CN109612512B - 一种空基光电系统多模态一体化测试平台及测试方法 - Google Patents
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Abstract
发明公开了一种空基光电系统多模态一体化测试平台及测试方法，可应用于天基/空基可见与红外光电载荷性能的综合测试与验证，包括如下单元：1、无热化设计测试单元，2、目标检测跟踪单元，3、成像图像质量评价单元，4、成像延迟测试单元，5、光电系统基础测试单元，6、多光谱靶标单元，7、接口管控单元，本发明研制出一套空基光电系统多模态一体化测试技术体系，能够支持不同波段、不同接口、不同应用任务的天基/空基多模态光电系统检测，满足了光电载荷研制部门对不同类型光电系统的共性和特性测试的需求。
Description
技术领域
本发明涉及图像处理技术领域，尤其是一种新型空基光电系统多模态一体化测试平台。
背景技术
随着各国对航空航天的重视程度不断加深，地外空间的战略地位日益提高，在各国航空航天科技水平比拼愈加激烈的形势下，天基/空基遥感作为空间探测的重要组成部分，已经成为各国研究的重点。其中天基/空基载荷对在复杂环境下的光学遥感侦察与目标探测有着较好的适应能力，能够为光电探测技术的研究提供更为完备的依据。
然而随着各国在天基/空基载荷方面技术的完善，在现阶段如何对天基/空基载荷研制过程中的各项指标进行综合性的性能评估与准确测试已成为急需攻克的一道难题。首先，测试平台需要具有功能完备性，对测试指标实行全覆盖，针对不同的任务载荷进行对应的测试与评估；其次，平台接口需要具有种类多样性，能够适用于不同通讯与数据接口的载荷，确保平台适用于不同型号载荷，实现测试数据的实时互通；再次，平台单元需要具有完整性，构建从靶标采集输入到通讯接口输出的一体化测试平台，实现对探测过程的完整测试与评估；最后，各个单元的评估测试技术需要具有先进性，测试结果要能准确反映各项指标在国内外同类指标中的优劣程度。所以，一种新型空基光电系统多模态一体化测试平台的构建需求是十分迫切的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种新型空基光电系统多模态一体化测试平台，能够在充分利用现有的硬件设备的基础上，构建出一套适用于不同波段、不同通信接口、不同应用背景的空基光电系统多模态一体化综合测试平台，解决以往一个型号一套测试系统，通用性弱、继承性差、重复开发、资源浪费等问题。平台接口全面、集成度高、涵盖了目前光电系统测试中大部分通用功能以及本项目团队自主开发完成的机载复杂环境下对地目标检测跟踪、红外中波成像延时测量、低信噪比红外光电系统无热化设计、成像质量主客观一致性评价等针对性先进测试技术，可支撑不同型号机载光电设备的指标测定、无热化设计和性能评估。
为解决上述技术问题，本发明提供一种空基光电系统多模态一体化测试平台，包括如下单元：
无热化设计测试单元、目标检测跟踪单元、成像图像质量评价单元、成像延迟测试单元、光电系统基础测试单元、多光谱靶标单元以及接口管控单元；其中，
所述无热化设计测试单元用于机载环境大范围温度变化下红外系统的无热化设计测试；所述目标检测跟踪单元用于跟瞄系统机载环境下对地目标的检测与跟踪测试；所述成像图像质量评价单元用于机载侦察光电系统成像质量测试与评价；所述成像延迟测试单元用于跟瞄、告警的高帧频机载中红外光电系统的成像延时测试；所述光电系统基础测试单元用于机载红外与可见成像载荷的基本性能指标测试，结果可为无热化设计与成像延迟测试提供支持；所述多光谱靶标单元用于配合其他功能单元，完成光电系统不同性能测试，为无热化单元设计单/多目标点源靶和多方向四杆靶、为成像延迟测试单元设计中波红外靶板；所述接口管控单元用于机载光电系统各单元间以及与其他测试设备的接口与数据通信。
本申请还提供采用如上述空基光电系统多模态一体化测试平台的测试方法，所述测试方法包括以下步骤：
