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室内模拟环境下动态调制传递函数检测方法.docx
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室内模拟环境下动态调制传递函数检测方法.docx
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0. 引 言
在车载视觉智能感知、低空区域防务及星载机载遥感观测等动态成像技术领域,光电
成像系统对运动目标的成像性能评估经常采用室内静态性能评估与室外测试相结合的方
式。通过静态测试数据推演动态成像性能,推演条件确定难度大,技术可靠性、准确性
低。室外测试技术因大气条件及周围环境随机性大,目标与环境关联关系相对单一,目标
运动及目标特性参数精确获取与模拟存在许多技术难题,难以获得较为全面完整测试数
据,通常只能获得定性测评结果
[1-2]
。近年来,基于动态调制传递函数(dynamic Modulation
Transfer Function, dynamic MTF)检测的光电成像系统动态性能数字化定量评价方法已成功
应用于陆地车载视觉感知系统和星载机载遥感观测等领域。在星载机载遥感观测领域,通
过在地面辅设周期性靶标对空间遥感相机进行 MTF 检测
[3]
;选用海岸线等非理想阶跃目标
对星载成像光谱仪进行 MTF 检测
[4]
;选用天空中星体作为点光源对航空相机进行 MTF 检
测
[5]
。这些方法可以用于遥感相机等光电成像系统的超远距离动态成像性能评价。在车载
视觉智能感知、低空区域防务等光电成像系统的远距离动态成像性能评估方面,经常采用
等效距离下自然目标进行观测,获得定性评价结果。此外,基于模拟场景目标的动态 MTF
检测技术成为一个重要技术途径。这种技术因具有观测目标定制和易于实现数字化定量测
量等优点,已取得许多研究成果。典型技术有通过研究低频正弦振动对光电成像系统的
MTF 影响,为光机电一体化系统设计提供系统误差分配的依据,实现系统的最优设计
[6-8]
。
应用辐射状靶标进行 4、8 K 高清成像系统 MTF 实时测量
[9]
。这些动态 MTF 测量方法均是
基于以上静态 MTF 测量方法提出的,增加了运动状态模拟系统及环境。由于测试条件发
生重大变化,静态 MTF 测量方法应用于动态 MTF 检测,存在测量精度低、适应性不强等
问题。倾斜刀口法在静态 MTF 检测领域获得了广泛应用,并有 ISO12233 国标进行规范
[10]
。但其应用于动态 MTF 检测时,由于运动刀口的倾斜角度出现了较大的随机性、数据
处理过程中需要克服这种随机因素,测量重复精度低
[11-13]
。经典的周期栅条法一次只能测
量一个或几个数据点,采用更换不同频率测量靶标的方法测量动态 MTF 曲线,存在测量
过程运动状态同一性难以保证等难题
[13]
。
针对车载视觉智能感知、低空区域防务等光电成像系统远距离观测动态性能测评需求
和现有技术在动态 MTF 检测方面的缺陷与不足,文中设计了室内运动目标模拟系统,提
出了基于变频栅条靶标的动态 MTF 检测方法,给出了变频靶标设计方案和 MTF 曲线解算
方法,并完成了对比实验分析。
1. 室内运动目标模拟系统
光电成像系统动态性能评估室外测试因易受大气条件及周围环境影响,观测目标有
限,目标运动及目标特性参数精确获取难度大,全面完整测试数据获取困难,且费时费资
金。开发室内运动模拟系统,可以实现运动目标与背景对比度、目标大小、形状、速度等
特性参数设定功能,获得更全面的动态目标测量数据,可以在较大范围替代光电成像系统
室外测试环节,实现测试的数字化定量化,提高测试效率并节约测试成本。室内运动目标
模拟系统设计技术指标:模拟动态目标运动速度 0~120 km/h;动态目标最远模拟距离不小
于 6 km;目标模拟光谱范围:0.4~1.7 μm;平行光管口径:≥Φ150 mm;平行光管焦距:
≥1350 mm。
为了实现远距离(不小于 6 km)运动目标的模拟,系统采用平行光管焦平面运动目
标模拟远距离目标。被测光电成像系统采集平行光管出射光束成像,分析其对远距离目标
的分辨能力。研制完成的运动目标模拟系统见图 1。系统选用溴钨灯光源,光源可通过控
制模块实现光强连续可调,积分球内选用反射材料,其在 0.4~1.7 μm 光谱范围内反射比接
近 99%, 积分球光出口处光照均匀性大于 98%。经检测,研制完成的平行光管焦距:
f =1492 mm,口径:Φ180.2 mm;视场角:1°,反射式平行光管次镜与主镜波像差优于
λ/15(λ=0.56 μm),整机装配平行光管波像差优于 λ/12。焦平面运动目标最高速度为 10 mm/s
(可以模拟 6 km 处 144.7 km/h)。运动目标分实物靶标和电子靶标两种。电子靶标应用振
幅调制型透射式空间光调制器,可以通过程序控制模拟不同大小、形状和姿态的观测目
标。实物靶标应用镀锌板等光学材料加工成“三杆靶”、“四杆靶”、“刀口靶”以及“周期栅条
靶”等。
图 1 室内运动目标模拟系统
Fig. 1 Indoor moving target simulation system
下载: 全尺寸图片 幻灯片
2. 基于变频栅条靶标的 MTF 检测方法
由于经典的“三杆靶”、“四杆靶”、“周期栅条”靶标每次只能测量一个频率点的 MTF
值。对于动态 MTF 检测,需要更换不同频率的靶标,才能获得多个频率点的 MTF 值。这
种更换靶标的方法在动态 MTF 检测过程中,不能确保数据采集过程中目标速率、光照条
件等测试环境条件完全相同,影响了测量数据的可靠性。这一技术缺陷在目标和被测系统
同时处于运动状态时更加突显。为了克服该类缺陷,在分析“三杆靶”、“四杆靶”定量测量
MTF 的理论基础上,提出了基于变频栅条靶标的动态 MTF 检测方法,完成了变频栅条靶
标设计和基于变频栅条靶标的 MTF 解算方法研究。
2.1. “三杆靶”、“四杆靶”MTF 检测经典理论分析
当光学系统满足“等晕”条件时,经过理论分析光学系统具有线性和空间移不变特性。
经典 MTF 检测理论是基于线性空间移不变系统模型和信号频域分析的理论发展形成的。
经过推理,可以证明线性空间移不变系统具有信号同频传输性质,即单频信号经过线性空
间移不变系统,信号的幅值可能发生变化,但其频率保持不变。
基于上述系统模型,可以对光电成像系统空间频率、带宽及分辨率等基本问题开展研
究工作。以正弦波为输入信号,完成了 MTF 检测时,物方调制度、像方调制度及 MTF 值
的定义,形成了以正弦输入信号测量 MTF 的理论。另一种是以方波信号为输入信号,由
于薄透镜成像的傅里叶变换性质,其像方是方波信号的傅里叶变换,应用线性空间移不变
系统信号的叠加性和平移不变性,形成了“三杆靶”、“四杆靶”(见图 2)以及“周期栅条
靶”MTF 检测理论
[14]
。“三杆靶”MTF 值可以认为是同一方波信号通过平移,在空间三个不
同位置的输出信号的叠加。“四杆靶”是同一方波在空间四个不同位置输出信号的叠加。“周
期栅条靶”是同一方波信号在空间 N 个不同位置输出信号的叠加。由于“三杆靶”、“四杆靶”
只包括单一频率的信号,其经常用于测量光学系统在 Nyquist 频率处 MTF 值。
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