微光和红外融合装备分辨力测试方法研究

荆卫国，孙明昭，王佳笑，王红培

(中国华阴兵器试验中心，陕西 华阴 714200)

引言

微光与红外图像融合是近年发展起来的新技术，它将分别来自微光和红外通道的图像经过图像预处理、图像配准，并加入图像融合算法，从而产生的能够在同一幅图像中既包含微光特征信息又包含红外特征信息的新的信息图像。因此，融合图像中包含更多的图像信息是不容置疑的，在战场上对识别伪装和隐身，提高装备的抗干扰能力具有独特的优势，这正是融合图像在军事上使用的真正价值所在[1-15]。

融合图像作为光电装备的一种新的信息载体形式，其图像质量不仅受到微光分辨力和红外MRTD的限制，而且与图像融合过程中的图像预处理、图像配准和融合算法方案以及这些算法中的参数选择等多种因素有关。不好的算法方案和不合适的参数选择必然会导致融合图像质量的明显下降。因此，融合图像分辨力作为评价图像质量的重要手段，其测试方法对优化融合算法、提高融合图像质量至关重要。

1 微光分辨力和红外MRTD测试系统分析

1.1 微光分辨力测试系统

在以往的光电装备分辨力测试中，由于微光和红外的成像波段不同，分辨力是针对不同的目标源和光学系统分别进行测试的。微光分辨力测试用带有钨丝灯(色温灯)照明的分划板作为目标，测试光路有两种，一种是通过透射式准直光学系统将靶板成像在无穷远处进行分辨力测试。如图1所示。另一种是通过反射式准直光学系统利用靶板的反射进行分辨力测试。如图2所示。

图1 微光分辨力测试系统(透射式)示意图Fig.1 Schematic diagram of LLL resolution test system (transmission type)

图2 微光分辨力测试系统(反射式)示意图Fig.2 Schematic diagram of LLL resolution system (reflection type)

1.2 红外MRTD测试系统

红外分辨力测试用带有黑体加热的红外靶板作为目标，通过对目标靶上四杆靶温差的控制，以离轴抛物面反射镜作为准直光学系统进行MRTD测试。如图3所示。

图3 红外MRTD测试系统示意图Fig.3 Schematic diagram of infrared MRTD test system

1.3 微光分辨力测试原理[16]

为了能在距离较短的暗室内进行分辨力测试，可将分辨力靶板放在长焦距准直物镜的焦平面上。夜视仪通过准直物镜观察靶板，相当于观察无穷远处的靶板。此时夜视仪分辨力由下式算得：

(1)

式中：f′为准直物镜的焦距(m)；d为分辨力测试靶板某单元线条的宽度(mm)。

以WFY-1型微光分辨力测试系统为例，主要组成包括标准反射式分辨力靶板、长焦距(焦距为8.472 m，孔径为250 mm)准直物镜及导轨、积分球式可调照度光源、以及电源和支架等。

1.4 红外MRTD测试原理[17]

红外MRTD测试靶板如图4所示，按照一定规律分布的不同空间频率的4条杆靶分别刻画在不同的靶板上，4条杆长宽比为7∶1，条杆部分用辐射率接近100%的材料涂覆，4条杆中的“杆”与“空隙”之间间隔一致；测试时，黑体产生的热辐射透过4条杆靶的“空隙”，在“杆”与“空隙”之间形成一定温差。

图4 红外MRTD测试靶板图案Fig.4 Diagram of MRTD test target board

试验时，采用一组不同空间频率的MRTD测试靶板进行试验。将被试品透过准直光学系统观察不同空间频率MRTD靶标，记录当观察到每一黑白杆面积为全面积75%时的温差ΔT1、ΔT2和相应的空间频率。

MRTD测试结果处理的表达式如下：

MRTD=Φ×|ΔT2-ΔT1|/2

(4)

式中：Φ为仪器常数；ΔT1为被试品在正温差时人眼能分辨出靶标75%面积时的温差(K)；ΔT2为被试品在负温差时人眼能分辨出靶标75%面积时的温差(K)。

2 微光和红外融合图像分辨力测试系统设计构想

2.1 测试光路和光源要求

在融合图像分辨力测试中，反映融合图像成像效果的目标源不再是单一波段的光源和目标靶板，而是同时能提供目标亮度特征和热特征的复合光源和目标靶板，准直光学系统也要求在同一条光路中同时对微光和红外实现准直。因此，需要在传统的分辨力测试设备的基础上对测试系统进行一定改造才能实现融合图像分辨力的测试。

