CN101354307A - 动态目标调制传递函数测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

动态目标调制传递函数测量方法与装置属于光学性质测试领域；旨在提供一种可在不同视场下，即可对匀速直线运动、匀加速直线运动以及简谐运动动态目标调制传递函数进行测量，又可兼顾对静态调制传递函数进行测量，同时可将静态调制传递函数从整机调制传递函数中分离出去的动态目标调制传递函数测量方法及装置；其装置是：沿光线传播方向依次放置光源、准直物镜、光瞳耦合系统、光电成像系统；通过光电成像系统对沿导轨方向运动的光源进行成像，从图像中得到线扩展函数，并对线扩展函数进行一维傅里叶变换并取模得到动态目标调制传递函数；本发明不仅适用于静像像质评价领域，而且适用于时延光电成像系统对动态目标成像的像质评价领域。

Description

动态目标调制传递函数测量方法与装置

技术领域

本发明是关于光学性质测试领域中光学传递函数测量方法与装置，尤其涉及一种动态目标调制传递函数的测量方法与装置。

背景技术

调制传递函数是用来评价系统信息传递能力的一个重要手段。在光学领域中，调制传递函数用来描述光学系统对图像信息的传递能力。调制传递函数测量技术始于1955年，其测试方法的特点是以静止图象为信息源对光学镜组的传递能力进行评价。然而，随着光电跟踪系统的发展与应用，以CCD为代表的时延成像器件得到广泛应用，如航空摄影技术和光学成像制导技术等。在这些技术领域中，使像质退化的主要因素除光学系统自身衍射、像差外，还有目标的高速运动。为了考查目标高速运动对成像质量的影响，人们开始研究动态目标调制传递函数。对动态目标调制传递函数的深入研究，不仅可以定量描述目标运动对像质退化的影响，而且可以分析出像质退化成因，为运动模糊图像复原提供理论依据。

1991年，SPIE第1482卷“Numerical Calculation of Image Motion and VibrationModulation Transfer Function”一文以及SPIE第1533卷“Numerical Calculation ofImage Motion and Vibration Modulation Transfer Functions-a new method”一文分别介绍了动态目标调制传递函数的频域算法和空域算法的思想，详细推导了匀速直线运动状态以及简谐运动状态下这两种算法的数学模型，并对动态目标调制传递函数曲线所反映的物理意义进行了分析。其不足之处是这两篇文章仅对动态目标调制传递函数进行数学推导及仿真，并没有对其进行实际测量。

1991年5月，《OPTICAL ENGINEERING》第30卷第5号“Image ResolutionLimits Resulting from Mechanical Vibrations.Part 2：Experiment”一文中第579～580页中介绍了一台低频简谐运动动态目标调制传递函数的实验装置。该实验装置工作原理如下：通过一振动平台承载具有不同空间分辨率的鉴别率板做简谐运动，其振动轨迹由传感器探测，并将结果在示波器上显示；函数发生器同时对鉴别率板的运动状态进行仿真，使实验装置同时具有真实测量结果以及仿真数据；摄影机对做简谐运动的鉴别率板进行成像，通过所成的图像可以判断在摄影机曝光时间内鉴别率板的运动距离d，并将运动距离d代入到公式MTF＝|sinc(πfd)|中得到匀速直线运动动态目标调制传递函数；最后将低频简谐运动近似看成是匀速直线运动，认为求得的结果就是简谐运动动态目标调制传递函数。并其不足之处是此实验装置只能完成对低频简谐运动动态目标调制传递函数的测量而不能兼顾对其它运动形式的动态目标调制传递函数进行测量；而且，此实验装置最终的测量结果是简谐运动与整个成像系统共同作用后的调制传递函数，且无法将成像系统自身对传递函数曲线降低的影响从测量结果中分离出去；最重要的是，此实验装置是利用匀速直线运动动态目标调制传递函数测量结果去代替低频简谐运动动态目标调制传递函数，测量结果会具有较大误差。

发明内容

本发明的目的就是针对上述已有技术存在的问题，提供了一种可在不同视场下，即可对匀速直线运动、匀加速直线运动以及简谐运动动态目标调制传递函数进行测量，又可兼顾对静态调制传递函数进行测量，同时可将静态调制传递函数从整机调制函数中分离出去的动态目标调制传递函数的测量方法及装置，达到提高仪器应用范围、减小测量误差的目的。

本发明的目的是这样实现的：

本发明所述的动态目标调制传递函数测量方法包括以下步骤：

①调整精密回转工作台，将光电成像系统调整到待测视场角α位置；

②在滑块处于静止状态时，光电成像系统对光源成像，如果光源采用的是点光源，则所成图像为视场角α下的静态点扩展函数PSF；如果光源采用的是线光源，则所成图像为视场角α下的静态线扩展函数LSF，并且