步骤(1)，无热化设计测试单元采用靶标自适应模板卷积技术，在低信噪比下，完成空基载荷的温度调焦曲线自主绘制与MRTD智能测试；
步骤(2)，目标检测跟踪单元完成机载复杂环境背景相对旋转、阴影干扰、纹理缺乏、场景抖动以及小目标快速运动和遮挡情况下，特定目标的实时检测与跟踪；
步骤(3)，成像图像质量评价单元以主客观一致性为评价依据，根据实际侦察图像对空基载荷整体成像质量进行测试；
步骤(4)，成像延迟测试单元采用低热残留中红外冷光源靶板与嵌入式处理控制算法设计，测量机载成像光电系统整机从开始积分到输出有效图像之间的时间间隔；
步骤(5)，光电系统基础测试单元完成对所述机载成像光电系统基础指标计算。
有益效果：
(1)针对机载红外光电系统在较大温度范围内的无热化设计需求，提出一种基于四杆靶空间辐射特性的低信噪比红外光电系统温补调焦模型全自动测试技术，能够在图像信噪比低至-5dB的极端条件下自主检测并记录不同环境温度下光电系统的最佳调焦量，并根据先验知识建立温补调焦模型，支撑红外光电系统实际工作中的无热化补偿。
(2)针对战机运动导致探测背景产生相对旋转、阴影干扰、纹理缺乏、场景抖动以及小目标快速运动和被遮挡等复杂环境情况，结合载机的空间位置、空间姿态以及光电探测平台相对载机的角度姿态等因素，经地面、相机、平台三坐标系转换，构建了机载光电探测图像中背景与运动目标的像素变化的运动矢量模型，提出一种基于混合特征的融合彩色金字塔Lucas光流算法、混合高斯建模和相关滤波算法的目标检测跟踪算法，有效解决了目前战机侦查瞄准和目标精确打击所面临的跟踪漂移、剧烈尺度变化、实时性等难题。
(3)针对机载中波红外告警系统的目标成像延时高精度测试需求，提出一套包括靶板、控制记录仪和信息处理终端在内的完整成像延时测试技术，可精确测量连续时间段内光电系统从目标出现到输出有效图像之间的平均时间间隔，测量精度达到1ms。
(4)针对机载光电侦察系统的成像质量测试需求，提出一种以主客观一致性为评价依据的无参考评估技术，解决传统评估技术对检测设备与环境要求严苛、评估指标综合性与直观性不强等关键问题。可直接以待测光电系统正常工作时的拍摄图像为输入，算法自主评估系统的成像质量，评估结果与人类视觉判定高度一致，具有评估指标定义明确、适用性强、实验简单等诸多优点。
(5)面向我国多个型号机载光电系统的测试需求，构建出一套适用于不同波段、不同通信接口、不同应用背景的空基光电系统多模态一体化综合测试平台，解决以往一个型号一套测试系统，通用性弱、继承性差、重复开发、资源浪费等问题。
附图说明
图1为本发明平台结构组成图；
图2为本发明的技术功能组成图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
实施例1
本发明方法所涉及各单元如图2所示：
一种空基光电系统多模态一体化测试平台，包括如下单元：
无热化设计测试单元、目标检测跟踪单元、成像图像质量评价单元、成像延迟测试单元、光电系统基础测试单元、多光谱靶标单元以及接口管控单元；其中，所述无热化设计测试单元用于机载环境大范围温度变化下红外系统的无热化设计测试；所述目标检测跟踪单元用于跟瞄系统机载环境下对地目标的检测与跟踪测试；所述成像图像质量评价单元用于机载侦察光电系统成像质量测试与评价；所述成像延迟测试单元用于跟瞄、告警等高帧频机载中红外光电系统的成像延时测试；所述光电系统基础测试单元用于机载红外与可见成像载荷的基本性能指标测试；所述多光谱靶标单元用于配合其他功能单元，完成光电系统不同性能测试；
上述各单元间通过接口管控单元提供的接口进行信息交互。
本实施例中的多接口硬件开发单元支持主流机载光电系统图像数据接口和串行或总线控制接口，采用CAN总线、R485总线、R432总线、RS422总线、RS429总线和1553B总线传输数据；数据接口采用Cameralink、PAL、NTSC和LVDS采集机载的光电图像数据，并可以连接光电载荷的控制系统进行闭环测试，实现信息的实时采集交互。