2.2 融合图像分辨力测试的构想

测试光路的基本构想是：离轴抛物镜作为准直物镜，微光靶标和红外靶标均在准直物镜的焦平面上，由分光镜合像，形成重合的无穷远目标。微光光源为微光靶标提供可调照度，黑体为红外靶标提供精确温差，被试品在准直物镜光轴上，通过观察无穷远目标，测试融合夜视系统的分辨力。

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2.2.1 测试光路和系统组成

对于融合系统的分辨力靶板，可利用离轴抛物面反射光路将微光和红外两部分光源和靶面整合到同一条光路中，实现同一个靶板上同时体现亮度特征和热辐射特征。

基本测试光路如图5所示，测试系统主要由离轴抛物镜、微光靶标、红外靶标、微光光源、黑体、分光镜等组成。

图5 融合图像测试系统及测试光路Fig.5 Fusion image test system and testing light path

2.2.2 靶板、照明和加热光路设计

在目标靶方面，微光靶面和红外靶面按照各自的表面要求制作成具有相同结构和尺寸的靶面，分别置于微光光源的毛玻璃后面和红外光源的黑体前。在靶前光路上添加一个能够透过微光、反射红外的分光镜，通过调整分光镜使微光靶面和红外靶面实现合像。

要实现微光图像与红外图像合像必须满足以下几个基本条件：经过分光镜后的微光靶图像和红外靶图像结构相同，线条严格平行，线条的高低和方位可以调整。

由于分光镜为平板镜，经分光镜后透射光(微光)的方向不会改变，分光镜的调整主要改变反射光(红外)的方向，从而实现2个靶标合像。为了防止调整过程中靶板图像有可能产生的倾斜，分光镜应分别对方位和俯仰进行调整。

2.2.3 照明光路中光强的控制

3 测试设备相关参数设计和确定

3.1 准直光学系统

融合装备对准直光学系统的要求主要有三条：一是可以同时为微光和红外提供无穷远准值目标；二是具有较大的有效工作口径，工作口径能够同时包容微光和红外两条入射光路；三是具有较高的测试精度，具体表现为较长的焦距和较好的校准精度，以便为分辨力测试提供较高的准直精度。

按照上述要求，选取的离轴抛物面反射镜参数如下：主反射镜口径为Φ400 mm次反射镜口径为161.3 mm×126.5 mm；主反射镜光学系统焦距f′=2.54 m，离轴角为7.3°，主镜和次镜反射率均达到95%以上，经光学调试，该准直光学系统在有效工作口径内的出射光平行度可以达到3″以内，完全可以满足融合光学系统的测试要求。

3.2 靶标

3.2.1 靶标图案与频率

微光和红外的靶标图案样式采用红外MRTD测试的靶标图案样式，纵横比为7∶1四杆靶，靶标图案如图7所示。

图7 融合图像分辨力测试靶板图Fig.7 Diagram of fusion image resolution test target board

表2 靶标频率表

3.2.2 靶标温差、靶面照度控制

在红外准直光路中，靶标温差由黑体提供和控制，经过温差控制的热靶在光学准直光路中需要经过分光镜反射呈平行光输出，在靶标系统控制中，靶标的温差控制精度为0.01 K，分光镜一般具有0.9～0.95的反射率，所以，在准直镜物镜位置体现出来的实际温差为黑体的输出温差与该反射系数的乘积。同样，在微光准直光路中，靶标亮度由微光光源提供和控制，经过微光靶面在光学准直光路中需要透过分光镜传输，经物镜后呈平行光输出；在微光的分光光路中，靶面照度由照度计测试得到，与标准计量设备的测量比例为1.02，分光镜具有0.9～0.95的透射率，所以，在准直镜物镜位置体现出来的实际亮度为照度计实际测试照度与该透射系数的乘积。由于分光镜对红外的反射系数与微光的透射系数比较接近，因而，分光镜对测试结果的影响基本可以抵消。

3.2.3 总体性能

4 结论

2) 在融合装备的图像分辨力测试中，需要分别得出装备对微光和红外各自的敏感系数，然后根据融合系统指标要求的试验条件(照度、温差)为基础条件，利用对微光的敏感系数改变微光照度，利用对红外的敏感系数改变红外温差，从而测试出一定梯度照度环境和一定梯度温差环境下的融合系统分辨力曲线。