电视观瞄系统动态最小可分辨对比度测试装置及方法

摘要

本发明提出了一种电视观瞄系统动态最小可分辨对比度测试装置及方法。通过控制光源进入积分球的光线锥角实现光源系统输出光强的自动连续可调，克服了由调节电压和光学器件方法带来的目标光学对比度变化范围不能精密连续可调的缺点。采用分立式准直系统，根据被测相机焦距大小匹配离轴抛物面镜，克服集成准直透镜不可更换，匹配性差的缺点。通过将被测系统放置于准直光学系统之中，模拟无穷远低对比度目标，结合动态模拟台产生单轴转动或精密振动，模拟各种运动状态，实现在实验室内电视观瞄系统进行动态最小可分辨对比度测量。当动态模拟台不动时，本发明兼具静态MRC测量功能，方便动态MRC和静态MRC测量结果对比，定量分析由于运动引入的成像质量下降的程度。

说明书

技术领域

本发明涉及光学计量与测量领域，具体为一种电视观瞄系统动态最小可分辨对比度测试装置及方法。

背景技术

电视观瞄系统主要用于对目标的搜索、探测、识别和瞄准等功能。其性能的优劣是决定光电成像系统作用距离和打击精度的关键所在，因此，必须对电视观瞄系统的成像性能进行准确的测量和评估。

最小可分辨对比度(MRC-Minimum Resolvable Contrast)可定量地给出电视观瞄系统能够分辨的阈值对比度，它综合了系统灵敏度和噪声、目标空间频率以及人眼视觉特性等因素，能全面地反映光电成像系统的极限性能。因此，MRC是评价成像系统成像性能的一项重要指标。

针对MRC的测量，中国专利ZL 201410353411.9公布了一种针对近红外摄像机的最小可分辨对比度测试系统。该测试系统采用单积分球作为目标光源，通过稳流源和光阑实现目标对比度的调节。该装置的不足之处是背景亮度未受控，难以模拟实际实用情况下目标和背景可变的实际情况，而且测试系统系统适用性范围较小，不能满足电视观瞄系统、微光相机等装置的测试需求。

在计量学报2006年第27卷第1期，P32-35中，李文娟等人采用重叠积分球法研制了便携式可调对比度目标源靶标发生器装置。该装置主要由背景积分球、目标积分球和分光系统组成，采用一个光源，通过分光的方式给每个积分球提供照明。该装置利用外接可调变阻器，通过改变电压值，使积分球的光源亮度可以在0.3～200cd/m²范围内变化。该装置的不足之处主要体现在：

(1)由于采用调节光源电压和光学器件(如衰减片)的方法来实现目标光学对比度可调，所以目标源的色温稳定性缺少有效的保证，并且目标光学对比度的变化范围不能精密连续可调。

(2)由于准直透镜集成于背景积分球之上，只有当被测相机与准直透镜焦距满足合适的放大率匹配关系时，在监视器上才能接收到比例大小适当的测试图像，如果被测相机焦距不满足条件，则该测试装置就必须重新设计加工，费时费力。

(3)该装置在设计过程只考虑了静态条件下的MRC的测量方式。在实际应用中，目标大多处于运动状态，其电视观瞄系统对动态目标的测量占主导地位，以上报道的测试系统均不能反映电视观瞄系统对动态目标的测试能力。

为了解决以上问题，且随着电视观瞄系统的跟踪和瞄准精度的不断提高，迫切需要研制一种新的电视观瞄系统动态最小可分辨对比度测量装置及方法，提高电视观瞄系统实际应用情况下成像质量评价的准确性。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种电视观瞄系统动态最小可分辨对比度测试装置及方法。

本发明的技术方案为：

所述一种电视观瞄系统动态最小可分辨对比度测试装置，其特征在于：包括目标积分球(1)、目标光源系统(2)、目标监视照度计(3)、靶标转轮(4)、背景积分球(5)、背景光源系统(6)、背景监视照度计(7)、滤光片组(8)、准直光学系统、动态模拟台(12)、监视器(13)；

