短波紅外相機(jī)的最小可分辨對比度測試

王 棪，金 寧，劉國平，史 昇，楊光旭

短波紅外相機(jī)的最小可分辨對比度測試

王 棪，金 寧，劉國平，史 昇，楊光旭

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

評估短波紅外相機(jī)的綜合性能對相機(jī)迭代和實(shí)際使用效果極為關(guān)鍵，本文提出了一種基于最小可分辨對比度（minimum resolvable contrast，MRC）測試的短波性能評估方法，由積分球輻射多個固定對比度的靶標(biāo)，并對輻射源強(qiáng)度、目標(biāo)混疊、觀察模式等進(jìn)行合理控制從而將噪聲、目標(biāo)背景對比度、觀察者易變性等影響因子涵蓋在評估模型中，綜合評估短波相機(jī)性能。采用本方法對某型號短波相機(jī)進(jìn)行了MRC測試和外場測試，取得了較為相符的測試結(jié)果，其測試不確定度僅為2.11%，可很好地對短波相機(jī)進(jìn)行性能評估和預(yù)估。

短波紅外；MRC；對比度測試；靶標(biāo)

0 引言

短波紅外相機(jī)作為多波段集成光電觀瞄裝備的子系統(tǒng)，近年來逐漸成為國際研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。短波紅外波段（0.76～3mm）作為“大氣透過窗口”之一，利用目標(biāo)反射環(huán)境中的短波紅外輻射來實(shí)現(xiàn)探測，在軍事應(yīng)用中，可以提供可見光、近紅外、中波紅外和長波紅外所不能提供的信息。與中、長波紅外熱成像相比，短波紅外圖像顯示的目標(biāo)細(xì)節(jié)更為豐富，更易于識別辨認(rèn)；與可見光成像相比，短波紅外成像透射距離遠(yuǎn)，具有良好的透煙、霧、霾的能力，可用于夜晚及惡劣天氣環(huán)境下的偵察和監(jiān)控[1-3]。此外，不同材料在短波紅外波段具有不同的吸收和反射特性，因此短波紅外成像可以用于偽裝識別；能夠響應(yīng)激光引導(dǎo)和激光隱蔽照明。因此，短波紅外相機(jī)在機(jī)載平臺上已經(jīng)得到廣泛運(yùn)用，逐漸成為機(jī)載光電吊艙主要光電傳感系統(tǒng)之一。

可見，短波紅外相機(jī)的整機(jī)成像性能是影響光電系統(tǒng)晝夜探測識別能力的關(guān)鍵指標(biāo)，如何對其進(jìn)行性能評價(jià)成為了一個重要課題，針對短波相機(jī)，常見的評估手段有光學(xué)系統(tǒng)MTF（modulation transfer function）測試、整機(jī)分辨率測試等。對短波光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行MTF測試，模型中不包含電路、探測器等其他組件的MTF，同時，MTF測試中缺乏對噪聲的考慮，不是一種理想的評估短波相機(jī)綜合性能的手段[4]。而分辨力測試通常采用對比度大于1的靶標(biāo)進(jìn)行觀察，缺乏對比度的變化，實(shí)際相機(jī)在觀察目標(biāo)時，目標(biāo)所處的背景變化、大氣透過率在不同天候下的變化等因素均會使觀測場景的對比度千差萬別，另外，相機(jī)作為在復(fù)雜場景中的重要觀瞄工具，當(dāng)使用者通過眼睛進(jìn)行直接判斷時，觀察者的觀察閾值、經(jīng)驗(yàn)、智商、能力、疲勞程度等因素皆會對觀測結(jié)果造成影響，只有綜合考慮以上因素并建模才能夠更全面地評估短波相機(jī)性能[5-6]。

