一種電視成像系統動態傳遞函數的快速測量方法

董再天，張一軍，陶　忠

(西安應用光學研究所，西安　710068)

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【光學工程與電子技術】

一種電視成像系統動態傳遞函數的快速測量方法

董再天1，張一軍2，陶忠2

(西安應用光學研究所，西安710068)

為了研究平臺振動與電視成像系統傳遞函數之間的關系，提出了一種電視成像系統動態傳遞函數快速測量方法。通過將壓電陶瓷帶動的快速反射鏡系統引入I-SITE測量系統光路中的方法，實現了對不同振動環境下電視成像系統傳遞函數的快速測量。通過測量發現，平臺低頻振動時，隨著頻率的增加，電視成像系統動態傳遞函數下降速度比靜止時增加了10.1%～41.2%；平臺高頻振動時，隨著頻率的增加電視成像系統動態傳遞函數下降速度比靜止時增加了42%。

電視成像系統；平臺振動；電視成像系統動態傳遞函數；快速反射鏡

用于遠距離探測的高分辨率電視成像系統，由于受到平臺振動的影響，成像品質不穩定[1]。平臺的振動使目標和電視成像系統之間產生相對運動,這種相對運動引起目標所成的像，在一個曝光周期內偏離或者往復地經過靜止時的位置，從而造成圖像品質下降[2-3]。電視成像系統傳遞函數是電視成像系統成像品質的綜合評價指標，通過研究平臺振動對電視成像系統傳遞函數的影響，可以分析出振動對系統成像品質的影響規律，提高系統的設計能力。由于電視成像系統傳遞函數是在振動條件下測量的，因此叫作電視成像系統動態傳遞函數。

目前國內外[4-9]對這方面的研究越來越重視。電視成像系統動態傳遞函數測量主要集中在兩個方向：一是利用動態目標模擬器或機械振動平臺等使目標振動，電視成像系統靜止[10-11]；二是利用機械振動平臺使電視成像系統振動，目標靜止[12-13]。這兩種方法都能對電視成像系統動態傳遞函數進行測量，但是其實時性、測量精度等不夠理想。

本研究采用在I-SITE(integratedsystemforimagertestandevaluation)綜合測量系統的光路中引入可控壓電陶瓷帶動快速反射鏡系統的方法，測量了不同振動條件下電視成像系統動態傳遞函數。I-SITE綜合測量系統，自動化水平高，能夠快速地給出測量結果。可控壓電陶瓷帶動快速反射鏡系統具有控制簡單，精度高等優點，能夠準確地模擬不同振動條件。通過將可控壓電陶瓷帶動快速反射鏡系統和I-SITE綜合測量系統組合，實現了對電視成像系統動態傳遞函數的快速測量。

1　電視成像系統動態傳遞函數的快速測量方法

1.1可控壓電陶瓷帶動的快速反射鏡系統

可控壓電陶瓷帶動的快速反射鏡系統可以模擬平臺不同的振動條件，主要由函數發生器、壓電陶瓷控制器、示波器、壓電陶瓷和快速反射鏡等組成。通過函數發生器將不同頻率、振幅以及振動形式的函數波輸入到控制器，控制器將按照相同的頻率、振動形式，以及相應的振幅控制壓電陶瓷帶動快速反射鏡振動。振幅的計算式為

(1)

式中：A為快速反射鏡的振幅；U為函數發生器輸出振動形式的振幅；η是一個與控制器有關的系數。另外，反射鏡的位移可以通過壓電陶瓷上的位移傳感器實時地傳遞給示波器，通過示波器，可以實時觀測到反射鏡的位移變化。

1.2I-SITE綜合測量系統

I-SITE綜合測量系統可以測量電視成像系統的線擴展函數(LSF)、分辨率以及傳遞函數(MTF)等多種參數,其主要由標準光源、反射鏡、凹面鏡和信號處理計算機等組成。測量時，標準光源通過狹縫射出，經過反射鏡反射到凹面鏡形成平行光線，到達電視成像系統形成圖像。電視成像系統將采集到的信號傳遞給信息處理計算機，并由計算機將信號處理計算得到被測電視成像系統傳遞函數。