所述目标积分球(1)的输出光强连续可调，目标监视照度计(3)位于目标积分球(1)的侧壁，能够对目标积分球(1)的照度实时监视和反馈；

所述背景积分球(5)的输出光强连续可调，背景监视照度计(7)位于背景积分球(5)的侧壁，能够对背景积分球(5)的照度实时监视和反馈；

所述靶标转轮(4)位于目标积分球(1)和背景积分球(5)之间，由目标积分球(1)照亮之后，靶标图像进入背景积分球(5)，生成所需要的对比度目标；所述靶标转轮(4)由多组黑白相间、线宽相等、空间频率不同、尺寸不同的靶标组成，根据测试需求选择相应频率的靶标旋转至目标积分球(1)和背景积分球(5)之间的通光位置；

所述背景积分球(5)的出口位置位于准直光学系统的焦面位置处；

所述滤光片组(8)位于背景积分球(5)的出口位置；

所述动态模拟台(12)用于固定被测电视观瞄系统(11)，能够模拟出电视观瞄系统转动或振动的应用状态；

所述监视器(13)与被测电视观瞄系统(11)连接，被测的电视观瞄系统(11)接收准直光学系统输出的平行光，将目标图像输出到监视器(13)上，由人眼或计算机软件判别出最小可分辨对比度。

进一步的优选方案，所述一种电视观瞄系统动态最小可分辨对比度测试装置，其特征在于：准直光学系统由平面反射镜(9)、离轴抛物面反射镜(10)组成；所述背景积分球(5)的出口位置位于离轴抛物面反射镜(10)的焦面位置处。

进一步的优选方案，所述一种电视观瞄系统动态最小可分辨对比度测试装置，其特征在于：所述目标光源系统(2)与背景光源系统(6)结构相同，均由风扇、反射聚光镜、光源、步进电机、导轨、伸缩筒组成；通过步进电机控制伸缩筒前后移动，控制光源进入积分球的光线锥角，实现积分球输出照度的连续可调。

进一步的优选方案，所述一种电视观瞄系统动态最小可分辨对比度测试装置，其特征在于：目标光源系统(2)以及背景光源系统(6)中的光源的色温、色坐标经过校准检定，通过精密稳压稳流电源控制确保输出的光谱功率分布及色温输出稳定。

进一步的优选方案，所述一种电视观瞄系统动态最小可分辨对比度测试装置，其特征在于：被测电视观瞄系统(11)放置于准直光路中，根据被测电视观瞄系统的焦距，匹配相应焦距的准直光学系统，能够在监视器上得到要求倍率的观测图像。

进一步的优选方案，所述一种电视观瞄系统动态最小可分辨对比度测试装置，其特征在于：动态模拟台(12)能够实现单轴转动或精密振动，实现模拟匀速运动、运加速运动、简谐运动、振动的运动状态。

采用上述装置进行电视观瞄系统动态最小可分辨对比度测试的方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步，初始化被测电视观瞄系统(11)的工作参数；

第二步，根据指令，采集被测电视观瞄系统(11)的背景图像F_b，并存入存储器中；

第三步，根据指令，设置目标光源系统(2)的亮度为L_t，背景光源系统(6)的亮度为L_b，使其工作在被测电视观瞄系统(11)的工作范围之内；并旋转靶标转轮(4)，选择相应的被测靶标旋转至通光位置；

第四步，采集被测电视观瞄系统(11)在静态下的对比度图像F_s，从存储器中调用背景图像F_b，将静态下的对比度图像F_s按照像素对应的方式扣减背景图像F_b各像素点的灰度值，得到测试图像F_s’，同时在监视器(13)上显示该图像；

通过监视器(13)分辨条带目标图案，记录能够分辨出的最细条带目标图案对应靶线单元的序号(i，j)；查表查出序号(i，j)的靶线单元线条宽度，由下式计算对应的空间频率f，单位为线对每毫米(lp/mm)：

f(lp/mm)＝2^i+(j-1)/6

式中，i和j分别为靶标对应的组数和单元数；

第五步，根据第四步选择的靶线单元序号选择图像处理的工作区域，将该工作区域的测试图像F₁及灰度矩阵存入存储器中；对灰度矩阵中的灰度值进行排序，找出其中的最大值L_max和最小值L_min，依据以下公式计算出在空间频率f和场景平均亮度L_m＝(L_b+L_t)/2下的最小可分辨对比度MRC：

第六步，根据需要设置动态模拟台(13)的动态参数，采集被测电视观瞄系统(11)在动态下的对比度图像F₂并存入存储器中；

第七步，以F₁图像灰度矩阵作为模板，以逐行逐像素的方式遍历整个动态图像F₂中，并通过下式计算两者之间的互相关系数：

式中，M和N分别F₁图像模板在动态图像F₂中遍历的行数和列数，F₁(x_i，y_j)对应F₁图像模板中(x_i，y_j)位置的灰度值，F₂(x_i，y_j)对应F₂图像中(x_i，y_j)位置的灰度值，和分别为模板F₁图像和F₂图像中像素灰度的平均值；

