微光和紅外融合裝備分辨力測(cè)試方法研究

荊衛(wèi)國，孫明昭，王佳笑，王紅培

(中國華陰兵器試驗(yàn)中心，陜西 華陰 714200)

引言

微光與紅外圖像融合是近年發(fā)展起來的新技術(shù)，它將分別來自微光和紅外通道的圖像經(jīng)過圖像預(yù)處理、圖像配準(zhǔn)，并加入圖像融合算法，從而產(chǎn)生的能夠在同一幅圖像中既包含微光特征信息又包含紅外特征信息的新的信息圖像。因此，融合圖像中包含更多的圖像信息是不容置疑的，在戰(zhàn)場(chǎng)上對(duì)識(shí)別偽裝和隱身，提高裝備的抗干擾能力具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，這正是融合圖像在軍事上使用的真正價(jià)值所在[1-15]。

融合圖像作為光電裝備的一種新的信息載體形式，其圖像質(zhì)量不僅受到微光分辨力和紅外MRTD的限制，而且與圖像融合過程中的圖像預(yù)處理、圖像配準(zhǔn)和融合算法方案以及這些算法中的參數(shù)選擇等多種因素有關(guān)。不好的算法方案和不合適的參數(shù)選擇必然會(huì)導(dǎo)致融合圖像質(zhì)量的明顯下降。因此，融合圖像分辨力作為評(píng)價(jià)圖像質(zhì)量的重要手段，其測(cè)試方法對(duì)優(yōu)化融合算法、提高融合圖像質(zhì)量至關(guān)重要。

1 微光分辨力和紅外MRTD測(cè)試系統(tǒng)分析

1.1 微光分辨力測(cè)試系統(tǒng)

在以往的光電裝備分辨力測(cè)試中，由于微光和紅外的成像波段不同，分辨力是針對(duì)不同的目標(biāo)源和光學(xué)系統(tǒng)分別進(jìn)行測(cè)試的。微光分辨力測(cè)試用帶有鎢絲燈(色溫?zé)?照明的分劃板作為目標(biāo)，測(cè)試光路有兩種，一種是通過透射式準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)將靶板成像在無窮遠(yuǎn)處進(jìn)行分辨力測(cè)試。如圖1所示。另一種是通過反射式準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)利用靶板的反射進(jìn)行分辨力測(cè)試。如圖2所示。

圖1 微光分辨力測(cè)試系統(tǒng)(透射式)示意圖Fig.1 Schematic diagram of LLL resolution test system (transmission type)

圖2 微光分辨力測(cè)試系統(tǒng)(反射式)示意圖Fig.2 Schematic diagram of LLL resolution system (reflection type)

1.2 紅外MRTD測(cè)試系統(tǒng)

紅外分辨力測(cè)試用帶有黑體加熱的紅外靶板作為目標(biāo)，通過對(duì)目標(biāo)靶上四桿靶溫差的控制，以離軸拋物面反射鏡作為準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行MRTD測(cè)試。如圖3所示。

圖3 紅外MRTD測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of infrared MRTD test system

1.3 微光分辨力測(cè)試原理[16]

為了能在距離較短的暗室內(nèi)進(jìn)行分辨力測(cè)試，可將分辨力靶板放在長(zhǎng)焦距準(zhǔn)直物鏡的焦平面上。夜視儀通過準(zhǔn)直物鏡觀察靶板，相當(dāng)于觀察無窮遠(yuǎn)處的靶板。此時(shí)夜視儀分辨力由下式算得：

(1)

式中：f′為準(zhǔn)直物鏡的焦距(m)；d為分辨力測(cè)試靶板某單元線條的寬度(mm)。

以WFY-1型微光分辨力測(cè)試系統(tǒng)為例，主要組成包括標(biāo)準(zhǔn)反射式分辨力靶板、長(zhǎng)焦距(焦距為8.472 m，孔徑為250 mm)準(zhǔn)直物鏡及導(dǎo)軌、積分球式可調(diào)照度光源、以及電源和支架等。

1.4 紅外MRTD測(cè)試原理[17]

紅外MRTD測(cè)試靶板如圖4所示，按照一定規(guī)律分布的不同空間頻率的4條桿靶分別刻畫在不同的靶板上，4條桿長(zhǎng)寬比為7∶1，條桿部分用輻射率接近100%的材料涂覆，4條桿中的“桿”與“空隙”之間間隔一致；測(cè)試時(shí)，黑體產(chǎn)生的熱輻射透過4條桿靶的“空隙”，在“桿”與“空隙”之間形成一定溫差。