短波輻射來源于電磁波照射目標(biāo)物并反射所產(chǎn)生的輻射，在機(jī)理上同可見光相機(jī)接近，同時，考慮黑體輻射無法有效覆蓋3mm以下譜段，因此中波長波紅外相機(jī)常用的MRTD（minimum resolvable temperature difference）測試并不適用于短波相機(jī)。本文提出采用最小可分辨對比度（MRC）測試對短波相機(jī)的綜合性能進(jìn)行評估。MRC測試近年來在可見光波段得到了越來越多的應(yīng)用，通過MRC測試能夠有效評估可見光相機(jī)的性能[2-3]。但針對短波的MRC測試研究較少，本文從MRC數(shù)學(xué)模型入手，設(shè)計(jì)了一套完整的基于MRC測試的性能評估方法，基于對各變量的合理控制，由觀察者對短波相機(jī)圖像中所能分辨的最小目標(biāo)進(jìn)行判讀，從而評估相機(jī)的最優(yōu)性能，進(jìn)一步地，對短波相機(jī)進(jìn)行中低對比度外景目標(biāo)探測和識別，證明采用該技術(shù)能夠較為有效地對短波相機(jī)的外場預(yù)期性能進(jìn)行評估和預(yù)測。

1 測試原理

MRC的測試模型如圖1所示，目標(biāo)模擬器輸出不同對比度、不同空間頻率的目標(biāo)，短波相機(jī)對其成像并輸出至圖像監(jiān)視器，觀察者采用裸眼對其進(jìn)行觀察，確定各個對比度下能夠分辨的最高空間頻率目標(biāo)，根據(jù)結(jié)果繪制曲線即為MRC測試結(jié)果。

圖1 MRC測試模型

MRC理論模型由式(1)表示：

式中：CTFEYE為人眼對比度傳遞函數(shù)；MTFSYS為被測系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)；為常數(shù)，值為169.6Hz1/2；p為被測系統(tǒng)噪聲均方根；AVE為圖像監(jiān)視器的平均亮度。

根據(jù)式(1)所描述的靜態(tài)理論模型，對短波相機(jī)測試的對比度控制、目標(biāo)頻率混疊影響的控制、輻射源的選擇和亮度控制等因素進(jìn)行分析、確定。觀察者和監(jiān)視器共同決定人眼對比度傳遞函數(shù)。短波相機(jī)自身性質(zhì)決定其調(diào)制傳遞函數(shù)和噪聲均方根；目標(biāo)模擬器為測試提供目標(biāo)源，同時直接影響目標(biāo)亮度。

人眼對比度傳遞函數(shù)模型由式(2)表示：

式中：E為目標(biāo)空間頻率，不同空間頻率與對比度值一一對應(yīng)；、、分別由式(3)、(4)、(5)表示；為人眼對監(jiān)視器有效觀察區(qū)域的張角；為監(jiān)視器的亮度；EYE為觀察者參與觀察眼球數(shù)量，為1或2。可知，人眼的對比度傳遞函數(shù)與觀察的張角、亮度、人眼數(shù)量相關(guān)，張角大小取決于觀察者距離顯示器的觀測距離和相對位置，亮度控制由輻射源和相機(jī)共同決定，不同的參數(shù)下測試MRC，可取得不同的結(jié)果。

測試中，觀測距離變量是否固定，取決于實(shí)際使用中觀察者與監(jiān)視器的相對位置是否固定，由于實(shí)際使用中采用高分辨率監(jiān)視器進(jìn)行圖像監(jiān)控，故不對觀測距離進(jìn)行限定，即觀察者可通過距離相對位置的調(diào)整達(dá)到觀測最佳效果。亮度是否可變?nèi)Q于實(shí)際使用亮度是否可控，通常不對亮度進(jìn)行限定，觀察者可根據(jù)實(shí)際調(diào)節(jié)輻射源和相機(jī)使得亮度最有利于目標(biāo)觀察，即可通過調(diào)整觀測距離、觀測角度、監(jiān)視器亮度等因素最大化式(1)中描述的MRC的測試結(jié)果。