第八步，找出互相关系数中的最大值ρ_max及其相应的序号(i’，j’)，根据匹配单元序号(i’，j’)选择图像处理区域，将该处理区域的测试图像F₃及其灰度存入存储器中，对其灰度矩阵中的灰度值进行排序，找出最大值L’_max和最小值L’_min，根据下式计算动态条件下的最小可分辨对比度。

第九步，在被测电视观瞄系统(11)的工作范围之内改变目标光源系统(2)及背景光源系统(6)的亮度，重复第三步到第八步，得到不同场景平均亮度下的一系列MRC值。

有益效果

本发明的整体技术效果体现在以下几个方面：

(一)本发明采用一种程控式伸缩光源技术，通过控制光源进入积分球的光线锥角实现光源系统输出光强的自动连续可调，该方法克服了由调节电压和光学器件(如衰减片)的方法所带来的目标光学对比度的变化范围不能精密连续可调的缺点。

(二)本发明分采用分立式准直系统，可以根据被测相机焦距大小匹配不同焦距的离轴抛物面镜，更换方便，适用范围广，克服了集成准直透镜不可更换，匹配性较差的缺点。

(三)本发明通过将被测电视观瞄系统放置于准直光学系统之中，可以模拟无穷远的低对比度目标，结合动态模拟台产生单轴转动或精密振动，从而模拟匀速运动、运加速运动、简谐运动、振动等各种运动状态，实现了在实验室内电视观瞄系统进行动态最小可分辨对比度测量。

(四)当动态模拟台不动时，本发明所涉及的测量装置就兼具了静态MRC的测量功能，可以方便科研人员对动态MRC和静态MRC的测量结果进行对比，从而定量的分析由于运动引入的成像质量下降的程度。

附图说明

图1是本发明动态最小可分辨对比度测试装置构成示意图。

图2是本发明动态最小可分辨对比度测试装置的目标照明光源系统组成示意图。

图3是本发明动态最小可分辨对比度测试装置的常用的USAF1951测试靶标示意图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步详述。

如图1所示，本实施例中的动态最小可分辨对比度测试装置包括目标积分球(1)、目标光源系统(2)、目标监视照度计(3)、靶标转轮(4)、背景积分球(5)、背景光源系统(6)、背景监视照度计(7)、滤光片组(8)、平面反射镜(9)、离轴抛物面反射镜(10)、动态模拟台(12)、监视器(13)。

所述目标积分球(1)和背景积分球(5)是形成漫反射光源的关键，它们由两个内壁涂以白色漫反射层的半球壳组成，本发明中的积分球的相关参数由照度漫射计算公式确定，目标积分球直径120mm，背景积分球直径为500mm，有效通光孔径50mm，在本优选实施例中，目标积分球(3)和背景积分球(5)的出口处照度均匀性可达到5％，局部均匀性可达到2％，从而有效降低了由于光源的时间和空间不稳定或不均匀而导致的MRC处理误差。

所述目标光源系统(2)由风扇(2-1)、反射聚光镜(2-2)、光源(2-3)、步进电机(2-4)、导轨(2-5)、伸缩筒(2-6)组成。通过步进电机控制伸缩筒前后移动，控制光源进入积分球的光线锥角，实现目标积分球(1)输出照度的连续可调；背景光源系统(6)的结构和功能与目标光源系统(2)相同。在本实施例中，风扇(2-1)一般选用12V直流供电，转数为700至1400+15％RPM；反射聚光镜(2-2)面形为为抛物面，表面镀高反射膜；光源选用100W的卤钨灯，光谱范围：380-1080nm；步进电机型号为LMA-TR-200-G10，行程为200mm，其重复定位精度小于3μm。

所述靶标转轮(4)位于目标积分球(1)和背景积分球(5)之间，由目标积分球(1)照亮之后，进入背景积分球(5)，生成所需要的对比度目标；在本优选实施例中，靶标选用USAF1951分辨力靶，其上带有6组靶线单元，即在靶面上形成的等宽度和等间距的亮暗条纹，每组靶线单元均由等长的三条水平靶线和三条垂直靶线构成，靶线的长度是靶线宽度的五倍，靶线宽度和相邻靶线间隔相等，水平靶线和垂直靶线的间距为靶线宽度的两倍，从最大一组靶线单元起，每两组尺寸接近的靶线单元均按的比例缩小。