圖4 紅外MRTD測(cè)試靶板圖案Fig.4 Diagram of MRTD test target board

試驗(yàn)時(shí)，采用一組不同空間頻率的MRTD測(cè)試靶板進(jìn)行試驗(yàn)。將被試品透過準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)觀察不同空間頻率MRTD靶標(biāo)，記錄當(dāng)觀察到每一黑白桿面積為全面積75%時(shí)的溫差ΔT1、ΔT2和相應(yīng)的空間頻率。

MRTD測(cè)試結(jié)果處理的表達(dá)式如下：

MRTD=Φ×|ΔT2-ΔT1|/2

(4)

式中：Φ為儀器常數(shù)；ΔT1為被試品在正溫差時(shí)人眼能分辨出靶標(biāo)75%面積時(shí)的溫差(K)；ΔT2為被試品在負(fù)溫差時(shí)人眼能分辨出靶標(biāo)75%面積時(shí)的溫差(K)。

2 微光和紅外融合圖像分辨力測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)想

2.1 測(cè)試光路和光源要求

在融合圖像分辨力測(cè)試中，反映融合圖像成像效果的目標(biāo)源不再是單一波段的光源和目標(biāo)靶板，而是同時(shí)能提供目標(biāo)亮度特征和熱特征的復(fù)合光源和目標(biāo)靶板，準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)也要求在同一條光路中同時(shí)對(duì)微光和紅外實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直。因此，需要在傳統(tǒng)的分辨力測(cè)試設(shè)備的基礎(chǔ)上對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行一定改造才能實(shí)現(xiàn)融合圖像分辨力的測(cè)試。

2.2 融合圖像分辨力測(cè)試的構(gòu)想

測(cè)試光路的基本構(gòu)想是：離軸拋物鏡作為準(zhǔn)直物鏡，微光靶標(biāo)和紅外靶標(biāo)均在準(zhǔn)直物鏡的焦平面上，由分光鏡合像，形成重合的無窮遠(yuǎn)目標(biāo)。微光光源為微光靶標(biāo)提供可調(diào)照度，黑體為紅外靶標(biāo)提供精確溫差，被試品在準(zhǔn)直物鏡光軸上，通過觀察無窮遠(yuǎn)目標(biāo)，測(cè)試融合夜視系統(tǒng)的分辨力。

一是，養(yǎng)殖草雞需要較大的放養(yǎng)場(chǎng)地，慈王村擁有豐富的土地資源，村民荒地較多，雞舍環(huán)境干凈優(yōu)越。得天獨(dú)厚的自然條件極其適宜草雞養(yǎng)殖。二是，草雞優(yōu)良的保健價(jià)值日益得到市場(chǎng)的青睞。三是，慈王村領(lǐng)導(dǎo)干部對(duì)草雞散養(yǎng)技術(shù)、環(huán)境調(diào)控與疾病防疫有一定的研究。四是，慈王村地理位置優(yōu)越，茶園、農(nóng)家樂數(shù)量居多，當(dāng)?shù)厍逭媸称贰氨床蓦u”遠(yuǎn)近聞名，草雞市場(chǎng)供不應(yīng)求，銷售優(yōu)勢(shì)明顯。

2.2.1 測(cè)試光路和系統(tǒng)組成

對(duì)于融合系統(tǒng)的分辨力靶板，可利用離軸拋物面反射光路將微光和紅外兩部分光源和靶面整合到同一條光路中，實(shí)現(xiàn)同一個(gè)靶板上同時(shí)體現(xiàn)亮度特征和熱輻射特征。

基本測(cè)試光路如圖5所示，測(cè)試系統(tǒng)主要由離軸拋物鏡、微光靶標(biāo)、紅外靶標(biāo)、微光光源、黑體、分光鏡等組成。

圖5 融合圖像測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試光路Fig.5 Fusion image test system and testing light path

2.2.2 靶板、照明和加熱光路設(shè)計(jì)

在目標(biāo)靶方面，微光靶面和紅外靶面按照各自的表面要求制作成具有相同結(jié)構(gòu)和尺寸的靶面，分別置于微光光源的毛玻璃后面和紅外光源的黑體前。在靶前光路上添加一個(gè)能夠透過微光、反射紅外的分光鏡，通過調(diào)整分光鏡使微光靶面和紅外靶面實(shí)現(xiàn)合像。

