基于AOTF的可見光多光譜成像系統(tǒng)測試平臺靶標(biāo)輻亮度標(biāo)定測試

高鮮妮，王小兵，豆建斌，耿順山，楊紅堅，李曉陽

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基于AOTF的可見光多光譜成像系統(tǒng)測試平臺靶標(biāo)輻亮度標(biāo)定測試

高鮮妮，王小兵，豆建斌，耿順山，楊紅堅，李曉陽

（中國華陰兵器試驗中心 制導(dǎo)武器試驗鑒定仿真技術(shù)重點實驗室，陜西 華陰 714200）

為了對多光譜成像系統(tǒng)性能進行測試評價，本文搭建了多光譜成像系統(tǒng)性能測試平臺，并對平臺的靶標(biāo)輻亮度進行了標(biāo)定測試，計算分析了輻亮度傳輸效率。最后，利用該測試平臺對一組靶標(biāo)進行了MRC測試，對該平臺進行了測試驗證。該測試平臺搭建及分析思路對紅外多光譜成像系統(tǒng)測試具有很強的指導(dǎo)與借鑒意義。

多光譜成像系統(tǒng)；測試平臺；輻亮度；AOTF

0 引言

多光譜成像系統(tǒng)就是在不同的光譜范圍內(nèi)有兩個或多個敏感通道的成像系統(tǒng)。通過同時獲得多個光譜波段的場景信息，并利用一定的信號處理算法和融合算法完成多通道圖像信息的相互補充，實現(xiàn)對復(fù)雜背景的抑制，從而顯著降低虛警率，提高系統(tǒng)的目標(biāo)獲?。ㄌ綔y、識別和辨認）性能和抗干擾性能[1]。多光譜成像技術(shù)使系統(tǒng)獲取兩維空間信息加光譜維信息的多維圖像，提高了系統(tǒng)實現(xiàn)目標(biāo)獲取任務(wù)的準(zhǔn)確性，但另一方面，多光譜成像系統(tǒng)實現(xiàn)方法多樣、系統(tǒng)集成復(fù)雜[1-2]，如何對系統(tǒng)性能進行準(zhǔn)確描述、測試與評價，為系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計、改進與使用提供指導(dǎo)，是值得關(guān)注的問題。

目前，國內(nèi)關(guān)于成像系統(tǒng)性能的測試與考核，主要側(cè)重于單一寬波段成像系統(tǒng)的物理建型及性能評價。因此，搭建多光譜成像系統(tǒng)性能測試平臺，分析測試平臺的靶標(biāo)輻照度誤差傳遞特性及規(guī)律，建立測試系統(tǒng)全鏈路輻照度誤差傳遞模型及不確定度分析模型，保證輻照度量值傳遞準(zhǔn)確性和可比性，為多光譜成像系統(tǒng)性能的定量表征、測量以及探測識別目標(biāo)戰(zhàn)術(shù)性能客觀、定量評價等提供數(shù)據(jù)理論和技術(shù)基礎(chǔ)具有重要的意義。本文從基于AOTF的可見光多光譜成像系統(tǒng)性能測試平臺的光路傳遞過程入手，對測試平臺的靶標(biāo)輻亮度進行了標(biāo)定測試，并計算分析輻亮度的傳輸效率，為系統(tǒng)性能測試驗證提供客觀、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