如果得到的是点扩展函数PSF，将光斑中心所在行所有像素灰度值信息提取出来，作为线扩展函数LSF；

③对静态线扩展函数LSF进行一维傅里叶变换，得到视场角α下的静态光学传递函数；

④使滑块处于待测运动状态，光电成像系统再次对光源成像，如果光源采用的是点光源，则所成图像为视场角α下的该运动状态的整机点扩展函数PSF；如果光源采用的是线光源，则所成图像为视场角α下该运动状态的整机线扩展函数LSF，并且

如果得到的是点扩展函数PSF，将光斑扫过行的整行像素灰度值信息提取出来，作为该运动状态下的整机线扩展函数LSF；

⑤对整机线扩展函数LSF进行一维傅里叶变换，得到视场角α下该运动状态的整机光学传递函数；

⑥将静态光学传递函数取模得到静态调制传递函数；将整机光学传递函数取模得到整机调制传递函数；将整机调制传递函数与静像调制传递函数在对应频率处相除，得到视场角α下该运动状态的动态目标调制传递函数。

本发明所述的动态目标调制传递函数测量装置由光源、准直物镜、光瞳耦合系统、光电成像系统构成，沿光线传播方向依次放置光源、准直物镜、光瞳耦合系统、光电成像系统。

光源放置在滑块上，并可随滑块沿导轨方向做包括匀速直线运动、匀加速直线运动以及简谐运动的一维运动。

光电成像系统放置在精密转台上，并可随精密转台进行转动。

如果所述的光源采用线光源，则光电成像系统中采用线阵图像传感器；如果所述的光源采用点光源，则光电成像系统中采用面阵图像传感器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

第一，本测量方法及装置即可以实现对匀速直线运动动态光学传递函数的测量，又可以实现对匀加速直线运动以及简谐运动动态光学传递函数的测量。

第二，本测量方法及装置同时具有对静态光学传递函数的测量功能。

第三，本测量方法及装置可以对成像系统在不同视场下进行光学传递函数的测量。

第四，本测量方法及装置可以实现对时延成像系统对动态目标进行成像时整机光学传递函数的测量。

第五，本测量方法及装置可以将静态调制传递函数从成像系统整机调制传递函数中分离出去，得到动态目标调制传递函数。

附图说明

图1是动态目标调制传递函数测量装置示意图

图2是0度视场下静态点扩展函数PSF_s

图3是0度视场下静态线扩展函数LSF_s

图4是0度视场下匀速直线运动的整机点扩展函数PSF_i

图5是0度视场下匀速直线运动的整机线扩展函数LSF_i

图6是0度视场下静态调制传递函数MTF_s

图7是0度视场下匀速直线运动的整机调制传递函数MTF_i

图8是0度视场下匀速直线运动的动态目标调制传递函数MTF_d

图9是动态目标调制传递函数MTF_d曲线与理论模型对比图

图中：1光源  2准直物镜  3光瞳耦合系统  4光电成像系统  5精密转台6滑块  7导轨

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施例作进一步详细描述。

本例中，光源1与光电成像系统4中图像传感器的分别为点光源和面阵图像传感器组合，完成对0度视场角下匀速直线运动动态目标调制传递函数的测量。

图1为本发明所述的动态目标调制传递函数测量装置，沿光线传播方向依次放置光源1、准直物镜2、光瞳耦合系统3、光电成像系统4。光源1放置在可以沿导轨7方向运动的滑块6上，光电成像系统4放置在精密转台5上，其中，光源1采用点光源，光电成像系统4中采用面阵图像传感器。

①调整精密转台5，使光电成像系统4的光轴与整个测量装置的光轴重合，使待测视场角为0度。

②调整滑块6的位置，使光源1静止在测量装置的光轴上，光源1射出的光线沿测量装置光轴，从0度视场射入到光电成像系统4中，光电成像系统4所成图像为0度视场下静态点扩展函数PSF_s，如图2所示；从静态点扩展函数PSF_s中将光斑中心所在行的整行像素灰度值信息提取出来作为0度视场下静态线扩展函数LSF_s，设静态点扩展函数PSF_s光斑中心所在行的行数为n，则静态线扩展函数为：

LSF_s＝PSF_s(i，j)|_i＝n

提取出的0度视场下静态线扩展函数LSF_s如图3所示。

③对0度视场下静态线扩展函数LSF_s进行傅里叶变换，得到0度视场下静态光学传递函数OTF_s。

${\mathrm{OTF}}_s\left({\mathrm{kf}}_1\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{LSF}}_s\left({\mathrm{nT}}_s\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{nk}},$ $f_1=\frac{1}{{\mathrm{nT}}_s},$ k＝0、1、2…N-1

式中，T_s表示图像传感器相邻两像素的空间距离，N表示分辨率。本例中图像传感器采用陕西维视图像的MV-1300UM型CMOS，像素间距为5.423μm，分辨率为1024。

