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车载视觉智能感知、低空区域防务等光电成像系统观测距离最远距离界于
$3 \sim 6 \;\mathrm{km}$ 之间,有的商用低空防务光电成像系统要求观测距离能达到$7 \sim 8 \;\mathrm{km}$ 。选取某商用低空防务光电成像系统为测试对象,系统焦距为300.5 mm,图像传感器的分辨率为1080×1440,像元尺寸为3.45 μm×3.45 μm。对比测试“三杆靶”靶标是用镀锌板加工而成的实物靶标。经测定,镀锌板“白板”光通过率为96%,“黑板”光通过率0.5%。因此物方栅条对比度为0.989,此时“三杆靶”调制度用公式(2)计算可得为0.643。用于测试的“三杆靶”靶标频率从1~20 lp/mm,相临两块之间频率相差1 lp/mm,共20块靶标。模拟运动目标选用透射式空间光调制器,分辨率为2048×1536,像元尺寸26 μm,光能透过率为55%。变频靶标最低频率为约1 lp/mm时,选定w=0.52 mm (20个空间光调制器像元),选定增量
$ \Delta = 0.052\;{\rm{mm}}$ (两个空间光调制器像元),采用图5中的递推方案,编程完成变频靶标设计并将其输出在空间光调制器上。 -
静态MTF对比测试选用不同频率的“三杆靶”测试数据与文中提出的变频靶标MTF检测数据进行对比实验。由于运动目标模拟系统焦距为
$ f_{D}= $ 1492 mm,被测系统焦距离$ f_{c}=300.5 \;\mathrm{mm} $ ,则在光电成像系统中的栅条频率为靶标中栅条频率的$ f_{D} / f_{c} $ 倍。实物靶标栅条频率范围为$ 1 \sim 20\; \mathrm{lp} / \mathrm{mm} $ 。对于被测光电成像系统,像平面栅条频率约为$5 \sim 100\; {\rm{lp/mm}}$ 。由于变频靶标中“截取”的近似“三靶标”频率点与标准“三杆靶”频率不完全相等,采用数据分析的重采样技术,以标准“三杆靶”测量数据点为插值曲线控制点,应用三次样条插值算法,获得变频靶标中各频率点的MTF值,然后进行对比分析。一组测量对比数据如图7所示。“三杆靶”靶标与变频靶标测量数据误差应用由以下公式进行评价。
$ \Delta F \left(i \right)$ 为两种测量方法测量值差值的相对比率,用公式(6)计算,得:式中:
$ f_{i}^{a} $ 为像方应用变频靶标分割形成的近似“三杆靶”的频率;$ {F_a} \left(f_{i}^{a}\right) $ 为应用变频靶标测得的$ (f_i^a) $ 处MTF值;$ F_{t}\left(f_{i}^{a}\right) $ 以标准“三杆靶”测量MTF值为插值曲线控制点,应用三次样条插值获得的$ f_{i}^{a} $ 频率点处的MTF值。式中:N为数据点个数;
$ \overline {\Delta F} $ 为相对比率的均值。相对比率的方差用公式(8)计算,得:应用公式(7)和(8)对图7中测量数据进行计算。在数据解算过程中,每一个靶标截面数据均可解算出一个有效的MTF值。数据处理过程中单点MTF值的样本数量可以达到数百个,选取成像系统中心视场上下各100行数据进行处理,可以获得200个MTF检测样本数据,其均值作为
$ F_{a}\left(f_{i}^{a}\right) $ 。通过解算,MTF曲线上20个采样点统计分析相对比率均值为$ \overline{\Delta F}= $ 0.012,相对比率方差$ \sigma = 0.007 $ ,表明在静态测试环境中,变频靶标测试方法与“三杆靶标”测试方法最大数据偏差比率为1.9%。 -
动态MTF检测是指系统靶标在平行光管焦平面上往复运动时,光电成像系统的MTF。若选取6 km处目标以120 km/h速度运动,进行空间位置等比例计算,测量靶标在平行光管焦平面的运动速度为8.3 mm/s。靶标在做往复运动过程中,不断地做加速、匀速、减速运动,在平行光管光轴附近范围内,做匀速运动。测试设定靶标运行匀速运动速度为8.3 mm/s,动态MTF数据分析选取系统做匀速运动时的图像数据。
MTF曲线解算过程如图8所示,图(a)为采集到的运动电子靶标图像,从图像数据中任取一行数据,得到图(b)是对应行的图像灰度值。可以看出,栅条图像的最小灰度值不为零。通过识别极小值点后,应用三次样条插值算法,插值得到栅条图像最小值的包络线,然后选取的一行图像数据与包络线做减法运算,去除图像背景灰度,使处理后的条纹灰度最小值为零,见图(c),降低成像过程背景因素对MTF解算值的影响。为了消除样条插值时的端点效应,将选取的行图像数据两端截取一段进行周期延拓,可以确保插值曲线在栅条图像有效数据范围内具有高精度。从低频向高频截取“三杆靶”曲线进行FFT运算,计算分析出“三杆靶”频率
$ f $ 及${\rm{MTF}}(f)$ 。Figure 8. (a) Test image data; (b) Randomly select a row image; (c) Segmentedany approximate ''three-bar target'' curve after removed background gray; (d) FFT operation for ''three-bar target''
一组测量对比数据如图9所示。从图9可以看出,针对动态目标系统的MTF值随频率加大下降非常迅速,当像方空间频率小于20 lp/mm时,“三杆靶”测量方法与变频靶标方法测量数据一致性较好,应用公式(7)和(8)计算小于20 lp/mm频率范围“三杆靶”和变频靶标两种方法的相对比率均值为
