CN109489940A - 一种光学成像系统精确延时的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种光学成像系统精确延时的测量方法，测量过程简便，测量结果更加精确。本发明是将整个光学成像系统视为一个黑匣子，通过建立模拟场景，使光源和相机同步启动，得到场景信号精确的输入时刻，并通过记录场景信号的输入时刻，最终数据的输出时刻，将两个时刻之间的时间差用示波器记录，从而得到精确的系统延时。本发明无需确定光学系统内部各环节的信号的时间延迟，而只确定信号的精确开始时刻和信号的精确输出时刻即可确定整个光学系统的延迟时间，具有实现简便、高效、通用性强的特点。

Description

一种光学成像系统精确延时的测量方法

技术领域

本发明涉及一种光学成像系统延时的测量方法，可应用于多通道输出的面阵、线阵CCD摄像装置、CMOS摄像装置的延迟时间测量。

背景技术

光学成像系统的延迟时间对于实际应用中的测量、跟踪性能的准确性意义重大。延迟时间也是用于跟踪系统等的主要指标之一。光学成像系统的延迟时间用于跟踪系统、测量系统的输入指标，用于计算场景的延迟、跟踪目标的位移起到关键因素。

光学成像系统的各个环节(信号流向)具体如图1所示：光学成像系统对场景进行成像是对场景采样的一个过程，分辨率是空间场景采样的过程。光学系统对特定区域成像，光学影像感应到传感器表面，光学影像是一个连续的模拟影像，传感器对在其表面的光学影像进行采样，传感器的分辨率就是空间采样率。由光学影像变化为光电子信号，再转变为模拟电压信号、数字信号、还有相关的图像处理算法，如彩色差值、色度空间转换、图像增益控制、彩色白平衡、伽玛校正、图像映射等，最终以8位数字信号输出。在信号流向和处理过程中每个环节均对信号有一定延迟，每个延迟时间不等。

如图2所示，传感器曝光开始时刻为T1，传感器输出时刻为T2，在T2时刻输出的传感器输出的数字图像，并不是最终光学成像系统输出的图像，光学成像系统输出数据是在T3时刻。即，光学成像系统精确的延迟时间为T1时刻与T3时刻之间的时间差。最难控制和精确计算的是T2时刻与T3时刻之间的时间，即数据预处理及后处理过程。

常规的光学成像系统延时计算方法是考虑以光学信号的流向为输入，计算信号在每个环节的延迟，到最终输出，即：将从光学信号输入时为起始点，以获取到的数字图像为最终时刻，将这些延迟时间进行叠加，最后获取延迟时间。但是，由于估计的误差性，计算出的延迟时间存在一定误差。

发明内容

本发明提出一种光学成像系统精确延时的测量方法，测量过程简便，测量结果更加精确。

本发明的原理是：

将整个光学成像系统视为一个黑匣子，通过建立模拟场景，使光源和相机同步启动，得到场景信号精确的输入时刻，并通过记录场景信号的输入时刻，最终数据的输出时刻，将两个时刻之间的时间差用示波器记录，从而得到精确的系统延时。

本发明的解决方案如下：

该光学成像系统精确延时的测量方法，包括以下步骤：

1)将被测光学成像系统置于暗室中，在被测光学成像系统的输入侧设置光源，输出侧设置示波器；设置一时序控制器，其控制脉冲输出端分别与被测光学成像系统、光源以及示波器的第一通道连接；被测光学成像系统的信号输出端与示波器的第二通道连接；

2)设置被测光学成像系统工作模式，采用曝光控制时序的起始时刻作为被测成像系统的成像起始时刻；

3)时序控制器产生控制脉冲，该控制脉冲同时作为光源的启动信号、被测光学成像系统的图像获取启动信号以及示波器的第一通道的触发信号；

4)示波器通过第一通道记录控制脉冲的起始时刻，也即场景信号的输入时刻；通过第二通道记录被测光学成像系统输出数据的起始时刻；

5)计算步骤4)所得两个时刻的时间差，即为被测光学成像系统的精确延迟时间。

上述光源可采用LED。

可重复上述步骤2)～步骤5)多次，每一次通过在步骤2)重新设置被测光学成像系统工作模式，选择曝光起始时刻与帧请求时刻之间的其他时刻作为被测成像系统的成像起始时刻；多次测量后得到不同曝光时间对应的延迟时间，最终获得被测光学成像系统的延迟时间范围。

本发明具有以下优点：

本发明无需确定光学系统内部各环节的信号的时间延迟，而只确定信号的精确开始时刻和信号的精确输出时刻即可确定整个光学系统的延迟时间，具有实现简便、高效、通用性强的特点。

附图说明

图1为光学成像系统的信号流示意图。

图2为光学成像系统中主要的三个时间节点。

图3为本发明搭建的测试系统的示意图。

图4为曝光过程的具体时序，体现了本发明与传统方案对于信号场景信号输入时刻的不同认定。

图5为LED的光谱特性曲线。

图6为传感器的的光谱响应曲线。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明作进一步详述：

为了获取精确的延迟时间，从源头上必须精确控制，光学系统对特定区域成像，光学影像感应到传感器表面，光学影像获取是一个积分的过程。从积分开始时刻为光学信号感知的时刻，而积分过程是由曝光脉冲控制的。

