可见光光电成像系统整机综合参数校准技术研究

杨 红，康登魁，姜昌录，王 雷，郭 羽，马世帮

（西安应用光学研究所，陕西 西安710065）

引言

可见光光电成像系统是构成光电精密跟踪和瞄准的关键设备之一，其性能的优劣不仅取决于光学系统成像性能、CCD成像器件的性能，还与光学系统与CCD的匹配、电子处理电路、转化精度（如图象识别精度、图像匹配精度）有关。可见光光电成像系统整机的性能参数主要有分辨力、对比度、调制传递函数（MTF）、噪声功率谱、噪声等效亮度及灵敏度等参数。国内外对于光学成像系统的测量评价技术已经开展了大量的研究，美国OPTIKOS公司、德国TROPTIC、ZEISS公司等均推出了针对视场、焦距、光学传递函数、噪声等参数的测试仪器。德国技术物理研究院（PTB）、英国国家物理实验室（NPL）以及美国标准技术研究院（NIST）开展了光电成像系统的上述参数的溯源、校准工作。在国内许多单位都建立了基于光学传递函数的光学系统像质评价装置，但是，以上研究只是针对光学系统的成像性能展开评价，并没有考虑到探测器以及后续电路处理的影响［1－7］。随着光电技术的发展，特别是武器系统的升级换代，对光电系统整机综合性能的校准提出了越来越高的要求。基于上述分析，开展了可见光光电成像系统整机综合参数校准技术研究，建立了相应的校准装置，对分辨力、对比度、调制传递函数（MTF）、噪声功率谱、灵敏度等参数展开校准／检测。

1 实验装置与原理

校准装置如图1所示，由积分球光源系统、标准测试卡、光学准直系统、被测系统支撑调整座、视频图像采集模块、测量与控制软件包等几部分组成。标准测试卡安装在高精度准直光学系统的焦面上，通过积分球系统均匀照明，模拟无穷远的测试目标。视频图像采集模块采集被测样品的图像并输入综合处理软件，完成光电成像系统综合参数的测量。

图1 测量装置原理图Fig.1 Principle diagram of measurement equipment

图1中，光源系统采用双积分球结构，积分球直径为200mm，出口直径为50mm，出口均匀性为95%，光源亮度的动态范围为106（cd／m2），通过8个尺寸不等的孔径光阑和一个电动衰减片可以完成光源系统的连续调光，其结构如图2所示。

图2 积分球光源系统结构图Fig.2 Structure diagram of integrating sphere system

离轴抛物面镜的焦距为2 036mm，离轴量为230mm，面形优于0.1λ（λ＝633nm）。支撑调整台为六维调节机构，安装在光学平台上，由横滚调节机构、俯仰调节机构、方位调节机构、升降调节机构、横行平移机构和视场调节机构等组成。数据采集模块主要针对当前常用的标准模拟视频接口模式和Cameralink视频接口模式，通过图像采集卡将视频信号输入综合处理软件，完成对分辨力、对比度、调制传递函数（MTF）、噪声功率谱、灵敏度等多参数的测量。

2 实验结果与分析

针对某型号可见光电视探测系统进行了分辨率、光学传递函数、噪声功率谱及信号传递函数的测量。

2.1 分辨力测量

可见光光电系统的分辨力测量采用主观测量法。将标准分辨力靶标安装于光学准直系统的焦面处，可见光光电系统与光学准直系统对准后观测分辨力图像。人眼主观判断能够分辨的分辨力图案获得光电系统的分辨力。

在分辨率测量中，采用 WT1005－62型标准分辨率板第5号，测量结果如图3所示，其分辨单元数为13。

按表可以查出线对数N0为6.25mm－1，按下式计算出系统的分辨率：

式中：f′0为准直系统的焦距；f′为被测系统的焦距。

图3 分辨率测量结果图Fig.3 Resolution measurement result

2.2 对比度测量

对比度定义采用调制对比度的概念，将包含黑白对比度目标的物理图像采集进入计算机，通过数字图像处理的方法，确定出目标与背景的对比度情况。测量局部对比度时，可以分别测得“暗背景”和“目标”上某一部分的灰度值，并分别算出矩形框内的平均灰度。调制对比度如下：

式中：M 为调制对比度；Lm为目标的亮度；Lb为背景的亮度；Em和Eb分别为CCD像面上目标和背景对应的照度；m和b分别是由图像中目标和背景的测量区域中计算出的灰度值。在输入亮度为8.5cd／m2的条件下进行了对比度测量，测量结果如图4所示。

