ的理想漫反射体,光源的发光强度为I,大气衰减系数为μ,则目标受点光源照射的照度为,目标亮度为L=ρEt/π,其在成像面的照度为

　　其中dA,dA′分别为目标成像面面积和目标像素面积,dΩ为接收器对目标所张的立体角,τ为光学成像系统的光透过率,1 /F为接收器成像物镜相对孔径。

　　4　成像背景光的计算

　　由于大气对光源发出的光的散射,使得一部分散射光进入接收器形成背景。在大气散射中,多次散射主要集中在照明光束的传播方向上,而本文中的接收器处于后向附近,只能接收散射角在π左右一个很小范围内的散射光,所以我们只需考虑一次散射,且有角散射系数近似等于后向散射系数,即β(θ)≈β(π)。对位于z处与Z轴垂直的厚度为dz的环介质元dAdz,它受到的光照度为