本实施例中提供的空基光电系统多模态一体化测试平台中涉及的各个单元，具体涉及到的硬件连接为：通讯接口连接待测空基载荷与检测设备，在无热化设计测试单元、成像延迟测试单元、光电系统基础测试单元实时进行相关命令与参数的传输，其中CAN总线包含2个DB9-M接口；串口通讯板卡包括R485总线、R432总线、RS422总线，包含1个DB37接口；RS429总线包含4路PCI接口；数据接口连接待测空基载荷与检测设备，在无热化设计测试单元、目标检测跟踪单元、成像延迟测试单元、光电系统基础测试单元实时进行视频与图像的传输，其中Cameralink包含2个SDR接口；LVDS与RS422总线并行输出；PAL与NTSC采用PCI-EX1总线。
其中，成像延迟测试单元采用了201710853962.5所公开的技术；目标检测跟踪单元采用了201410179068.0所公开的技术；成像图像质量评价单元采用了201710760654.8所公开的技术；无热化设计测试单元采用了201711044325.X所公开的技术。
实施例2
如图2所示，本发明还提供基于上述空基光电系统多模态一体化测试平台的测试方法，该测试方法包括以下步骤：
步骤(1)，无热化设计测试单元采用靶标自适应模板卷积技术，能够在-5dB极低信噪比下，完成载荷系统的温度调焦曲线自主绘制与MRTD智能测试；所述步骤(1)具体为：
1.1温补调焦曲线自动绘制，通过制冷/非制冷红外载荷获取靶标图像信息，进行客观质量评价，反馈调焦指令给待检测产品，直至图像质量最佳，改变仪器的环境温度，软件系统能够对测试数据进行分析、拟合，绘制不同温度下的最佳调焦量的温补调焦曲线；
1.2MRTD客观评价，通过神经网络算法对四杆靶图像的可分辨度进行决策判断，调节四杆靶温度，直至达到软件判断可分辨时的最低温度，从而对最小可分辨温差MRTD进行客观评价；
1.3成像误差分析，根据获取图像，计算目标在像面的质心与形心的实际位置，从而能够对成像位置偏移进行分析与对双目标进行成像目标偏差角分析。
步骤(2)，目标检测跟踪单元能够完成机载复杂环境背景相对旋转、阴影干扰、纹理缺乏、场景抖动以及小目标快速运动和遮挡情况下，特定目标的实时检测与跟踪；所述步骤(2)具体为：
2.1对于平移与旋转等运动背景下的目标与遮挡下的目标，首先对每一帧图像进行图像处理，然后进行目标检测及跟踪；在目标检测跟踪算法中计算每一帧图像的目标中心位置、目标角度，并预测下一帧图像的目标中心位置、目标角度；
2.2实时测出当前跟踪中心与目标中心位置数据的差值；
2.3根据目标的不同特征对目标进行分类，为每一个目标归类并建立全方位姿态模型库，支持后续扩展。
步骤(3)，成像图像质量评价单元以主客观一致性为评价依据，直接根据实际侦察图像对载荷系统整体成像质量进行测试；所述步骤(3)具体为：建立全参考/无参考图像质量评价体系，以成像质量主客观一致性为评价依据，通过对图像进行自然场景统计模型、视觉失真模型的建模，得出一个综合性的符合人眼视觉系统的客观评价指标。
步骤(4)，成像延迟测试单元采用低热残留中红外冷光源靶板与嵌入式处理控制算法设计，可精确测量光电系统整机从开始积分到输出有效图像之间的时间间隔，测量精度达到1ms；所述步骤(4)具体为：
4.1当探测器处于工作状态时，利用控制记录仪产生的高精度信号控制图像源(靶板)工作，并记录起始时刻t1，同时控制探测器开始成像；
4.2探测器产生的视频信号输入到控制记录仪中，对每一帧图像进行图像处理，判断并记录获得完善图像的时刻t2；
4.3计算这两个时刻的差得到探测器的成像延迟时间Δt＝t1-t2。
步骤(5)，光电系统基础测试单元能够完成机载成像光电系统大部分基础指标计算，例如非均匀性测试、动态范围测试、信噪比计算等；所述步骤(5)具体为：
