像素binning技術在高速弱點目標探測中的應用研究

楊天遠,凌 龍,魯之君,周 峰,余恭敏,王 浩

(北京空間機電研究所,北京 100094)

1 引 言

弱點目標探測系統需要具備高探測靈敏度。以天文探測[1-3]為例,一般弱點目標探測系統都通過長積分時間保證對弱點目標的探測信噪比。對于多目標等特定場景以及高精度定位需求,還需要探測系統具備高的空間分辨能力[4]。當目標與探測系統的相對運動速度很快時,高的空間分辨率導致目標在探測器像元內的駐留時間過短,不利于探測靈敏度的提升。

一般情況下,弱點目標探測時跟瞄系統都需要經歷對目標進行捕獲和目標跟蹤兩個階段。在捕獲階段,需要在保證高探測靈敏度的同時需要保證高的探測穩定性,從而避免目標丟失[5-6],并對目標位置、速度進行快速估計。當探測系統對目標進行隨動跟蹤時,由于目標相對速度降低,可適當延長積分時間,進一步提高目標探測的靈敏度,為目標的分辨識別、高精度定位奠定基礎。

針對高速弱點目標探測系統的捕獲、跟蹤和分辨識別流程,本文設計出一種基于像素binning的高速弱點目標探測模式。通過空域像素binning的方式,提高目標捕獲的信噪比和檢測穩定性;通過多幀關聯估計目標運動速度并啟動隨動跟蹤模式;當目標和探測系統的相對運動速度小于門限時,進行積分時間延長;當圖像信噪比大于門限時,退出像素binning的方式進行高分辨率成像。此種工作模式既能滿足捕獲階段的高探測靈敏度和穩定性需求,又能滿足目標高分辨率成像和高精度定位需求。

2 滑窗像素binning模式簡介

通過對探測器讀出電路的定制設計,可以采用單元輸出或者滑窗像素binning輸出。探測器的單元輸出方式和滑窗像素binning輸出方式如圖1(a)和圖1(b)所示。

(a)單元輸出方式

滑窗像素binning模式下像元輸出和單元模式像元輸出的對應關系為:

(1)

式中,A(i,j)為單元輸出時的對應的輸出結果;a(i,j)為像元合并后的輸出結果。i、j分別為像素單元對應的行號與列號;i0、j0分別為目標行號與列號的偏移量。

本文設計的滑窗像素binning模式與傳統像素binning模式有所區別。傳統binning模式為典型的下采樣過程,每個像元只參與一次合并;本文的滑窗像素binning方式為滑動窗口的下采樣過程,每個像元參與多次合并。這種binning方式相比于傳統的binning方式點目標像斑的面積更大,合并后的目標能量穩定性更好,更有利于目標的檢出。

3 像素binning模式采樣結果分析

3.1 基本概念與假設

1)目標能量分布

一般情況下,光學系統的光學傳遞函數可以用高斯函數表示如下[7-9]:

(1)

式中,f表示空間頻率;ξ為光學響應指數。相應的目標能量分布可以由其完全確定,表達式為:

h(x,y)=A0π·ξ2exp(-(πξ)2·(x2+y2))

(2)

式中,(x,y)表示像面上一點的坐標;A0為目標能量分布的幅值。

2)光學系統的能量集中度

光學系統能量集中度定義為點擴散函數彌散斑在一個像元中所包含的能量與總能量的比。對于像元尺寸為d1×d2的系統,能量集中度可以表示為:

(x2+y2))dxdy

(3)

可以看出,能量集中度為光學響應指數與像元尺寸的函數。

3)目標采樣結果

點目標的采樣結果與點目標的能量分布、目標的相對運動函數、探測器的像元尺寸有關。點目標采樣結果[10]:

S(m,n)=δ(m,n)·M(x,y)*h(x,y)

(4)

式中,m、n為目標離散采樣的采樣位置;M(x,y)為運動采樣函數。采樣運動函數為兩個方向上采樣運動函數的乘積,以一維采樣函數為例,當目標在采樣時間內的x方向運動距離L≤d1時,運動函數的x方向分量表示如下:

(5)