要實(shí)現(xiàn)微光圖像與紅外圖像合像必須滿足以下幾個(gè)基本條件：經(jīng)過分光鏡后的微光靶圖像和紅外靶圖像結(jié)構(gòu)相同，線條嚴(yán)格平行，線條的高低和方位可以調(diào)整。

由于分光鏡為平板鏡，經(jīng)分光鏡后透射光(微光)的方向不會(huì)改變，分光鏡的調(diào)整主要改變反射光(紅外)的方向，從而實(shí)現(xiàn)2個(gè)靶標(biāo)合像。為了防止調(diào)整過程中靶板圖像有可能產(chǎn)生的傾斜，分光鏡應(yīng)分別對(duì)方位和俯仰進(jìn)行調(diào)整。

2.2.3 照明光路中光強(qiáng)的控制

3 測(cè)試設(shè)備相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)和確定

3.1 準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)

融合裝備對(duì)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的要求主要有三條：一是可以同時(shí)為微光和紅外提供無窮遠(yuǎn)準(zhǔn)值目標(biāo)；二是具有較大的有效工作口徑，工作口徑能夠同時(shí)包容微光和紅外兩條入射光路；三是具有較高的測(cè)試精度，具體表現(xiàn)為較長(zhǎng)的焦距和較好的校準(zhǔn)精度，以便為分辨力測(cè)試提供較高的準(zhǔn)直精度。

按照上述要求，選取的離軸拋物面反射鏡參數(shù)如下：主反射鏡口徑為Φ400 mm次反射鏡口徑為161.3 mm×126.5 mm；主反射鏡光學(xué)系統(tǒng)焦距f′=2.54 m，離軸角為7.3°，主鏡和次鏡反射率均達(dá)到95%以上，經(jīng)光學(xué)調(diào)試，該準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)在有效工作口徑內(nèi)的出射光平行度可以達(dá)到3″以內(nèi)，完全可以滿足融合光學(xué)系統(tǒng)的測(cè)試要求。

3.2 靶標(biāo)

3.2.1 靶標(biāo)圖案與頻率

微光和紅外的靶標(biāo)圖案樣式采用紅外MRTD測(cè)試的靶標(biāo)圖案樣式，縱橫比為7∶1四桿靶，靶標(biāo)圖案如圖7所示。

圖7 融合圖像分辨力測(cè)試靶板圖Fig.7 Diagram of fusion image resolution test target board

表2 靶標(biāo)頻率表

3.2.2 靶標(biāo)溫差、靶面照度控制

在紅外準(zhǔn)直光路中，靶標(biāo)溫差由黑體提供和控制，經(jīng)過溫差控制的熱靶在光學(xué)準(zhǔn)直光路中需要經(jīng)過分光鏡反射呈平行光輸出，在靶標(biāo)系統(tǒng)控制中，靶標(biāo)的溫差控制精度為0.01 K，分光鏡一般具有0.9～0.95的反射率，所以，在準(zhǔn)直鏡物鏡位置體現(xiàn)出來的實(shí)際溫差為黑體的輸出溫差與該反射系數(shù)的乘積。同樣，在微光準(zhǔn)直光路中，靶標(biāo)亮度由微光光源提供和控制，經(jīng)過微光靶面在光學(xué)準(zhǔn)直光路中需要透過分光鏡傳輸，經(jīng)物鏡后呈平行光輸出；在微光的分光光路中，靶面照度由照度計(jì)測(cè)試得到，與標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量設(shè)備的測(cè)量比例為1.02，分光鏡具有0.9～0.95的透射率，所以，在準(zhǔn)直鏡物鏡位置體現(xiàn)出來的實(shí)際亮度為照度計(jì)實(shí)際測(cè)試照度與該透射系數(shù)的乘積。由于分光鏡對(duì)紅外的反射系數(shù)與微光的透射系數(shù)比較接近，因而，分光鏡對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響基本可以抵消。

3.2.3 總體性能

4 結(jié)論

2) 在融合裝備的圖像分辨力測(cè)試中，需要分別得出裝備對(duì)微光和紅外各自的敏感系數(shù)，然后根據(jù)融合系統(tǒng)指標(biāo)要求的試驗(yàn)條件(照度、溫差)為基礎(chǔ)條件，利用對(duì)微光的敏感系數(shù)改變微光照度，利用對(duì)紅外的敏感系數(shù)改變紅外溫差，從而測(cè)試出一定梯度照度環(huán)境和一定梯度溫差環(huán)境下的融合系統(tǒng)分辨力曲線。