本发明只控制源头与最终时间。如图3所示，将被测设备放置在暗室中(没有光源的实验室)，时序控制器产生一个控制脉冲，该脉冲作为LED照明的开启时刻；同时该脉冲做为被测成像系统曝光开始时刻T1，并使用示波器记录该时刻。由于LED照明启动，会产生光照，该光照将进入被测成像系统，当该光信号转换为最终的输出，使用示波器记录该信号输出的起始时刻，即T3时刻。用示波器记录这两者之间的时间差，即光学成像系统的精确延迟时间。

需要说明的是，在此测量过程中，未考虑LED照明的启动时延(误差为n秒级)；线路的时间延迟(误差n秒级)。这两方面的误差可忽略不计。

一、场景信号的输入时刻的准确性确定

如图4所示，本发明与传统方案对于信号场景信号输入时刻有不同的认定。传统的场景信号由光学成像系统帧同步信号确定；以25帧/s视频为例，每帧的间隔为40ms，帧请求时刻是等间隔的时间产生的，而传感器表面的场景信号是在曝光时间内的积分过程，而曝光时间是一个变化过程(场景亮度不同，曝光时间也不同，1uS～40ms)，曝光起始时刻决定了场景信号的输入时刻。因此，选择曝光起始时刻做为场景信号的输入时刻是准确的输入时刻。

二、场景信号的有效性确定

光学成像系统，此处针对的是可见光传感器。可见光传感器对于光强均有响应；一般实验室均有杂光存在，选择在暗室做为测试场所，能够有效的避免杂光对测试准确性的影响。光源选择LED光源。选择cree公司的Xlamp XR‐E型号中的Neutral White系列LED做为测试光源，其产生的光谱能量与传感器响应的频段非常接近，如图5、图6。此型号LED做为光源能够为光学成像系统的图像传感器提供匹配的光源输入。

三、输入信号的同步性确定

使用时序控制器产生同源控制信号，做为LED的开启控制信号、光学成像系统曝光开启时刻，保证了输入信号的同步性。同时记录该时刻，做为延迟时间记录的开始时刻。

四、输出信号的准确性确定

由于没有光照信号时，在暗室内光学成像系统没有有效信号输出，开启之后，输出有效信号，记录输出时刻，与开始时刻做差，记录在此曝光时刻下，信号延迟的准确时间。

本发明具体的实现过程如下：

系统上电，设置被测成像系统工作模式，采用曝光控制时序的起始时刻(即曝光起始时刻)作为被测成像系统的成像起始时刻；

将时序控制器的控制脉冲与LED照明启动控制信号相连；将时序控制器的控制脉冲与被测成像系统相连，作为被测成像系统的图像获取启动信号；将时序控制器的控制脉冲与示波器的第一通道相连；

将被测成像系统的输出信号与示波器的第二通道相连；

时序控制器产生控制脉冲，此脉冲做为LED照明的启动信号；同时，此脉冲做为被测成像系统的图像获取启动信号；在示波器的第一通道连接此控制脉冲，并以该脉冲做为触发信号；

测量出示波器第一通道与第二通道之间的时间差，此时间差为光学成像系统的精确延迟时间。

另外，由于曝光时间不同，测量的延迟时间也会有所不同。按照本发明，可通过重新设置被测光学成像系统工作模式，选择曝光起始时刻与帧请求时刻之间的其他时刻作为被测成像系统的成像起始时刻；多次测量后得到不同曝光时间对应的延迟时间，最终获得被测光学成像系统的延迟时间范围。

Claims (3)

1.一种光学成像系统精确延时的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将被测光学成像系统置于暗室中，在被测光学成像系统的输入侧设置光源，输出侧设置示波器；设置一时序控制器，其控制脉冲输出端分别与被测光学成像系统、光源以及示波器的第一通道连接；被测光学成像系统的信号输出端与示波器的第二通道连接；

2)设置被测光学成像系统工作模式，采用曝光控制时序的起始时刻作为被测成像系统的成像起始时刻；

3)时序控制器产生控制脉冲，该控制脉冲同时作为光源的启动信号、被测光学成像系统的图像获取启动信号以及示波器的第一通道的触发信号；

4)示波器通过第一通道记录控制脉冲的起始时刻，也即场景信号的输入时刻；通过第二通道记录被测光学成像系统输出数据的起始时刻；

5)计算步骤4)所得两个时刻的时间差，即为被测光学成像系统的精确延迟时间。

2.根据权利要求1所述的光学成像系统精确延时的测量方法，其特征在于：所述光源为LED。

3.根据权利要求1所述的光学成像系统精确延时的测量方法，其特征在于：重复步骤2)～步骤5)多次，每一次通过在步骤2)重新设置被测光学成像系统工作模式，选择曝光起始时刻与帧请求时刻之间的其他时刻作为被测成像系统的成像起始时刻；多次测量后得到不同曝光时间对应的延迟时间，最终获得被测光学成像系统的延迟时间范围。