1 光路傳遞原理

AOTF（Acousto-optic tunable filter, 簡稱AOTF）是一種基于各向異性晶體在聲光相互作用下的布拉格衍射效應(yīng)制成的聲光可調(diào)諧濾光器，通過改變施加的射頻（RF）信號頻率，從而對入射寬波段光源進行衍射，得到特定波長的單色光[3-5]，如圖1所示。本文基于AOTF設(shè)計的靜態(tài)性能測試平臺主要包括：標(biāo)準(zhǔn)光源、光電調(diào)制器、靶標(biāo)、平行光管及控制系統(tǒng)等組成。標(biāo)準(zhǔn)光源提供多光譜成像系統(tǒng)測試需要的光源，輻射強度和光亮度可調(diào)。AOTF實現(xiàn)光譜的細分，模擬目標(biāo)的窄帶光譜反射特性。靶標(biāo)提供四桿靶、三角靶等標(biāo)準(zhǔn)靶標(biāo)。平行光管起到準(zhǔn)直光路作用，使靶標(biāo)成像于無窮遠，保證測試精度。該測試平臺通過調(diào)整積分球光源亮度模擬不同光譜反射率差值系數(shù)，調(diào)整AOTF調(diào)制幅度及調(diào)制波長，實現(xiàn)對不同波長下的可見光多光譜成像系統(tǒng)最小可分辨對比度（MRC）的測試。

圖1 非線性AOTF工作原理

搭建的測試平臺光路如圖2所示，積分球光源經(jīng)500mm準(zhǔn)直光管準(zhǔn)直，再經(jīng)AOTF調(diào)制選擇窄波段光照射靶標(biāo)，進入2546.1mm離軸平行光管，形成不同波段的靶標(biāo)圖像。假設(shè)光全部透過四桿靶標(biāo)，整個鏈路中不考慮光在大氣傳輸及其他的損耗，根據(jù)光路傳遞過程可得到：

總＝光源×1×AOTF×2(1)

式中：總為光路最終輸出的輻亮度；光源為光源輸出的輻亮度；1、1為500mm平行光管輸出的的輻亮度及傳輸效率，1＝1/光源；AOTFAOTF為AOTF調(diào)制后輻亮度及傳輸效率，AOTF＝AOTF/1；2、2為2546.1mm平行光管的輻亮度及傳輸效率，2＝2/光源。

圖2 測試平臺光路圖

2 可見光多光譜成像系統(tǒng)測試平臺輻亮度標(biāo)定測試

按照測試平臺光路傳遞過程，將積分球光源、500mm平行光管、AOTF（型號為TEAFI10-0.4-1.0S -MSD，波長調(diào)整范圍為0.4～1.0mm）、靶標(biāo)、2546.1mm平行光管部件搭建測試平臺，采用PR-670型亮度色度計對平臺主要測試部件進行了輻亮度測試。

圖3～圖6為積分球自身、積分球光源通過500mm平行光管及經(jīng)AOTF調(diào)制后與積分球光源通過2546.1mm平行光管后在不同積分球亮度下的亮度色度計測出的數(shù)據(jù)擬合曲面?？梢钥闯?，隨著積分球光源亮度逐漸增大，光路各個環(huán)節(jié)的輻亮度增大；在620nm與660nm附近輸出輻亮度峰值，這點與平臺所選的積分球光源有關(guān)；積分球光源通過2546.1mm平行光管后的輸出輻亮度高于通過500mm平行光管后輻亮度值，這是由于2546.1mm平行光管的入射口徑大，光源利用率高造成的；經(jīng)AOTF調(diào)制分光，在620nm與660nm附近輸出輻亮度峰值約為0.015 W/(sr×m2)。

圖3 積分球光源自身輻亮度輸出

圖4 積分球光源通過500mm平行光管后輻亮度輸出

圖5 積分球光源通過2546.1mm平行光管后輻亮度輸出

圖6 積分球光源通過500mm平行光管及AOTF調(diào)制后輻亮度輸出

積分球光源亮度選取典型值6852cd/m2，AOTF調(diào)制幅度設(shè)置為100%，輸出峰值波長分別從538nm到718nm改變，測試光路各個主要環(huán)節(jié)的輻亮度變化，測試結(jié)果如表1、圖7所示。

從表1可看出，亮度色度計測試的積分球光源輸出輻亮度峰值在波長656nm處，峰值為0.1536 W/(sr×m2)。在圖7中，積分球光源自身及分別通過500mm平行光管、AOTF調(diào)制和2546.1mm平行光管后，光路輻亮度傳遞效率逐漸減小。測試光路各主要環(huán)節(jié)的輻亮度傳遞效率計算結(jié)果如表2所示。將表1、表2中的數(shù)據(jù)帶入公式(1)，可計算出測試平臺最終輻亮度，同時，測試平臺整個光路輻亮度傳遞效率約為3.8%：

