光电成像系统动态调制传递函数测量装置

姜昌录，袁 良,2，汪建刚，李 辉，王生云，康登魁，杨朋利，王 雷

（1.西安应用光学研究所 国防科技工业光学一级计量站，陕西 西安 10065；2.北京理工大学 光电学院，北京 100081）

引言

光电成像系统作为信息化武器装备的感知和测量系统，是光电成像领域的核心，主要完成对目标的探测、识别、瞄准等任务，广泛应用于机载、车载、舰载和星载等武器平台。光学传递函数用于光电成像系统的成像质量评价，广泛应用于光学设计全过程、光学加工及计算机辅助装调和光电系统整机的成像质量评价[1-5]。动态调制传递函数（DMTF）测试是评价具有像移补偿功能的光电成像系统实际成像质量的一项重要指标，动态调制传递函数的高精度测试能够更真实地反映光电成像系统在运动状态下的工作情况[6-9]。

对于动态调制传递函数的研究，国内外提出了多种理论分析方法。目前其检测方法主要分为两种，第一种是对运动条件下的目标进行测量得到动态调制传递函数；另一种方法是在光电成像系统运动状态下测量动态调制传递函数[10-15]。本文介绍了一种动态调制传递函数测量装置，采用直线运动形式的动态目标发生器提供匀速和简谐运动等多种运动模式的运动目标，对运动条件下的目标进行测量得到DMTF，实现对光电成像系统动态成像质量的评价。

1 动态调制传递函数测量装置组成

动态调制传递函数测量装置由动态目标发生器、光学准直系统、多维调整台、动态图像采集处理系统和计算机等组成,测量装置如图1所示。

图1 动态调制传递函数测量装置框图Fig.1 Block diagram of dynamic modulation transfer function measuring device

其工作过程为：动态目标发生器可以产生一个匀速运动、匀加速运动或简谐运动的运动刀口目标，被测光电成像系统对运动刀口目标成像，由动态图像采集处理系统采集，安装在计算机中的综合处理软件完成DMTF 计算。

1.1 动态目标发生器

动态目标发生器包括积分球照明系统、积分球控制系统、滤光片、靶标、精密运动机构、靶标运动控制系统和光学投影系统等。动态目标发生器构成示意图如图2所示。

图2 动态目标发生器构成示意图Fig.2 Diagram of dynamic target generator

在动态目标发生器中，积分球照明系统是面光源，其光谱范围为（0.45～0.90）μm，积分球内壁直径为400 mm，出口直径为50 mm，出口照度均匀性优于98%。积分球照明系统最小照度值可控制到0.01 lx，最大照度值为10 000 lx。靶标设计成刀口靶形式，精密运动机构的作用是承载刀口靶标按照设计的运动模式运动，运动控制系统由运动控制器、计算机和光栅尺组成，形成闭环控制结构，按照PID 控制理论实现对精密运动机构的高准确度控制。

为了扩展动态目标速度范围达到30 mm/s～5 000 mm/ s，并且具有较高的速度稳定性。采用光学放大或者缩小的方式来实现，光学放大或缩小没有延迟，同步性极佳。因此，设计一个光学投影系统，将靶标投影后的像作为运动目标，保证直线电机速度范围设置在一个较短的范围内，通过PID算法容易实现速度的稳定控制。

投影系统的光学材料采用HLaF3B、HZF6 和HZBaF3，设计指标为：放大倍率为10 倍，分辨率7 μm，物距为13.45 mm，光学系统长度为23.8 mm，像距260.2 mm。光学设计图如图3所示，该系统的MTF如图4所示。

图3 10 倍放大投影系统光学方案Fig.3 Optical scheme of 10× magnification projection system

图4 投影系统MTF 曲线（工作波段0.45 μm～0.90 μm）Fig.4 Projection system MTF curve(operating band 0.45 μm～0.90 μm)

1.2 光学准直系统

光学准直系统是测量装置的主体部分，对像质和环境影响有严格的要求。根据测试需要，选择离轴抛物面做主镜，平面反射镜做次镜构成大口径、长焦距光学准直系统，光学准直系统的光学波像差达到RMS≤λ/15～λ/20，以避免光学准直系统的传递函数对被测光电成像系统造成影响。焦面有效使用区域大于30 mm×30 mm，同时在使用环境温度（20±5）℃、小量级振动的条件下焦面漂移小于0.5%，自身像质稳定性不超过5%，光学准直系统布局如图5所示。