5.1动态范围测试时，首先将黑体置于探测器窗口前，将黑体温度设置为30℃，逐渐增加探测器的积分时间和黑体温度，系统软件通过采集卡采集探测器输出的数字图像，当信号幅度不再增大时，保存此时的信号值Vmax；降低黑体温度并相应的减少探测器的积分时间，当信号幅值不再减小为止，保存此信号值Vmin；将黑体温度设定为室温20℃，采集探测器数字图像，计算图像RMS噪声Amin；
5.2信噪比计算时，实时计算图像所有像素平均值与所有像素的均方根，比值取20*log转成dB数；
5.3非均匀性计算时，读出图像的数字视频信号，选取校正后整个图像在所选取区域，得出灰度方差值；
5.4坏元查找时，在回调函数中连续采集10帧图像来进行计算，通过多次取均值减小图像的噪声，提高准确度。
上述实施例中各步骤所采用多种通讯接口与数据接口进行实时信息采集与交互，具体为：通讯接口采用CAN总线，R485总线，R432总线，RS422总线，RS429总线和1553B总线传输数据；数据接口采用Cameralink，PAL，NTSC和LVDS采集相应的图像与视频。所述测试方法针对平台中不同的单元，设计0.4μm～14μm红外谱段与可见光谱段的单/多目标点源靶、多方向四杆靶、激光靶标与平行光管，用于点扩散函数、内方位元素、清晰度判别、MTF等内容的测试。
本发明能够在充分利用现有的硬件设备的基础上，解决机载复杂环境下对地目标检测跟踪、红外中波成像延时测量、低信噪比红外光电系统无热化设计、成像质量主客观一致性评价等关键测试技术，为机载光电系统型号研制提供了一套技术先进、功能全面、接口丰富、针对性强的高置信度、高效率测试平台，节约了测试时所需的人力、物力与财力资源，降低了联调测试风险，加快了载荷研制周期测试平台具有良好的兼容性、通用性和可扩展性，可以通过硬件单元增加、处理算法改进等手段不仅可以面向更多更新的机载光电载荷测试需求，也可完成天基、陆基等其他军事或民用光电系统的研制测试工作，具有广泛的应用前景与现实需求。
Claims (10)
1.一种空基光电系统多模态一体化测试平台，其特征在于，包括如下单元：
无热化设计测试单元、目标检测跟踪单元、成像图像质量评价单元、成像延迟测试单元、光电系统基础测试单元、多光谱靶标单元以及接口管控单元；其中，
所述无热化设计测试单元用于机载环境大范围温度变化下红外系统的无热化设计测试；所述目标检测跟踪单元用于跟瞄系统机载环境下对地目标的检测与跟踪测试；所述成像图像质量评价单元用于机载侦察光电系统成像质量测试与评价；所述成像延迟测试单元用于跟瞄、告警的高帧频机载中红外光电系统的成像延时测试；所述光电系统基础测试单元用于机载红外与可见成像载荷的基本性能指标测试，结果可为无热化设计与成像延迟测试提供支持；所述多光谱靶标单元用于配合其他功能单元，完成光电系统不同性能测试，为无热化单元设计单/多目标点源靶和多方向四杆靶、为成像延迟测试单元设计中波红外靶板；所述接口管控单元用于机载光电系统各单元间以及与环境控制设备的接口与数据通信。
2.如权利要求1所述的一种空基光电系统多模态一体化测试平台，其特征在于，所述接口管控单元控制接口采用CAN总线、R485总线、R432总线、RS422总线、RS429总线和1553B总线传输数据；数据接口采用Cameralink、PAL、NTSC和LVDS采集相应的图像与视频，分别将测试平台、待测载荷与环境控制设备进行互联，完成闭环自主测试。
3.如权利要求1所述的空基光电系统多模态一体化测试平台的测试方法，其特征在于，所述测试方法包括以下步骤：
步骤(1)，无热化设计测试单元采用靶标自适应模板卷积技术，在低信噪比下，完成空基载荷的温度调焦曲线自主绘制与MRTD智能测试；
步骤(2)，目标检测跟踪单元完成机载复杂环境背景相对旋转、阴影干扰、纹理缺乏、场景抖动以及小目标快速运动和遮挡情况下，特定目标的实时检测与跟踪；
步骤(3)，成像图像质量评价单元以主客观一致性为评价依据，根据实际侦察图像对空基载荷整体成像质量进行测试；