被測系統(tǒng)的MTF和噪聲均方根受系統(tǒng)性能限制，其數(shù)值高低對目標(biāo)顯示的影響可在監(jiān)視器圖像觀察中得到直觀體現(xiàn)，MTF值的大小與被測相機(jī)SNR相關(guān)，可通過將被測相機(jī)在動態(tài)范圍的SNR最大化提高系統(tǒng)MTF，一方面，通過控制被測相機(jī)的增益，降低相機(jī)的噪聲均方根；另一方面，提高輻射源的強(qiáng)度以加強(qiáng)信噪比，避免輻射源強(qiáng)度過高使圖像過飽和，但需避免圖像二值化，即靶標(biāo)與背景的對比度過于懸殊，此種場景與實(shí)際使用不符。另外，MTF的自變量為不同空間頻率的目標(biāo)，需考慮面陣CCD相機(jī)系統(tǒng)存在的頻率混疊，由于周期性靶標(biāo)與探測器像元間的異相位，如圖2所示，導(dǎo)致當(dāng)周期目標(biāo)沿線列運(yùn)動時，目標(biāo)靶的強(qiáng)度和寬度周期性變化，當(dāng)為同相位時，目標(biāo)如圖2(a)所示，當(dāng)為異相位時，圖像如圖2(b)所示，混疊導(dǎo)致目標(biāo)中不同桿間產(chǎn)生粘連。實(shí)際觀察的目標(biāo)多為非周期性目標(biāo)，因此頻率混疊對實(shí)際景物觀察影響較實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的周期性靶標(biāo)觀察更小。因此在測試執(zhí)行中，應(yīng)當(dāng)允許目標(biāo)沿陣列運(yùn)動，從而確保取得最佳觀測數(shù)據(jù)。

圖2 異相位對目標(biāo)形態(tài)影響

最后，考慮輻射源，MRC測試的目標(biāo)模擬器通常由輻射源、靶標(biāo)和準(zhǔn)直儀組成，當(dāng)短波相機(jī)用于軍事車輛等目標(biāo)觀察時，目標(biāo)溫差通常與環(huán)境背景溫差不大，此時，根據(jù)維恩位移定律，在短波波段黑體輻射率極低，采用可見光光源作為輻射源對靶標(biāo)進(jìn)行照射，同時，考慮到觀察者需要移動以變換視角觀察目標(biāo)，應(yīng)確保在移動過程中輸出至人眼的亮度的一致性，避免不同角度觀察能量不一致，故應(yīng)采用朗伯源對目標(biāo)進(jìn)行均勻照射。

綜合上述分析，短波相機(jī)測試的各個參數(shù)控制可采用下述方案：

搭建測試系統(tǒng)，積分球、靶標(biāo)、準(zhǔn)直儀組成目標(biāo)模擬器，輸出不同對比度不同空間頻率的目標(biāo)，短波相機(jī)對其成像，觀察者裸眼進(jìn)行觀察，同時，需通過技術(shù)手段對測試過程的各個因素進(jìn)行如下控制：

①觀察者采用雙眼進(jìn)行觀察并可調(diào)整觀察距離及角度；

②觀察者可調(diào)整輻射源強(qiáng)度以取得最佳效果；

③觀察者可沿水平和垂直方向移動目標(biāo)靶在圖像中的位置，最大限度減小異相位的影響；

④觀察者可調(diào)節(jié)監(jiān)視器亮度、相機(jī)對比度亮度以取得最佳觀測效果，但應(yīng)避免圖像二值化，可通過目視觀察MRC靶標(biāo)背景區(qū)域和靶標(biāo)外區(qū)域的灰度等級進(jìn)行判斷。

2 測試系統(tǒng)及測試流程的構(gòu)建

基于第一章的分析，搭建了如圖3所示的測試系統(tǒng)。采用單積分球作為輻射源，均勻照射MRC測試靶標(biāo)，靶標(biāo)如圖4所示，靶標(biāo)圖像經(jīng)平面反射鏡、離軸拋物鏡輸出至短波相機(jī)，采用圖像監(jiān)視器對其進(jìn)行觀察。

