CN107806855B - 一种复合目标源及光电经纬仪成像质量测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开一种用于光电经纬仪的成像质量评价测试系统的复合目标源，包括：第一目标装置，用于产生调制传递函数指标的第一目标源；第二目标装置，用于产生图像清晰度特征向量的第二目标源；切换定位装置，根据控制命令切换所述第一目标源和所述第二目标源，且将相应的第一目标装置或第二目标装置定位在所需位置。本发明还公开了一种评价光电经纬仪像质的测试系统。本发明实施例提供的复合目标源能够同时产生具有产生用于光电经纬仪整机MTF测试的目标和用于产生图像清晰度特征向量测试的目标。

Description

一种复合目标源及光电经纬仪成像质量测试系统

技术领域

本发明涉及光电测控领域，具体涉及一种复合目标源，该复合目标源用于光电经纬仪成像质量评价的测试系统；还涉及一种光电经纬仪成像质量测试系统，该测试系统中的目标源采用上述复合目标源。

背景技术

光电经纬仪通过对光学经纬仪进行电气化改造，使之在捕捉目标图像的同时，能够实时记录精确的测角信息，并能通过事后目标图像的判读处理，得出目标精确的中轴偏移量，叠加得出更为精确的测角值。光电经纬仪主要用于静止和运动目标的跟踪测量，在卫星发射或飞机试验等飞行器试验测量领域具有较为广泛的运用。光电经纬仪所获取的图像在采集、压缩、处理、传输及显示等过程中会产生图像失真，从而导致图像质量下降。

目前，评估图像采集和传输过程所引起的失真或退化情况主要包括两种方式：第一种为图像质量的客观评价；第二种为光电经纬仪成像性能测试。由于受专业限制等因素，目前这两种评价方式大多独立进行。相互独立进行的两种评价方式不利于于提高光电经纬仪图像质量，因此，需要一种模型能够联合图像质量的客观评价和光电经纬仪成像性能的测试。

调制传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)是反映光电经纬仪成像性能的重要指标之一。为了确认图像质量与调制传递函数(MTF)之间的内在关系和建立相应的模型，需要选取能够准确表征图像质量的评价指标和特征参数。目前，学界选用采用BRISQUE算法对图像质量进行客观评价，通过图像归一化系数统计特征来表征图像清晰度，并获取图像清晰度特征向量。

为获取光电经纬仪图像质量客观评价模型，需要在实验室内搭建成像装置进行测试，获取一系列清晰及离焦图像作为图像客观质量评价的样本用于计算图像清晰度特征向量，同时测试对应状态的系统调制传递函数(MTF)。这要求测试过程中，光电经纬仪的状态和测试环境保持不变，需要能够同时具有产生用于光电经纬仪整机MTF测试和用于产生图像清晰度特征向量测试的复合目标模拟源。

目前，在实验室环境下主要利用平行光管配合各种类型的目标产生目标源，光电经纬仪对准该目标进行成像，再利用相应图像处理方法进行处理得到MTF等参数指标。光电经纬仪成像测试用的平行光管的目标源为较简单的星点、十字丝、狭缝、刀口等目标，其含有的图像特征信息太少、无法提取足够的图像清晰度特征向量。而大口径光电经纬仪焦距长，难以直接在实验室环境下对实际复杂景物进行成像，必须采用光学系统产生模拟无穷远复杂景物图像目标。现有的光电经纬仪成像性能测试用的平行光管目标源过于简单，无法同时满足图像质量的客观评价和光电经纬仪成像性能的测试的要求。

因此，需要提供一种用于评价光电经纬仪像质的复合目标源，该复合目标源能够同时满足图像质量的客观评价和光电经纬仪成像性能的测试的要求，从而得到相应模型及两者的内在联系。

发明内容

针对现有用于评价光电经纬仪像质的复合目标源所存在的问题，本发明提出一种能够同时具有产生用于光电经纬仪整机MTF测试和用于产生图像清晰度特征向量测试的复合目标模拟源。

该复合目标源具体方案如下：一种用于光电经纬仪的成像质量评价测试系统的复合目标源，包括：第一目标装置，用于产生调制传递函数指标的第一目标源；第二目标装置，用于产生图像清晰度特征向量的第二目标源；切换定位装置，根据控制命令切换所述第一目标源和所述第二目标源，且将相应的第一目标装置或第二目标装置定位至所需位置。