1.3電視成像系統動態傳遞函數的快速測量

本研究采用將可控壓電陶瓷帶動快速反射鏡系統引入I-SITE綜合測量系統的光路中的方式測量電視成像系統動態傳遞函數。測量原理如圖1所示。

圖1　電視成像系統動態傳遞函數測量裝置示意圖

測量光路如圖1，標準光源通過狹縫射出，經過反射鏡反射到凹面鏡形成平行光線，平行光線再經過安裝在可控壓電陶瓷帶動的快速反射鏡到達電視成像系統。電視成像系統將采集到的信號傳遞給信息處理計算機，并由計算機將信號處理成可視化的信息。測量時，通過函數發生器，將相應波形、頻率和振幅的電壓信號傳遞給控制器，控制器控制壓電陶瓷帶動快速反射鏡按照相應的波形、頻率和振幅往復偏轉。壓電陶瓷的偏轉角度信息由傳感器采集并通過信號線傳遞給示波器，從而確定壓電陶瓷的偏轉信息。利用快速反射鏡的這種往復偏轉，模擬平臺的各種振動條件，通過I-SITE綜合測量系統測量，即可得到實時的電視成像系統動態傳遞函數。

1.4平臺振動對電視成像系統動態傳遞函數影響分析

平臺的振動對電視成像系統的影響主要表現在像移量以及能量集中度。像移量是指一次曝光時間內所成圖像運動的最大距離。能量集中度是指點目標所成的像的能量集中情況。平臺的振動頻率、幅值等都會改變電視成像系統的像移量和能量集中度，影響電視成像系統動態傳遞函數下降速度。根據振動周期與電視成像系統的曝光時間，可以將振動分為低頻和高頻[9]。低頻是指平臺的振動頻率小于電視成像系統的曝光頻率；高頻是指平臺的振動頻率大于電視成像系統的曝光頻率。平臺低頻振動時，電視成像系統的成像品質隨著振動頻率的增加不斷下降。當平臺高頻振動時，電視成像系統成像品質會很模糊，但是這種模糊程度隨著頻率的增加，改變越來越不明顯。電視成像系統動態傳遞函數作為成像品質的綜合評價方法，可以對不同振動條件下的成像品質進行量化對比。

以物空間上點的成像為例，當平臺運動時，一個曝光周期內點目標所成像的能量不再聚集在特定的傳感器單元上，而是隨著運動發散在圖像所經過的每一個傳感器單元上。在曝光時間內，物空間上的點所成像的能量越集中，系統的點擴展函數就越集中，系統的傳遞函數下降越慢。

當平臺低頻振動時，物空間上的點所成像的運動歷程如圖2(a)、圖2 (b)、圖2 (c)所示，隨著移動量的增加，物空間上的點所成像經過的傳感器單元越多，物空間上的點所成像的能量越發散，系統的點擴展函數也更加發散，電視成像系統動態傳遞函數下降速度也增加。如圖2(c)，當平臺的振動頻率與曝光頻率之比在0.5～1時，由于平臺出現了返回運動，物空間上的點所成像在右側傳感器單元上停留時間增加，因此能量更加集中在右側傳感器單元上，系統的點擴展函數就相對集中，此時電視成像系統動態傳遞函數的下降速度也減小。

當平臺處于高頻振動時，物空間上點所成的像做往復運動，只要平臺的振幅確定，那么系統所成像的發散范圍也就確定了。隨著平臺振動頻率的增加，物空間上點所成像的能量發散程度變化也越來越微弱。如圖2(e)當平臺運動歷程中，經過左側的兩個傳感器單元的時間大于右側，說明在曝光時間內，左側兩個傳感器單元所接收到的能量較多。如圖2(d)、圖2 (e)、圖2 (f)，隨著振動頻率的增加，這種差別越來越微弱，此時，電視成像系統動態傳遞函數下降速度變化也很微弱。

圖2　振動歷程對應的點擴展函數示意圖

2　測量結果

平臺的運動形式往往具有很多不確定性，本文主要研究其中的正弦振動。通過分析發現，平臺振動頻率在低頻階段和高頻階段的影響并不一致。本文將對平臺的低頻振動和高頻振動分別設置不同的頻率值進行測量。測試對象是由一個焦距400mm，F數3.8的光學成像系統、曝光周期0.025s的傳感器、處理電路和顯示器組成的電視成像系統。

2.1低頻正弦振動

在低頻階段，選取振動頻率分別為5Hz、10Hz、20Hz和30Hz，振幅為0.37mrad的條件下進行測量。

圖3是在靜止狀態下采集到的圖像，圖4(a)、圖4 (b)、圖4 (c)、圖4 (d)分別是在振動頻率5Hz、10Hz、20Hz和30Hz，振幅為0.37mrad的條件下采集到的圖像。從圖像中可以看出，與靜止狀態相比，隨著振動頻率的增加，狹縫所成圖像的寬度不斷增加。這是由于隨著頻率的增加，系統的像移量增加。