步骤(4)，成像延迟测试单元采用低热残留中红外冷光源靶板与嵌入式处理控制算法设计，测量机载成像光电系统整机从开始积分到输出有效图像之间的时间间隔；
步骤(5)，光电系统基础测试单元完成对所述机载成像光电系统基础指标计算。
4.如权利要求3所述的测试方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：
1.1温补调焦曲线自动绘制，通过制冷/非制冷红外载荷获取靶标图像信息，进行客观质量评价，反馈调焦指令给待检测产品，直至图像质量最佳，改变仪器的环境温度，软件系统能够对测试数据进行分析、拟合，绘制不同温度下的最佳调焦量的温补调焦曲线；
1.2MRTD客观评价，通过神经网络算法对四杆靶图像的可分辨度进行决策判断，调节四杆靶温度，直至达到软件判断可分辨时的最低温度，从而对最小可分辨温差MRTD进行客观评价；
1.3成像误差分析，根据获取图像，计算目标在像面的质心与形心的实际位置，从而能够对成像位置偏移进行分析与对双目标进行成像目标偏差角分析。
5.如权利要求3所述的测试方法，其特征在于，所述步骤(2)具体为：
2.1对于平移与旋转的运动背景下的目标与遮挡下的目标，首先对每一帧图像进行图像处理，然后进行目标检测及跟踪；在目标检测跟踪算法中计算每一帧图像的目标中心位置、目标角度，并预测下一帧图像的目标中心位置、目标角度；
2.2实时测出当前跟踪中心与目标中心位置数据的差值；
2.3根据目标的不同特征对目标进行分类，为每一个目标归类并建立全方位姿态模型库，支持后续扩展。
6.如权利要求3所述的测试方法，其特征在于，所述步骤(3)具体为：建立全参考/无参考图像质量评价体系，以成像质量主客观一致性为评价依据，通过对图像进行自然场景统计模型、视觉失真模型的建模，得到综合性的符合人眼视觉系统的客观评价指标。
7.如权利要求3所述的测试方法，其特征在于，所述步骤(4)具体为：
4.1当探测器处于工作状态时，利用控制记录仪产生的高精度信号控制图像源即靶板工作，并记录起始时刻t1，同时控制探测器开始成像；
4.2探测器产生的视频信号输入到控制记录仪中，对每一帧图像进行图像处理，判断并记录获得完善图像的时刻t2；
4.3计算这两个时刻的差得到探测器的成像延迟时间Δt＝t1-t2。
8.如权利要求3所述的测试方法，其特征在于，所述步骤(5)具体为：
5.1动态范围测试时，首先将黑体置于探测器窗口前，将设定黑体的温度，逐渐增加探测器的积分时间和黑体温度，系统软件通过采集卡采集探测器输出的数字图像，当信号幅度不再增大时，保存此时的信号值Vmax；降低黑体温度并相应的减少探测器的积分时间，当信号幅值不再减小为止，保存此信号值Vmin；将黑体温度设定为室温，采集探测器数字图像，计算图像RMS噪声Amin；
5.2信噪比计算时，实时计算图像所有像素平均值与所有像素的均方根；
5.3非均匀性计算时，读出图像的数字视频信号，选取校正后整个图像在所选取区域，得出灰度方差值；
5.4坏元查找时，在回调函数中连续采集10帧图像来进行计算，通过多次取均值减小图像的噪声，提高准确度。
9.如权利要求3至8任一项所述的测试方法，其特征在于，所述方法采用多种通讯接口与数据接口进行实时信息采集与交互，具体为：通讯接口采用CAN总线，R485总线，R432总线，RS422总线，RS429总线和1553B总线传输数据；数据接口采用Cameralink，PAL，NTSC和LVDS采集相应的图像与视频。
10.如权利要求3所述的测试方法，其特征在于，所述测试方法针对平台中不同的单元，设计0.4μm～14μm红外谱段与可见光谱段的单/多目标点源靶、多方向四杆靶、激光靶标与平行光管，用于点扩散函数、内方位元素、清晰度判别、MTF内容的测试。
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