优选的，所述第一目标源包括星点、十字丝、狭缝或刀口。

优选的，所述第二目标源包括多种灰度层次的景物图像。

优选的，所述第一目标装置包括：第一光源；第一稳压电源，与所述第一光源电连接，为所述第一光源提供能源；均匀机构，与所述第一光源连接，对所述第一光源进行光源均匀化处理；第一目标靶，接收所述均匀化的光源且产生第一目标源；第一支撑结构，将所述第一目标装置固定在所述切换定位装置上。

优选的，所述均匀机构包括第一积分球、第二积分球以及位于所述第一积分球和第二积分球之间的可调光阑。

优选的，所述第一目标靶包括狭缝靶或刀口靶。

优选的，所述第二目标装置包括：第二光源；第二稳压电源，与所述第二光源电连接，为所述第二光源提供能源；聚光系统，对所述第二光源产生的光进行会聚；数字微镜器件，对经过聚光系统的光进行反射；数字微镜驱动电路，与所述数字微镜器件连接，用于驱动所述数字微镜器件进行反转；控制器，与所述数字微镜驱动电路连接，发送控制信号，且用于生成景物图像；第二支撑机构，将所述第二目标装置固定在所述切换定位装置上。

优选的，所述切换定位装置包括：直线电机，包括直线电机动子组件，所述第一目标装置和所述第二目标装置设于所述直线电机动子组件上；直线电机驱动器，连接所述直线电机，用于驱动所述直线电机运动；导轨及第三支撑机构，为所述直线电机动子组件提供运动导向及支撑；位置测量件，位于所述直线电机上，用于测量所述第一目标装置或所述第二目标装置的位置；控制器，与所述直线电机驱动器连接，发送控制信号。

优选的，所述位置测量件为直线光栅尺。

本发明还提供一种用于评价光电经纬仪像质的测试系统，其具体的方案如下：所述测试系统包括光电经纬仪、平行光管以及如上述所述的任意一种复合目标源；所述复合目标源产生的模拟目标出瞳位于所述平行光管的焦点位置。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例提供一种用于评价光电经纬仪像质的复合目标源，该复合目标源能够同时产生具有产生用于光电经纬仪整机MTF测试的目标和用于产生图像清晰度特征向量测试的目标。更优地，该复合目标源可以自动且快速地在两种目标源之间进行切换和定位。本发明实施例所提供的复合目标源能够直接与现有平行光管进行组合，在实验室环境下解决光电经纬仪因为焦距太长无法对复杂景物成像的问题。

附图说明

图1为本发明实施例中提供一种复合目标源的结构示意正视图；

图2为本发明实施例提供的一种数字微镜器件对光线控制的原理示意图；

图3为本发明实施例中提供一种复合目标源的原理示意图；

图4为本发明实施例提供的一种用于评价光电经纬仪像质的测试系统的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

名词解释：

调制传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)是光学系统性能评价最全面的指标，尤其适用于成像系统。其基本思想是：将物体看成是具有一定亮暗对比的系列空间频率成分子物的组合，换句话说，即将物体的精细结构看成是一系列黑白正弦光栅或矩形光栅，光学系统犹如线性“滤波器”，经光学系统成像(传递)后，某一限度以上的高频波被遏制，允许通过的低频成分也因衍射和像差的影响，振幅受到不同程度的衰减，相位有不同程度的推移。光电经纬仪也属于一种光学系统，常采用Nyquist频率处的MTF值作为评价该光电经纬仪成像的性能指标。

数字微镜器件(Digital Micromirror Device，简称DMD)是用数字电压信号控制微镜片执行机械运动来实现光学功能的装置。数字微镜装置是DMD投影设备的主要部件,通过控制徽镜片绕固定轴的旋转运动及时域响应将决定反射光的角度方向和停滞时间，从而决定屏幕上的图像及其对比度。目前，硅微加工技术已经能够加工出符合工艺要求的高质量DMD芯片，在一个硅片上可一次制造成型几十万或上百万个微反射镜。

结合图1所示，本发明提供的一种用于评价光电经纬仪像质测试系统的复合目标源。复合目标源100包括用于产生调制传递函数指标的第一目标源的第一目标装置101，用于产生图像清晰度特征向量的第二目标源的第二目标装置102，以及根据控制命令切换第一目标源和第二目标源、且将相应的第一目标装置101或第二目标装置102定位在预定位置的切换定位装置103。该实施例所提供的复合目标源100不仅能够产生用于MTF测试的第一目标源，还能提供复杂景物模拟图像的第二目标源，并且切换定位装置103能够将第一目标源和第二目标源进行快速切换和自动定位相应的第一目标装置101和第二目标装置102，能够根据光电经纬仪测试需要完成目标源的自动切换以及与平行光管的对准。