總＝光源×光源×1×AOTF×2＝

0.1536×0.6×0.07×0.91＝0.0059(W/(sr×m2)) (2)

為了驗證該測試平臺中AOTF的調(diào)制分光效果，將積分球光源設(shè)置到13088cd/m2，AOTF調(diào)制幅度為100%不變，輸出峰值波長從550～768nm之間變化，將積分球光源亮度值代入到光源自身與波長的擬合函數(shù)中，得到不同波長下輸出的輻亮度擬合值。并亮度色度計測試搭建的可見光多光譜測試平臺最終輸出的輻亮度值，將積分球光源輻亮度輸出值與平臺最終測試值比較，并利用Matlab進行擬合。其擬合曲線函數(shù)為：

表1 測試平臺光路各環(huán)節(jié)的輻亮度（積分球光源亮度為6852cd/m2）

圖7 光路傳遞各環(huán)節(jié)輻亮度變化

Fig.7 Changes of radiance in each link of optical path transmission

＝/(＋)＋(3)

式中：＝2038.9，＝－545.2536，＝2.5423。

積分球光源為13088cd/m2時，輻亮度峰值波長為618nm，峰值為0.2671 W/(sr×m2)，按照公式(1)計算：

總＝光源×光源×1×AOTF×2＝0.2671×0.6×

0.07×0.91＝0.0102(W/(sr×m2)) (4)

計算值0.0102 W/sr/m2與亮度色度計在618nm處的測試值0.01016565 W/(sr×m2)相吻合。

同時，從表3及圖8可看出，積分球光源輻亮度輸出值、測試平臺最終輻亮度輸出測試值均在618～690nm之間較大，隨之減小。兩者比值和波長是反比例函數(shù)關(guān)系，隨著波長增大，比值減小。采用該測試平臺進行可見光多光譜成像系統(tǒng)靜態(tài)性能測試時，其在618～690nm分光效果最好，與光源自身測試效果一致。

3 應(yīng)用舉例

將測試平臺中的AOTF調(diào)制頻率為105MHz，調(diào)制幅度由10%～l00%變化，控制靶標(biāo)輪轉(zhuǎn)到空間頻率為2.64cy/mrad的四桿靶測試圖案處。觀察在AOTF固定調(diào)制頻率、不同調(diào)制幅度下，輸出靶標(biāo)輻亮度變化特性，并觀察靶標(biāo)的圖像變換情況，最終測出該靶標(biāo)空間頻率下的MRC。

由圖9～圖10可以看出，頻率一定時，峰值波長在654nm，隨著AOTF調(diào)制幅度的減小，圖像變暗，輸出靶標(biāo)輻亮度減小，其值由3.5×10－3W/(sr×m2)減小到約2.5×10－4W/sr/m2。測試時背景光譜輻亮度約為1.64W/(sr×m2)，故在AOTF波長為654nm、調(diào)制幅度10%下，2.64cy/mrad空間頻率靶標(biāo)的MRC約為52%。

4 結(jié)論

本文針對搭建的基于AOTF可見光多光譜成像系統(tǒng)測試平臺，在實驗室分別對平臺中光源、500mm平行光管、AOTF調(diào)制后及2546.1mm平行光管輸出的輻亮度進行了標(biāo)定測試，并計算得到各傳輸環(huán)節(jié)的傳輸效率，同時對整個測試平臺進行測試比對分析，AOTF調(diào)制后的數(shù)據(jù)與光源趨勢一致。最后，利用本文搭建的測試平臺對一組靶標(biāo)進行了MRC測試。從本文的分析可以得出：