式中,x0為理想情況下函數的取值范圍,實際情況中積分時間小于采樣時間,因此實際函數中x

(6)

當L>2d1時,運動函數的x方向分量表示如下:

(7)

4)探測能量集中度

探測能量集中度[14-16]是指對點目標進行采樣時,單個像元收集到的最大能量與積分時間內目標輻射總能量之比。計算方法如下:

(8)

式中,Isample為探測器像元采樣后獲得的目標能量,可由S通過定標系數獲得;Itarget為目標的總能量。

探測能量集中度與采樣相位、積分時間內目標相對運動速度等因素有關。探測能量集中度小于等于光學系統能量集中度。

3.2 不同采樣相位下目標采樣結果分析

本文以光學系統能量集中度0.50進行仿真計算,探測器兩個方向上d1、d2均等于p。m、n按下式取一系列離散值,并計算普通采樣模式和滑窗像素binning采樣模式下的探測能量集中度:

(9)

(10)

稱m/p、n/p的小數部分為采樣相位。圖2表示當目標相對靜止時,初始目標采樣相位對采樣結果的影響。圖3和表1表示不同采樣相位下的探測能量集中度統計結果。

表1 不同采樣相位下探測能量集中度統計結果

圖2 不同采樣相位下的目標采樣結果

圖3 不同采樣相位下的探測能量集中度

從統計結果可以看出,滑窗像素binning模式具有探測能量集中度高而且穩定的特點,相比于普通采樣模式,采樣相位對探測能量集中度的影響很小。

圖4表示當目標初始采樣相位相同時,不同積分時間內的相對運動對采樣結果的影響。圖5和表2表示不同積分時間內的相對運動條件下的探測能量集中度統計結果。

表2 不同積分時間內目標相對位移下探測能量集中度統計結果

表5 不同采樣體制下目標信噪比統計結果

圖4 不同積分時間內相對位移下的目標采樣結果

圖5 不同積分時間內相對位移下的探測能量集中度

3.3 不同積分時間內相對運動目標采樣結分析

從統計結果可以看出,滑窗像素binning模式具有探測能量集中度高而且穩定的特點,相比于普通采樣模式,目標相對運動對探測能量集中度的影響很小。

4 像素binning模式信噪比增強效果分析

單次探測點目標圖像的信噪比可表示為[17]:

(11)

式中,ST表示目標信號;N表示噪聲;ηd表示探測能量集中度。

理論上在模擬信號輸出時即進行滑窗binning可實現更高的信噪比增強效果,但是實現難度較大。本文對數字信號binning的方式對信噪比增強效果進行分析,作為模擬信號輸出時即進行滑窗binning效果的參考。

在積分時間內相對運動為0.5個像元時,隨機采樣的探測序列如圖6所示。連續100次采樣得到的仿真信噪比如圖7所示。可以看出,相比于普通采樣模式,像素binning模式下目標亮度最大值、信噪比很穩定,有利于目標的穩定探測。

圖6 隨機采樣探測序列

圖7 100次采樣普通模式和像素binning模式目標圖像信噪比變化

圖8表示采用蒙特卡洛法對像素binning模式和普通采樣模式下信噪比之比的最大值、最小值和均值隨積分時間內目標相對位移的變化結果。可以看出,在目標速度越快時,像素binning體制的優勢越明顯。

圖8 信噪比之比最大值、最小值、均值隨積分時間內目標相對位移變化統計結果

5 結 語

本文對滑動窗口像素binning模式的信噪比增強效果進行了分析,表明滑動窗口像素binning模式對目標采樣相位造成的能量分散影響、目標高度運動對采樣集中的影響有顯著改善,有利于提高高速弱點目標探測的信噪比和探測穩定性。利用目標高速運動時滑動像素binning的高信噪比、高穩定性優勢,在對高速弱點目標進行探測時,可在捕獲階段采用像素binning模式,當圖像信噪比達到門限時切換成普通采樣模式進行高分辨探測;同時,跟瞄系統利用實時速度估計結果對目標進行跟蹤,當目標相對運動速度達到相對速度門限時進行積分時間調檔。通過時域和空域的自適應采樣切換,可以滿足高速弱點目標的高靈敏度、高分辨率探測需求。