图5 光学准直系统布局图Fig.5 Layout of optical collimation system

为减小使用过程中镜面变形、保证光学系统像质稳定性，光学准直系统光学材料采用微晶玻璃，反射镜光学表面均镀金属反射膜和保护膜，在工作波段内平均反射率可以达到90%以上。设计指标为：口径600 mm，焦距10 000 mm。

光学准直系统的系统波像差达到λ/21，测量结果如图6所示。将测量结果带入光学设计软件进行仿真分析，仿真结果如图7所示。结果表明，光学准直系统的MTF 曲线十分接近衍射极限，因此光学准直系统的波像差对测量结果的影响可以忽略。

图6 光学准直系统波像差Fig.6 Wave aberration of optical collimation system

图7 光学准直系统仿真分析结果Fig.7 Simulation results of optical collimation system

1.3 动态图像采集处理系统

动态图像采集处理系统采用CameraLink 接口的OR-X4C0-XPF00 型号采集卡，CameraLink 接口能够方便对CCD 帧频、曝光时间、增益、触发模式等参数进行修改，支持单个Base/Medium 以及Full CameraLink 接口相机，能够实现实时、高速的采集图像。

在DMTF 图像处理方面，采用倾斜刀口数字扫描FFT 技术消除混频效应。由于刀口像与探测器单元排列方向存在夹角，探测器每行采集到的刀口像灰度不同，通过多行刀口像灰度分布插值实现亚像元采样，获得可靠的高分辨率LSF 曲线，进而获得无混叠DMTF 测试结果。

2 实验结果与测量不确定度

2.1 实验结果

为了验证该动态调制传递函数测量装置的DMTF 测量精度，研制了一台由光学系统和CCD非相干耦合而成的光电成像系统，光学系统设计指标口径为Ф200 mm，焦距600 mm。CCD 选用DALSA 公司的HS-80-04K40 系列TDI CCD，可设置为TDI 和AREA 两种模式。

设置CCD 为TDI 模式，对光电成像系统进行了DMTF 测试。将靶标安装于光学准直系统焦面位置，调节光轴、光瞳、焦面到最佳位置，调节光源使CCD 器件工作在线性区；通过被测光电成像系统的积分时间等参数计算动态目标的运动速度，由靶标运动控制系统驱动靶标做相应速度运动，被测光电成像系统工作在TDI 模式下，动态图像采集处理系统采集信号图像，采集完成后由计算软件完成DMTF 的计算。在400 mm/s 速度点设置刀口目标运动速度，同时设置对应的TDI CCD 行转移速度与目标速度匹配，记录DMTF 测量结果。并与目标静止、TDI CCD 设置为AREA 模式的静态MTF 测试结果进行对比，测量结果如表1所示，MTF 对比曲线如图8所示。

表1 400 mm/s 速度时光电成像系统DMTF 测量结果Table 1 Photoelectric imaging system DMTF measurement results at 400 mm/s speed

图8 光电成像系统静态MTF 和DMTF 曲线对比图Fig.8 Contrast graph of static MTF and DMTF curve of photoelectric imaging system

设置刀口目标以5 000 mm/s 速度运动，TDI CCD 行转移速度保持不变，此时处于速度失配状态，DMTF 测量结果见表2。

表2 5 000 mm/s 速度时光电成像系统DMTF 测量结果Table 2 Photoelectric imaging system DMTF measurement results at 5 000 mm/s speed

测试结果标明：光电成像系统在静态条件下和速度匹配的动态条件下MTF 数据呈现出的规律是DMTF≤静态MTF，差值在0.05 以内；在速度失配状态下，光电成像系统的DMTF 迅速下降，测试结果符合MTF 测量理论。

2.2 测量不确定度评定

影响测量结果的分量有许多，每个分量对测量结果的分散性都有贡献，根据光电成像系统动态传递函数测量原理分析，测量不确定度数据如表3所示。

表3 动态传递函数测量不确定度分析一览表Table 3 Uncertainty of dynamic modulation transfer function measurement

3 结论

本文介绍了一套光电成像系统动态传递函数测量装置，其光学准直系统的焦距为10 000 mm；其动态目标发生器光谱范围为（0.45～0.90）μm，照度值最小可控制到0.01 lx，最大值约为10 000 lx；动态目标速度范围为30 mm/s～5 000 mm/s，动态调制传递函数测量范围为0.10～0.99，测量不确定度为U=0.05（k=2）。解决了光电成像系统动态成像特性参数的测量问题，为长焦距光电成像系统成像性能参数的测量提供了计量手段，满足航天侦察相机、多光谱相机等诸多光电成像系统动态成像质量评价的需求。