圖3　靜止狀態下采集的圖像

圖5是實際測量得到的低頻階段電視成像系統動態傳遞函數。從圖5可以看出，當平臺低頻振動時，隨著振動頻率的增加，電視成像系統動態傳遞函數總體上下降更迅速。平臺振動頻率分別為5Hz、10Hz、20Hz和30Hz時，電視成像系統動態傳遞函數下降速度相比于靜止時，分別增加了10.1%、32.9%、41.2%、35.1%。這說明，平臺在低頻振動時，電視成像系統動態傳遞函數下降速度，隨著平臺振動頻率的增加不斷加快。當平臺振動頻率為30Hz時，電視成像系統動態傳遞函數下降速度卻小于頻率為20Hz時電視成像系統動態傳遞函數下降速度。這是由于振動頻率為30Hz時，出現了圖2(c)所示的返回運動，使系統能量集中度相對于振動頻率為20Hz時有所增加。

圖4　低頻階段采集到的圖像

圖5　低頻階段電視成像系統動態傳遞函數

2.2高頻正弦振動

為了驗證高頻階段電視成像系統動態傳遞函數，本文選取振動頻率50Hz、60Hz、70Hz、80Hz和210Hz，振幅為0.37mrad進行測量。

圖6(a)、圖6 (b)、圖6 (c)、圖6 (d)、圖6 (e)分別是在振動頻率為50Hz、60Hz、70Hz、80Hz和210Hz，振幅為0.37mrad時，電視成像系統在高頻振動時采集到的圖像。從圖像中可以看出，在高頻振動階段，電視成像系統對狹縫所成的圖像寬度基本相同。這是由于高頻階段，電視成像系統所成圖像的像移量相同，均為兩倍的振幅。

圖6　高頻階段采集到的圖像

如圖7，當平臺高頻振動時，電視成像系統動態傳遞函數相比于靜止狀態，下降更為迅速。平臺振動頻率為50Hz、60Hz、70Hz、80Hz和210Hz時，電視成像系統動態傳遞函數下降速度相比于靜止狀態，增加了了40.1%、41.6%、40.3%、41.5%、41.9%。從圖7中可以看出，當平臺高頻振動時，電視成像系統動態傳遞函數下降速度隨著頻率的增加不斷增加，但這種增加趨勢變得越來越緩慢。

圖7　高頻階段電視成像系統動態傳遞函數

3　結論

本文對平臺在不同振動條件下的電視成像系統動態傳遞函數進行了實驗測量。通過測量發現，當平臺低頻振動時，隨著振動頻率的增加，電視成像系統動態傳遞函數下降速度不斷加快。當平臺高頻振動時，隨著系統平臺振動頻率的增加，電視成像系統動態傳遞函數下降速度變化很微弱，當平臺高頻振動時，隨著振動頻率的增加，電視成像系統動態傳遞函數下降速度波動不斷減弱，逐漸接近靜止時的1.42倍附近。基本上均比靜止時增加了42%。

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(責任編輯楊繼森)

DynamicTransferFunctionMeasurementofTelevisionImagingSystem

DONGZai-tian1,ZHANGYi-jun2,TAOZhong2

(Xi’anInstituteofAppliedOptics,Xi’an710068,China)

Adynamictransferfunctionoftelevisionimagingsystemwasdesignedinordertostudythedynamictransferfunctionoftelevisionimagingsystemaffectedbyvibration.Thedynamictransferfunctionwasmeasuredbyputtingthefast-steeringmirror(FSM)whichdrovebyapiezoelectricceramicintoI-SITEcomprehensivemeasurementsystem.Theexperimentdatashowthatthedowntrendofthedynamictransferfunctionisincreasing10.1%～41.2%comparedwithstaticconditionwiththeincreasingfrequencyofvibrationandthenbeginstofallinthelowvibratingconditionandthedowntrendofthetransferfunctionisfluctuatingincreasing41.2%comparedwithstaticconditionwiththeincreasingfrequencyofvibrationandthenchangesslowlyinthehighvibratingcondition.

televisionimagingsystem;vibrationoftheplatform;dynamictransferfunctionoftelevisionimagingsystem;fast-steeringmirror

2016-04-21；

2016-05-15

董再天(1989—)，男，碩士研究生，主要從事光電總體設計研究。

10.11809/scbgxb2016.09.030

format:DONGZai-tian,ZHANGYi-jun,TAOZhong.DynamicTransferFunctionMeasurementofTelevisionImagingSystem[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(9):128-132.

O439

A

2096-2304(2016)09-0128-05

本文引用格式：董再天，張一軍，陶忠.一種電視成像系統動態傳遞函數的快速測量方法[J].兵器裝備工程學報，2016(9):128-132.