图4 对比度测量结果图Fig.4 Contrast measurement result

采用图像分割处理技术，分别计算出目标亮区域和背景暗区域的灰度值，根据公式计算出该亮度值下的对比度：

2.3 光学传递函数测量

采用斜狭缝法可以解决光学传递函数测量中空间频率混叠和欠采样的问题。光学传递函数表达式为

式中D表示LSF（u）曲线下的面积。MTF（fx）和PTF（fx）可按下式计算：

式中：MTF为调制传递函数；PTF为相位传递函数；C（fx）和S（fx）分别对应OTF的实部和虚部。

计算过程：沿CCD的每一行进行LSF采样，然后根据垂直方向上的质心进行对准和匹配，针对重建后的LSF再进行傅里叶变换，即可得到光学传递函数，该方法可提高测量系统的采样率。

在MTF测量过程中，狭缝宽度为50μm，其对应的截止频率为40mm－1，采集卡系统像素对应的截止频率可以通过下式进行计算：

式中：FGBpixel为图像处理系统的像元尺寸；EAL为系统的等效放大率。MTF计算的截止频率应为上述2个频率的较小值。针对本装置，采用四杆靶对系统等效放大率进行了标定，其值为13，则fcut＝39.4mm－1。该系统的截止频率只能达到39.4mm－1。LSF和 MTF的测量结果如图5和图6所示。

图5 LSF测量曲线Fig.5 LSF measurement result

图6 MTF测量曲线Fig.6 MTF measurement result

2.4 噪声功率谱测量

对于光电成像系统，噪声通常包括时间域噪声和空间域噪声。时间域噪声泛指诸如辐射噪声、温度噪声、热噪声、散粒噪声、产生－复合噪声以及1／f噪声等常见的基本噪声，空间域噪声为t时刻空间域均值为零的噪声［8］。实际测量时，在背景图案中选择适当的积分区域，通过综合处理软件可以自动拟合出噪声功率谱曲线，并给出均方根噪声、噪声等效亮度等相关数值。

噪声功率谱的曲线如图7所示，选择的像素数为169，积分时间为0.04s，经过计算，其均方根噪声电压为2.14mV，噪声等效亮度（NEL）为0.045 5cd／m2。

图7 噪声功率谱测量曲线Fig.7 NPS measurement curve

2.5 信号传递函数测量

SiTF是响应度函数（响应度函数是典型的S型曲线）线性部分的斜率，实际测试中测试的是响应度函数。实际测量时，首先调节积分球光源系统的亮度值，找出光电系统可探测的最小和最大亮度值，再在其变化范围内均匀设置一定的测量点数，最后通过拟合，计算出响应度函数。

在信号传递函数测量过程中，最大亮度值为为6cd／m2，最小亮度为1cd／m2，测量点数为15，其测量结果如图8所示，图中对线性部分进行了线性拟合。它在各个测量点上的测量值如表1所示。根据公式可以计算出信号传递函数的灵敏度S 为47mV·（cd／m2）－1。

表1 信号传递函数各点测量值Fig.1Measurement result of SiTF

图8 信号传递函数拟合曲线Fig.8 Fitting curve of SiTF

3 系统的标定

3.1 光源系统的标定

采用照度计对积分球出口的照度均匀度进行标定。测试步骤如下：1）将照度计探头对准出光口，探头光接收面与积分球开口内壁齐平，避免积分球开口墙壁挡住入射到照度计探头的光；2）在出口照度值为103、102、101、100、10－1、10－2lx量级时，读取每次测量值，测量结果如表2所示，其最大相对误差为－2.3%。

表2 积分球光源亮度标定值Table 2 Luminance calibration of integrating sphere

3.2 视频采集系统的标定

采用彩色视频图像发生器（Model 2225）对视频采集系统进行标定。视频输出格式满足RS－170及CCIR，视频白电平和黑电平分别为1000mV和0mV。其标定过程为：视频发生器在白电平和黑电平之间选择17档，分别测量其输出电压，从而计算出其误差值，测量结果如表3所示，最大相对测量误差为1.00%［9－11］。

表3 视频采集系统的标定结果Table 3 Calibration of video acquisition system

4 结论

研制的可见光光电成像系统综合参数校准装置主要用于可见光光电系统整机多项参数的测试和校准。整套系统装置实现了分辨力、光学传递函数、对比度、噪声功率谱及信号传递函数等多参数的综合校准。通过实验验证了该套装置的有效性，并采用照度计及标准信号发生器对积分球光源和信号采集系统进行了标定，最大相对误差分别为－2.3%和1%。随着机载、车载以及舰载的各类搜索、跟踪及瞄准武器系统可见光光电成像系统的广泛应用，该装置可以提高系统的校准／检测效率，为可见光光电成像系统设计、装配和性能提升提供计量保障。

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