在该实施例中第一目标装置101包括第一光源3，与第一光源3电连接的第一稳压电源1，与所述第一光源3连接的均匀机构，接收经过均匀化的光源且产生第一目标源的第一目标靶5，将第一目标装置101固定在切换定位装置103上的第一支撑结构6。

均匀机构用于将光源进行均匀化，使得光源出射的光更加均匀。均匀照明是保证MTF测试准确性的必要条件。均匀机构可采用单积分球、双积分球、毛玻璃等方式。优选的，在该实施例中均匀机构采用双积分球4，以获得更好的均匀化效果。在该实施例中均匀机构包括第一积分球、第二积分球以及位于第一积分球和第二积分球之间的可调光阑2。双积分球组合方式所建立的均匀面照明系统，有效地避免光源的光束直接从出口射出，有效地提高面光源的均匀性。采用双积分球组合建立的均匀照明系统，面光源的均匀性优于2％。可调光阑2位第一积分球和第二积分球之间，通过调节光阑2实现第一目标源亮度的调节。在一优选实施例中，第一积分球和第二积分球的外部喷射消光漆，内部喷涂用于提高光线反射率的涂料，具体如硫酸钡涂料。在该具体实施例中，第一积分球和第二积分球的直径均为200mm。当然，积分球的直径具体数值可根据测试系统或复合目标源对MFT指标的要求而进行相应的变化，此直径具体数值不构成对本发明范围的限制。

第一光源3用于产生原始光源，可采用卤素灯、溴钨灯、白炽灯、氙灯等光源。在该实施例中第一光源3采用卤素灯。该卤素灯的电性参数包括最大电压为12V、额定功率为50W。第一稳压电源1为第一光源3提供稳定的电源。优选的，第一稳压电源1采用可调式直流稳压电源。

第一目标靶5具有多种形式，具体包括狭缝目标靶或刀口目标靶。优选的，第一目标靶5还可以同时包括辅助靶的一种或多种，辅助靶的具体形式包括四杆目标靶或黑目标靶。在不同的实验中，第一目标靶5根据实验需要选择不同宽度的狭缝目标靶，并利用四杆目标靶测试光电经纬仪焦距等参数，黑目标靶用于背景噪声计算。具体如，在第一次实验中，第一目标靶5选用狭缝目标靶；在第二次实验中，第一目标靶5选用刀口目标靶。当然，在不同的实验中，第一目标靶5也可以重复选用相同的目标靶。具体如，在第一次实验中，第一目标靶5选用狭缝目标靶；在第二次实验中，第一目标靶5继续选用狭缝目标靶。

第一目标靶5具体选择哪种形式的目标靶，实验人员可根据实验需求自行选择。狭缝目标靶用于狭缝法MTF测试，可针对光电经纬仪焦距不同而选择不同宽度的狭缝。四杆目标靶用于提高光电经纬仪的调焦准确性，同时四杆目标靶可测量光电经纬仪的焦距。刀口目标靶用于刀口法MTF测试。黑目标靶可遮拦来自平行光管外部的光学，使得外部光线不能通过平行光管的光管焦面进入平行光管的内部，测量并消除因其他杂散光而引起的背景噪声，从而有效地提高MTF测量精度。狭缝目标靶与四杆目标靶的缝宽及缝长需要根据平行光管及被测光电经纬仪的焦距计算获得。优选的，第一目标靶5的材料可选用镀铬处理的玻璃材料，第一目标靶5的制作可通过刻蚀的方式实现。

第一支撑结构6需根据第一目标装置101的具体结构和切换定位装置103的具体结构进行专门设计。优选的，第一支撑结构6还具备方位微调、俯仰角微调或/和死锁功能，从而有效地根据需求调整第一目标装置101相对切换定位装置103的位置关系。在该实施例中，第一支撑结构6采用铝合金材料加工并染黑处理。

在该实施例中，第二目标装置102包括：第二光源11，与第二光源11电连接的第二稳压电源17，对第二光源11产生的光进行会聚的聚光系统12，对经过聚光系统的光进行反射的数字微镜器件(DMD)13，与数字微镜器件13连接的数字微镜驱动电路14，与数字微镜驱动电路14连接、发送控制信号且用于生成景物图像的控制器16，将第二目标装置102固定在切换定位装置103上的第二支撑机构15。