$ \overline{\Delta F}=0.015 $ ,相对比率方差$ \sigma = 0.013 $ ,低频段变频靶标测试方法与“三杆靶”测试方法最大偏差比率为2.8%。当像方空间频率大于20 lp/mm时,“三杆靶”方法MTF值测量均值趋于稳定,但变化幅度增大,这主要是由于靶标运动,成像过程空间目标与图像传感器像元之间相位关系随机性成为主要影响因素,这时MTF值作为光电成像系统动态成像性能评价的参考价值大幅度下降。应用动态MTF估计被测系统对目标的作用距离实例如下:测量系统在目标模拟运动速度V1=60 km/h (靶标运动速度4.15 mm/s),V2=100 km/h (靶标运动速度6.92 mm/s),V3=120 km/h (靶标运动速度8.3 mm/s)三种情况下的测试的动态MTF如图10所示,目标不同运动速度下的动态MTF曲线均有一个单调下降区间。以系统噪声引起测试数据方差大小为判据,判定MTF曲线单调下降末端的系统能够识别目标的截止频率分别为
$ {f_1} $ 、$ {f_2} $ 、$ {f_3} $ ,大于截止频率的MTF曲线数据用于估计系统噪声所引起的测试数据方差。基于上述过程可以准确地判定应用栅条表征被识别目标最高频率及调制度,进一步计算出被测系统对运动目标的最小可分辨对比度(Minimum Resolvable Contrast, MRC),应用光电成像系统目标作用距离模型[16],选择能见度约10 km(晴天,地平天空亮度与背景亮度比k=5)时,识别概率为50%时,系统的作用距离如表1所示。
Target speed/km·h−1 Recognition distance/km 0 5.7 60 4.9 100 4.4 120 4.0 Table 1. Recognition distance of target at different moving speeds
经过测试数据分析,被测系统针对静目标,识别作用距离误差约为1%,对于模拟运动速度
$ V_{3}= $ 120 km/h时,识别作用距离误差为4.5%,随着目标运动速度增大,识别作用距离误差也逐渐增大,这主要是由于实测时,运动目标与测试环境两者随机因素综合影响,使测试评估误差增大。综上,这种基于室内运动模拟目标的动态MTF测试技术,在某商用低空防务光电成像系统动态成像评估过程中,在大范围内替代了产品的室外测试环节,大幅度降低了产品外场测试成本,同时对产品的作用距离进行评估,提高了产品动态成像性能评估效率。
Test method of the dynamic modulation transfer function in an indoor analog environment
doi: 10.3788/IRLA20210756
- Received Date: 2022-01-25
- Rev Recd Date: 2022-02-20
- Publish Date: 2022-08-05
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Key words:
- photoelectric imaging system /
- dynamic modulation transfer function /
- variable frequency grating target /
- simulated moving target system
Abstract: Aimed at the requirements of remote observation dynamic performance evaluation of photoelectric imaging systems such as vehicle visual intelligent perception and low altitude regional defense, an indoor simulated moving target system was developed. Based on the linear space shift invariant system model, the MTF measurement principles with ''three-bar target'' and ''four-bar target'' were analysed. A measurement method of the dynamic modulation transfer function (MTF) was proposed for an optoelectronic imaging system based on a variable frequency target. A design scheme of a variable frequency target was introduced, the solution method of MTF value was proposed, and the static and dynamic MTF comparative test experiments were conducted for ''three-bar target'' and variable frequency target. The experimental results show that compared with the "three bar target" measurement method, the proposed frequency conversion target dynamic MTF measurement method has a relative maximum deviation ratio of 1.9% for static MTF measurement and 2.8% for dynamic MTF measurement. The method can solve the MTF curve from one target image and has more advantages than ''knife edge method'', ''three-bar target'', ''four-bar target'' and other methods in the field of dynamic MTF measurement technology.