MRC測試靶標(biāo)的選用，一般有固定對比度和可變對比度兩種方式，考慮測試效率，本文采用固定對比度的方法，選用了5種不同對比度的靶標(biāo)作為目標(biāo)，如圖4所示，不同靶標(biāo)空間排列相同，三桿與背景對比度不同，測試中，逐一使用不同對比度靶標(biāo)讀取該條件下可分辨的最小靶標(biāo)。

利用搭建的測試系統(tǒng)，對相機(jī)和測試系統(tǒng)的光軸進(jìn)行校準(zhǔn)，10%相機(jī)調(diào)焦至能夠清晰觀察靶標(biāo)；圖像正常顯示后，調(diào)節(jié)相機(jī)的對比度、積分時間、以及積分球的亮度等參數(shù)，使得圖像顯示效果最佳；用相機(jī)依次觀察10%、30%、50%、75%、90%對比度靶標(biāo)，讀取各個對比度下可分辨的最小目標(biāo)的空間頻率，即可獲得相機(jī)最終的MRC測試結(jié)果。測試流程如圖5所示。

圖3 MRC測試系統(tǒng)

3 測試實(shí)例及結(jié)果分析

采用上述構(gòu)建的測試系統(tǒng)和測試流程，對如圖6所示的某型號短波紅外相機(jī)進(jìn)行了MRC測試，短波紅外相機(jī)的系統(tǒng)參數(shù)見表1。積分球輻射譜段可完整覆蓋短波相機(jī)波段，準(zhǔn)直儀焦距遠(yuǎn)大于被測相機(jī)焦距，滿足測試所需客觀條件。

3.1 室內(nèi)MRC測量

MRC測試結(jié)果見表2，對比度10%時，可分辨的最大空間頻率為3.5cy/mrad，當(dāng)對比度超過30%后，可分辨的最大空間頻率保持4.9896cy/mrad。該短波紅外相機(jī)的特征頻率為4.5 cy/mrad，說明實(shí)測的MRC性能與設(shè)計(jì)指標(biāo)較為符合。

圖5 短波紅外相機(jī)MRC測試流程圖

圖6 某型號短波紅外相機(jī)

表1 短波紅外相機(jī)參數(shù)

表2 MRC測試結(jié)果

3.2 室外目標(biāo)測試試驗(yàn)

為驗(yàn)證測試結(jié)果的合理性，設(shè)計(jì)了室外目標(biāo)探測識別試驗(yàn)，對100m外目標(biāo)進(jìn)行觀察，根據(jù)約翰遜準(zhǔn)則，當(dāng)達(dá)到識別的標(biāo)準(zhǔn)時，目標(biāo)最小維度為4周，則需要識別的目標(biāo)尺寸由式(6)計(jì)算：

x＝×/(6)

式中：為目標(biāo)最小維度；為目標(biāo)距離；為目標(biāo)最小維度寬度；x為目標(biāo)空間頻率。

觀察不同對比度目標(biāo)，對比度計(jì)算采用式(7)進(jìn)行。計(jì)算所需的數(shù)據(jù)是目標(biāo)和背景的亮度，通過采集目標(biāo)圖像，對目標(biāo)區(qū)域和鄰域背景的灰度平均值進(jìn)行計(jì)算并帶入式(7)可得。對于線性系統(tǒng)，物方對比度可以由像方對比度表征，因此，從相機(jī)圖像中讀取目標(biāo)、背景對應(yīng)區(qū)域灰度值進(jìn)行目標(biāo)背景對比度計(jì)算：

鄰域的定義，參照中波長波的目標(biāo)背景對比度溫度計(jì)算模型[5]，以目標(biāo)最小維度的2倍作為鄰接區(qū)域單元格邊長，如圖7所示，對目標(biāo)鄰域的8個單元格求灰度值平均值作為Lbackground。