第二光源11用于产生原始光源，在该实施例中第二光源选用荷兰飞利浦公司生产的功率为120W的超高压汞灯泡UHP 120。第二稳压电源17为第二光源11提供稳定的电源。优选的，第二稳压电源17采用可调式直流稳压电源。优选的，第一光源3和第二光源11可以共用同一个稳压电源。当不同光源共同使用一个稳压电源时，只需调节直流稳压源参数即可。

在该实施例中，控制器16可实现多种功能，包括：给切换定位装置103发送切换和定位控制命令，给数字微镜驱动电路14发送驱动控制命令，以及用于生成景物图像的功能。控制器16可采用通用计算机、也可采用定制所需功能的处理器、或其他智能设备。当然，在复合目标源100中也可分别采用三个控制器以分别实现上述三种功能。其中，当控制器16实现生成景物图像功能时，景物图像可利用预定的图像程序生成图像或者直接利用相机拍摄存储的图像。当控制器16采用通用计算机时，切换和定位控制命令、驱动控制命令或/和生成景物图像均可采用美国微软公司的VS2012编程环境进行开发、或者采用Visual C++编程环境开发、或者采用Matlab编程环境开发等。

第二目标源即复杂景物图像模拟源的生成过程为：第一步为原始图像的生成，主要利用计算机生成景物图像或者直接利用相机拍摄存储的景物图像；第二步通过计算机对数字微镜驱动电路14发送驱动信号，数字微镜驱动电路14控制数字微镜器件(DMD)的微镜翻转而产生具有多种灰度层次的复杂图像。该具有多种灰度层次的复杂图像经平行光管后，在光电经纬仪上成像。

第二目标源生成的核心器件是数字微镜器件(DMD)13，通过控制数字微镜器件(DMD)13中每个镜面翻转状态即可控制入射光源的投射方向，从而生成不同灰度层次的目标图像。如图2所示，数字微镜器件(DMD)对光线控制的原理示意图。当数字微镜器件(DMD)的镜面处于α1等于+12°时，入射光源20经过镜面反射形成的第一反射光源21，第一反射光源21出射至光学系统22即可成像。其中在投影区域24中的灰色小方块，即是微镜的投影图像。当数字微镜器件(DMD)的镜面处于α2等于-12°时，入射光源20经过镜面反射形成的第二反射光源23，第二反射光源23相对第一反射光源21偏转44°。根据上述原理描述可知，合理设计光学系统22可保证经过翻转后的反射光源无法进入光学系统，从而实现投影图像亮度变暗以形成不同种灰度层次的图像。

在该实施例中，数字微镜器件(DMD)选择美国TI公司的高分辨率DLP0.9英寸WQXGA型DMD芯片。该芯片具有2560×1600的高分辨率阵列，微镜间距7.56μm。数字微镜驱动电路采用PDLC900，实现8位256级灰度的图像灰度层次调整模式。当然，具体的数字微镜器件(DMD)及数字微镜驱动系统的选择也可采用其他型号芯片和驱动电路，设计人员可根据需求自行选择合适的型号。

继续结合图1所示，切换定位装置103包括：直线电机9，直线电机动子组件7，驱动直线电机9的直线电机驱动器(图中未示出)，为直线电机动子组件7提供运动导向及支撑的导轨及第三支撑机构8；用于测量第一目标装置101或第二目标装置102的位置的位置测量件10，与直线电机驱动器连接且发送控制信号的控制器16。

第一目标装置101和第二目标装置102设于直线电机动子组件7上，直线动子组件7在导轨及第三支撑机构8中移动时，带动第一目标装置101或第二目标装置102移动。更具体地，第一目标装置101的第一支撑机构6、第二目标装置102的第二支撑机构15分别设于直线电机动子组件7上。导轨及第三支撑机构8中采用导轨，有效地保证第一支撑机构6和第二支撑机构15的导向精度和空间位置精度。第三支撑机构需要根据具体的匹配情况进行适应性的结构设计，此处不再赘述。

位置测量件10用于测量第一目标装置101或第二目标装置102的位置，可采用直线光栅尺、轴角编码器结合齿轮齿条结构、激光测距机等方式。在一优选实施例中，位置测量件10采用直线光栅尺，利用直线光栅的光学原理工作的测量反馈装置。直线光栅尺是一种最优直线位移测量方式，采用直线光栅尺作为位置测量件，可将测量精度控制至±1μm及其以下。直线光栅尺实时采集第一目标装置101或/和第二目标装置102的位置，并通过接口电路传递至控制器16，控制器16运行相应的控制软件对目标装置的位置实现实时控制。在一优选的实施例中，控制软件采用PID控制算法实现目标位置的闭环控制。