所述平面反射镜(9)和所述离轴抛物面反射镜(10)组成准直光学系统，滤光片组(8)处于离轴抛物面反射镜(10)的焦点位置。在本实施例中，离轴抛物面反射镜(10)的口径为210mm，焦距为2000mm。滤光片组(1-4)由两片组成，第一滤光片为窄带滤光片，中心波长为546nm，半带宽10nm；第二滤光片为带通滤光片，光谱范围为400nm～780nm，带宽为380nm。

所述动态模拟台(12)用于固定被测电视观瞄系统(11)，模拟出电视观瞄系统转动或振动的应用状态。在本优选实施例中，选用J-21036振动台，振动台的振动频率：2-100Hz；振动幅值：0.01～5°；方向：横摇方向；目标；运动状态：匀速运动、运加速运动、简谐运动、振动等各种不同的运动状态。

所述监视器(13)与被测电视观瞄系统(11)连接，被测的电视观瞄系统(11)接收准直光学系统输出的平行光，将目标图像输出到监视器(13)上，由人眼或计算机软件判别出最小可分辨对比度。

所述电视观瞄系统动态最小可分辨对比度测试装置实现MRC的测量方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

第一步，初始化所述被测电视观瞄系统(11)的工作参数；

第二步，根据键盘指令，采集所述被测电视观瞄系统(11)的背景图像F_b，并存入存储器中；

第三步，根据键盘指令，设置目标光源系统(2)的亮度为L_t，背景光源系统(6)的亮度为L_b，，使之工作在被测电视观瞄系统(11)的工作范围之内；并旋转靶标转轮(4)，选择适当的被测靶标旋转至通光位置；

第四步，采集被测电视观瞄系统(11)在静态下的对比度图像F_s，从存储器中调用背景图像F_b，将静态下的对比度图像F_s按照像素对应的方式扣减背景图像F_b各像素点的灰度值，得到测试图像F_s’，同时在监视器(13)上显示该图像。观察者通过监视器(13)恰好能分辨(50％概率)出条带目标图案时，记录相应匹配靶线单元的序号(i，j)；根据观察者读出的(i，j)，通过查表查出线条的宽度，由下式计算对应的空间频率f，单位为线对每毫米(lp/mm).

f(lp/mm)＝2^i+(j-1)/6>

式中，i和j分别为靶标对应的组数和单元数。

第五步，根据观察者选择的匹配靶线单元序号选择图像处理的工作区域，将该工作区域的测试图像F₁及灰度矩阵存入存储器其中。对灰度矩阵中的灰度值进行排序，找出其中的最大值L_max和最小值L_min，依据以下公式计算出在空间频率f和场景平均亮度L_m＝(L_b+L_t)/2下的最小可分辨对比度MRC。

第六步，根据需要，设置动态模拟台(13)的动态参数，采集被测电视观瞄系统(11)在动态下的对比度图像F₂并存入存储器中；

第七步，以F₁图像灰度矩阵作为模板，以逐行逐像素的方式遍历整个动态图像F₂中，并通过下式计算两者之间的互相关系数：

式中，M和N分别F₁图像模板在动态图像F₂中遍历的行数和列数，F₁(x_i，y_j)对应F₁图像模板中(x_i，y_j)位置的灰度值，F₂(x_i，y_j)对应F₂图像中(x_i，y_j)位置的灰度值，和分别为模板F₁图像和F₂图像中像素灰度的平均值；

第八步，找出互相关系数中的最大值ρ_max及其相应匹配靶线单元的序号(i’，j’)，根据匹配单元序号(i’，j’)选择图像处理区域，将该处理区域的测试图像F₃及其灰度存入存储器中，对其灰度矩阵中的灰度值进行排序，找出最大值L’_max和最小值L’_min，根据公式(4)计算动态条件下的最小可分辨对比度。

第九步，在被测电视观瞄系统(11)的工作范围之内改变目标光源系统(2)及背景光源系统(6)的亮度，重复第三步到第八步，得到不同场景平均亮度下的一系列MRC值。继而利用该一系列MRC值可以为电视观瞄系统的作用距离预估提供支撑。