在不同照度下對不同目標(biāo)車輛的車標(biāo)、門把手進(jìn)行觀察并記錄結(jié)果，觀察效果如圖8所示，對比度為15%時，車輛標(biāo)志內(nèi)部的方格區(qū)域可分辨，對比度為30%時，車輛門把手可分辨。

圖8 不同對比度目標(biāo)圖像

繪制曲線，分析室外觀察結(jié)果的其變化趨勢、并與室內(nèi)MRC結(jié)果對比，如圖9，測試結(jié)果、變化趨勢較為相符。

圖9 MRC測試結(jié)果對比

4 誤差分析

MRC測試的不確定性因素包含靶標(biāo)對比度不確定性、靶標(biāo)尺寸不確定性、人員觀察易變性，其中人員觀察易變性為主要不確定因素。基于合并標(biāo)準(zhǔn)偏差法設(shè)計(jì)試驗(yàn)對易變性進(jìn)行分析，由計(jì)算機(jī)按照美軍標(biāo)的目標(biāo)尺寸規(guī)定生成目標(biāo)并疊加白噪聲，相鄰目標(biāo)間靶標(biāo)尺寸1.125倍遞減[5]，對比度分別為10%、30%、50%、75%、90%進(jìn)行觀察，選擇實(shí)驗(yàn)室測試經(jīng)驗(yàn)較為豐富的5名測試人員，每人重復(fù)6次測試，測試結(jié)果分布見圖10，可知相同對比度，不同觀察人員重復(fù)觀察存在差異和重疊，觀察者易變性較為明顯。

圖10 不同對比度下多人重復(fù)測試數(shù)據(jù)分布

根據(jù)觀察數(shù)據(jù)分析計(jì)算MRC擴(kuò)展不確定度[7]，值取2，得到不同對比度下測試的相對擴(kuò)展不確定度見表3。不同對比度下測試不確定度略有差異，10%對比度下測試不確定度最大，為2.11%，小于3%，滿足測試要求[3]。

表3 測試不確定度

5 結(jié)論

本文由MRC理論模型入手，設(shè)計(jì)了基于多個變量控制的短波MRC測試方法，根據(jù)該方法搭建了測試系統(tǒng)并對某型號短波相機(jī)進(jìn)行了測試，同時，對該型短波相機(jī)進(jìn)行了外場實(shí)驗(yàn)，將室內(nèi)、室外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析比對，進(jìn)一步對MRC測試不確定度進(jìn)行了分析，證明了采用本方法能夠?qū)Χ滩ㄏ鄼C(jī)的性能進(jìn)行準(zhǔn)確評價(jià)，從而有效地預(yù)測短波相機(jī)性能。

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Minimum Resolvable Contrast Testing of Short-wave IR Camera

WANG Yan，JIN Ning，LIU Guoping，SHI Sheng，YANG Guangxu

(Kunming Institute of Physics, Kunming 650223, China)

Short-wave infrared (SWIR) cameras have several advantages over medium-wave infrared (MWIR) and long-wave infrared (LWIR) cameras. Hence, a method for evaluating their performance is crucial for the application and development of electro-optical systems. We suggest a method that can be used to evaluate the performance of an SWIR camera based on the minimum resolvable vontrast(MRC) test. An integrating sphere and five targets with different contrasts were used. The intensity of the radiation source, aliasing, and observation patterns were controlled to evaluate the SWIR camera performance. We applied this method to test the MRC of the SWIR system. Furthermore, a series of field experiments was conducted, and the results were in agreement with the MRC testing data. The uncertainty of the method reached 2.11%, which supports the conclusion that the MRC method can be applied to evaluate and predict the performance of SWIR cameras.

short-wave IR, minimum resolvable contrast, contrast testing, targets

TN219

A

1001-8891(2022)08-0846-07

2022-05-25；

2022-06-23.

王棪（1991-），男，工程師，現(xiàn)從事紅外成像系統(tǒng)性能評估技術(shù)研究。E-mail:wywang_y@163.com。

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFA0701200）。