④保持精密转台5静止不动，使滑块6沿着导轨7做匀速直线运动，同时光电成像系统4对运动的点光源像成像，其中，点光源像在图像传感器表面上的运动速度为67μm/s，图像传感器曝光时间设定为400ms，所成图像为0度视场下匀速直线运动的整机点扩展函数PSF_i，如图4所示；从整机点扩展函数PSF_i中将光斑中心扫过行的整行像素灰度值信息提取出来作为0度视场下匀速直线运动的整机线扩展函数LSF_i，设整机点扩展函数PSF_i光斑中心所过行的行数为n′，则整机线扩展函数为：

LSF_i＝PSF_i(i，j)|_i＝n′

提取出的0度视场下匀速直线运动的整机线扩展函数LSF_i如图5所示。

⑤对0度视场下匀速直线运动的整机线扩展函数LSF_i进行傅里叶变换，得到0度视场下匀速直线运动的整机光学传递函数OTF_i。

${\mathrm{OTF}}_i\left({\mathrm{kf}}_1\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{LSF}}_i\left({\mathrm{nT}}_s\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{nk}},$ $f_1=\frac{1}{{\mathrm{nT}}_s},$ k＝0、1、2…N-1

式中，T_s＝5.423μm，N＝1024。

⑥分别对静态光学传递函数OTF_s和整机光学传递函数OTF_i取模得到静态调制传递函数MTF_s和整机调制传递函数MTF_i。

MTF_s(kf₁)＝|OTF_s(kf₁)|

MTF_i(kf₁)＝|OTF_i(kf₁)|

0度视场下静态调制传递函数MTF_s和0度视场下匀速直线运动的整机调制传递函数MTF_i的图像分别如图6和图7所示；将静态调制传递函数MTF_s与整机调制传递函数MTF_i在对应频率上相除，得到动态目标调制传递函数MTF_d：

${\mathrm{MTF}}_d\left({\mathrm{kf}}_1\right)=\frac{{\mathrm{MTF}}_i\left({\mathrm{kf}}_1\right)}{{\mathrm{MTF}}_s\left({\mathrm{kf}}_1\right)},$ k＝0、1、2…N-1

本例中所得到的0度视场下匀速直线运动的动态目标调制传递函数MTF_d如图8所示。

将本例所得到的动态目标调制传递函数MTF_d曲线与理论模型进行对比，对比图如图9所示。由图中可以看到，经本发明所述装置按照本发明所述方法测量得到的动态目标调制传递函数曲线与理论模型曲线基本吻合。

Claims (5)

1、一种动态目标调制传递函数测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

①调整精密转台，将光电成像系统调整到待测视场角α位置；

②在滑块处于静止状态时，光电成像系统对光源成像，如果光源采用的是点光源，则所成图像为视场角α下的静态点扩展函数PSF；如果光源采用的是线光源，则所成图像为视场角α下的静态线扩展函数LSF，并且如果得到的是点扩展函数PSF，将光斑中心所在行所有像素灰度值信息提取出来，作为线扩展函数LSF；

③对静态线扩展函数LSF进行一维傅里叶变换，得到视场角α下的静态光学传递函数；

④使滑块处于待测运动状态，光电成像系统再次对光源成像，如果光源采用的是点光源，则所成图像为视场角α下的该运动状态的整机点扩展函数PSF；如果光源采用的是线光源，则所成图像为视场角α下该运动状态的整机线扩展函数LSF，并且如果得到的是点扩展函数PSF，将光斑扫过行的整行像素灰度值信息提取出来，作为该运动状态下的整机线扩展函数LSF；

⑤对整机线扩展函数LSF进行一维傅里叶变换，得到视场角α下该运动状态的整机光学传递函数；

⑥将静态光学传递函数取模得到静态调制传递函数；将整机光学传递函数取模得到整机调制传递函数；将整机调制传递函数与静像调制传递函数在对应频率处相除，得到视场角α下该运动状态的动态目标调制传递函数。

2、一种动态目标调制传递函数测量装置，其特征在于该测量装置由光源(1)、准直物镜(2)、光瞳耦合系统(3)、光电成像系统(4)构成，沿光线传播方向依次配置光源(1)、准直物镜(2)、光瞳耦合系统(3)、光电成像系统(4)。

3、根据权利要求2所述的动态目标调制传递函数测量装置，其特征在于所述的光源(1)放置在滑块(6)上，并可随滑块(6)沿导轨(7)方向做包括匀速直线运动、匀加速直线运动以及简谐运动的一维运动。

4、根据权利要求2所述的动态目标调制传递函数测量装置，其特征在于所述的光电成像系统(4)放置在精密转台(5)上，并可随精密转台(5)进行转动。

5、根据权利要求2所述的动态目标调制传递函数测量装置，其特征在于，①、所述的光源(1)采用线光源，则光电成像系统(4)中采用线阵图像传感器；②、所述的光源(1)采用点光源，则光电成像系统(4)中采用面阵图像传感器。

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