1）多光譜成像系統(tǒng)與傳統(tǒng)寬波段成像系統(tǒng)在性能測試平臺搭建上存在較大差異；

表2 測試平臺光路各環(huán)節(jié)的輻亮度傳遞效率（積分球光源亮度為6852cd/m2）

表3 積分球光源為13088cd/m2時輻亮度輸出

2）測試平臺中加入AOTF，將光譜維引入到系統(tǒng)性能測試中；

3）通過整個測試光路傳輸鏈路的分析，為建立測試系統(tǒng)全鏈路MRC不確定度分析模型提供各環(huán)節(jié)的擬合與測試數(shù)據(jù)，保證輻照度量值傳遞準(zhǔn)確性和可比性；

4）對紅外多光譜成像系統(tǒng)進行性能測試與評價時，同樣可借鑒本文的分析，調(diào)整改變本文測試平臺中的測試部件為黑體、紅外AOTF、紅外靶標(biāo)及平行光管。

圖8 積分球光源/測試平臺最終輸出與波長的關(guān)系

Fig.8 Relationship between the ratio of final output and wavelength

圖9 AOTF頻率固定時，光源輸出輻亮度變化

圖10 AOTF頻率固定，靶標(biāo)圖像隨調(diào)制幅度增大的變化

[1] 劉鑫. 光譜紅外成像系統(tǒng)性能表征方法研究[D]. 西安: 西安電子科技大學(xué), 2012.

LIU Xin. Research on the Methods of Multispectral Infrared Imaging System Performance Characterization[D]. Xi’an: Xidian University, 2012.

[2] 黃士科, 張?zhí)煨? 李麗娟, 等. 空空導(dǎo)彈多光譜紅外成像制導(dǎo)技術(shù)研究[J]. 紅外與激光工程, 2006, 35(1): 16-20.

HUANG Shike, ZHANG Tianxu, LI Lijuan, et al. IR guiding technology based on multispectral imaging for air missile[J]., 2006, 35(1): 16-20.

[3] 張輝. 基于AOTF技術(shù)的近紅外光譜分析系統(tǒng)的研制[D]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院, 2005.

ZHANG Hui. Research and Development of NIR Spectrometers Based on AOTF Technology[D]. Beijing: Chinese Agricultural Mechanization Sciences, 2005.

[4] 張國錚. 聲光可調(diào)諧濾光器驅(qū)動及光路設(shè)計[D]. 長春: 長春理工大學(xué), 2013.

ZHANG Guozheng. The Driving and Optical Design of Acousto-optic Tunable Filter[D]. Changchun: Changchun University of Science and Technology, 2013.

[5] 高志帆, 張紅平, 吳瓊水, 等. AOTF高光譜成像系統(tǒng)的標(biāo)定及性能測試[J]. 光子學(xué)報, 2015, 44(7): 711001-1-0711001-7.

GAO Zhifan, ZHANG Hongping, WU Qiongshui, et al. Calibration and characterization of an AOTF-based hyperspectral imaging system[J]., 2015, 44(7): 711001-1-0711001-1.

Calibration and Test of Radiance for an AOTF-based Visible Multi-spectral Imaging System

GAO Xianni，WANG Xiaobing，DOU Jianbin，GENG Shunshan，YANG Hongjian，LI Xiaoyang

(China HuaYin Ordnance Test Center, Key Lab of Guided Weapons Test and Evaluation Simulation Technology, Huayin 714200, China)

In order to test and evaluate the performance of multi-spectral imaging system, this research built themulti-spectral imaging systemtest platform.The each link output radiance of the visible light multi-spectral imaging systemtest platform based on AOTF is analyzed, and it’s calculated the output radiance transmissible efficiency. The platform has been tested and verified, when the MRC is tested in this test platform. The building method and analysis of this test platform maybe has reference meaning for infrared multi-spectral imaging system test.

multi-spectral imaging system testing，testing platform，radiance，AOTF

TN219

A

1001-8891(2017)07-0610-05

2016-05-09；

2016-08-16.

高鮮妮（1982-），女，陜西禮泉人，碩士，工程師，研究方向為制導(dǎo)武器仿真鑒定。E-mail：xianni0201@163.com。