如图3所示，为本发明实施例中提供一种复合目标源的原理示意图。该实施例的原理图是对应图1所示的复合目标源的结构图，两者的结构部件及连接关系相同，因此，此处不再对图3进行详细说明。

如图4所示，为本发明实施例提供的一种用于评价光电经纬仪像质的测试系统的示意图。用于评价光电经纬仪像质的测试系统包括光电经纬仪300、平行光管200以及如上文所描述的任意一种复合目标源100。复合目标源100产生的模拟目标出瞳位于平行光管200的焦点位置。根据光电经纬仪100的需求，复合目标源100可自动切换第一目标源或第二目标源。

在一具体实施例中，用于评价光电经纬仪像质的测试系统的部分参数如下：平行光管200的焦距为14m，被测光电经纬仪300的焦距4m，用于拍摄景物图像的相机像元大小为12μm、分辨率为1024×1024像素时。数字微镜器件(DMD)采用上文所述的型号，即美国TI公司的高分辨率DLP 0.9英寸WQXGA型DMD芯片。此时，数字微镜器件(DMD)产生的图像在光电经纬仪300上的大小为460×288像素，一个DMD微镜在光电经纬仪300上投影为3.4μm。因此，采用该DMD器件，产生的图像具有足够高的成像精度要求。由于靶面大小的限制，产生的图像并不能充满光电经纬仪像面。解决该问题可采用下述方法：改变光电经纬仪300的方位、俯仰姿态以实现像面在不同位置成像；再通过图像拼接方法，将不同位置成像的图像拼接以获取整幅图像。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种用于光电经纬仪的成像质量评价测试系统的复合目标源，其特征在于，所述复合目标源包括：

第一目标装置，用于产生调制传递函数指标的第一目标源；

第二目标装置，用于产生图像清晰度特征向量的第二目标源；

切换定位装置，根据控制命令切换所述第一目标源和所述第二目标源，且将相应的第一目标装置或第二目标装置定位至所需位置；

其中：所述第一目标装置包括：

第一光源；

第一稳压电源，与所述第一光源电连接，为所述第一光源提供能源；

均匀机构，与所述第一光源连接，对所述第一光源进行光源均匀化处理；

第一目标靶，接收所述均匀化的光源且产生第一目标源；

第一支撑结构，将所述第一目标装置固定在所述切换定位装置上；

所述第二目标装置包括：

第二光源；

第二稳压电源，与所述第二光源电连接，为所述第二光源提供能源；

聚光系统，对所述第二光源产生的光进行会聚；

数字微镜器件，对经过聚光系统的光进行反射；

数字微镜驱动电路，与所述数字微镜器件连接，用于驱动所述数字微镜器件进行翻转；

控制器，与所述数字微镜驱动电路连接，发送控制信号，且用于生成景物图像；

第二支撑机构，将所述第二目标装置固定在所述切换定位装置上。

2.根据权利要求1所述的复合目标源，其特征在于，所述第一目标源包括星点、十字丝、狭缝或刀口。

3.根据权利要求1所述的复合目标源，其特征在于，所述第二目标源包括多种灰度层次的景物图像。

4.根据权利要求1所述的复合目标源，其特征在于，所述均匀机构包括第一积分球、第二积分球以及位于所述第一积分球和第二积分球之间的可调光阑。

5.根据权利要求1所述的复合目标源，其特征在于，所述第一目标靶包括狭缝靶或刀口靶。

6.根据权利要求1所述的复合目标源，其特征在于，所述切换定位装置包括：

直线电机，包括直线电机动子组件，所述第一目标装置和所述第二目标装置位于所述直线电机动子组件上；

直线电机驱动器，连接所述直线电机，用于驱动所述直线电机运动；

导轨及第三支撑机构，为所述直线电机动子组件提供运动导向及支撑；

位置测量件，位于所述直线电机上，用于测量所述第一目标装置或所述第二目标装置的位置；

控制器，与所述直线电机驱动器连接，发送控制信号。

7.根据权利要求6所述的复合目标源，其特征在于，所述位置测量件为直线光栅尺。

8.一种用于评价光电经纬仪像质的测试系统，其特征在于，包括：

光电经纬仪、平行光管以及如权利要求1至7中任意一种所述的复合目标源；

所述复合目标源产生的模拟目标出瞳位于所述平行光管的焦点位置。