基于AOTF的可見光多光譜成像系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)靶標(biāo)輻亮度標(biāo)定測(cè)試

高鮮妮，王小兵，豆建斌，耿順山，楊紅堅(jiān)，李曉陽(yáng)

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基于AOTF的可見光多光譜成像系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)靶標(biāo)輻亮度標(biāo)定測(cè)試

高鮮妮，王小兵，豆建斌，耿順山，楊紅堅(jiān)，李曉陽(yáng)

（中國(guó)華陰兵器試驗(yàn)中心 制導(dǎo)武器試驗(yàn)鑒定仿真技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 華陰 714200）

為了對(duì)多光譜成像系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)，本文搭建了多光譜成像系統(tǒng)性能測(cè)試平臺(tái)，并對(duì)平臺(tái)的靶標(biāo)輻亮度進(jìn)行了標(biāo)定測(cè)試，計(jì)算分析了輻亮度傳輸效率。最后，利用該測(cè)試平臺(tái)對(duì)一組靶標(biāo)進(jìn)行了MRC測(cè)試，對(duì)該平臺(tái)進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。該測(cè)試平臺(tái)搭建及分析思路對(duì)紅外多光譜成像系統(tǒng)測(cè)試具有很強(qiáng)的指導(dǎo)與借鑒意義。

多光譜成像系統(tǒng)；測(cè)試平臺(tái)；輻亮度；AOTF

0 引言

多光譜成像系統(tǒng)就是在不同的光譜范圍內(nèi)有兩個(gè)或多個(gè)敏感通道的成像系統(tǒng)。通過(guò)同時(shí)獲得多個(gè)光譜波段的場(chǎng)景信息，并利用一定的信號(hào)處理算法和融合算法完成多通道圖像信息的相互補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜背景的抑制，從而顯著降低虛警率，提高系統(tǒng)的目標(biāo)獲取（探測(cè)、識(shí)別和辨認(rèn)）性能和抗干擾性能[1]。多光譜成像技術(shù)使系統(tǒng)獲取兩維空間信息加光譜維信息的多維圖像，提高了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)獲取任務(wù)的準(zhǔn)確性，但另一方面，多光譜成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法多樣、系統(tǒng)集成復(fù)雜[1-2]，如何對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行準(zhǔn)確描述、測(cè)試與評(píng)價(jià)，為系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、改進(jìn)與使用提供指導(dǎo)，是值得關(guān)注的問(wèn)題。

目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于成像系統(tǒng)性能的測(cè)試與考核，主要側(cè)重于單一寬波段成像系統(tǒng)的物理建型及性能評(píng)價(jià)。因此，搭建多光譜成像系統(tǒng)性能測(cè)試平臺(tái)，分析測(cè)試平臺(tái)的靶標(biāo)輻照度誤差傳遞特性及規(guī)律，建立測(cè)試系統(tǒng)全鏈路輻照度誤差傳遞模型及不確定度分析模型，保證輻照度量值傳遞準(zhǔn)確性和可比性，為多光譜成像系統(tǒng)性能的定量表征、測(cè)量以及探測(cè)識(shí)別目標(biāo)戰(zhàn)術(shù)性能客觀、定量評(píng)價(jià)等提供數(shù)據(jù)理論和技術(shù)基礎(chǔ)具有重要的意義。本文從基于AOTF的可見光多光譜成像系統(tǒng)性能測(cè)試平臺(tái)的光路傳遞過(guò)程入手，對(duì)測(cè)試平臺(tái)的靶標(biāo)輻亮度進(jìn)行了標(biāo)定測(cè)試，并計(jì)算分析輻亮度的傳輸效率，為系統(tǒng)性能測(cè)試驗(yàn)證提供客觀、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

1 光路傳遞原理

AOTF（Acousto-optic tunable filter, 簡(jiǎn)稱AOTF）是一種基于各向異性晶體在聲光相互作用下的布拉格衍射效應(yīng)制成的聲光可調(diào)諧濾光器，通過(guò)改變施加的射頻（RF）信號(hào)頻率，從而對(duì)入射寬波段光源進(jìn)行衍射，得到特定波長(zhǎng)的單色光[3-5]，如圖1所示。本文基于AOTF設(shè)計(jì)的靜態(tài)性能測(cè)試平臺(tái)主要包括：標(biāo)準(zhǔn)光源、光電調(diào)制器、靶標(biāo)、平行光管及控制系統(tǒng)等組成。標(biāo)準(zhǔn)光源提供多光譜成像系統(tǒng)測(cè)試需要的光源，輻射強(qiáng)度和光亮度可調(diào)。AOTF實(shí)現(xiàn)光譜的細(xì)分，模擬目標(biāo)的窄帶光譜反射特性。靶標(biāo)提供四桿靶、三角靶等標(biāo)準(zhǔn)靶標(biāo)。平行光管起到準(zhǔn)直光路作用，使靶標(biāo)成像于無(wú)窮遠(yuǎn)，保證測(cè)試精度。該測(cè)試平臺(tái)通過(guò)調(diào)整積分球光源亮度模擬不同光譜反射率差值系數(shù)，調(diào)整AOTF調(diào)制幅度及調(diào)制波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同波長(zhǎng)下的可見光多光譜成像系統(tǒng)最小可分辨對(duì)比度（MRC）的測(cè)試。

圖1 非線性AOTF工作原理

搭建的測(cè)試平臺(tái)光路如圖2所示，積分球光源經(jīng)500mm準(zhǔn)直光管準(zhǔn)直，再經(jīng)AOTF調(diào)制選擇窄波段光照射靶標(biāo)，進(jìn)入2546.1mm離軸平行光管，形成不同波段的靶標(biāo)圖像。假設(shè)光全部透過(guò)四桿靶標(biāo)，整個(gè)鏈路中不考慮光在大氣傳輸及其他的損耗，根據(jù)光路傳遞過(guò)程可得到：

總＝光源×1×AOTF×2(1)

式中：總為光路最終輸出的輻亮度；光源為光源輸出的輻亮度；1、1為500mm平行光管輸出的的輻亮度及傳輸效率，1＝1/光源；AOTFAOTF為AOTF調(diào)制后輻亮度及傳輸效率，AOTF＝AOTF/1；2、2為2546.1mm平行光管的輻亮度及傳輸效率，2＝2/光源。

圖2 測(cè)試平臺(tái)光路圖

2 可見光多光譜成像系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)輻亮度標(biāo)定測(cè)試

按照測(cè)試平臺(tái)光路傳遞過(guò)程，將積分球光源、500mm平行光管、AOTF（型號(hào)為TEAFI10-0.4-1.0S -MSD，波長(zhǎng)調(diào)整范圍為0.4～1.0mm）、靶標(biāo)、2546.1mm平行光管部件搭建測(cè)試平臺(tái)，采用PR-670型亮度色度計(jì)對(duì)平臺(tái)主要測(cè)試部件進(jìn)行了輻亮度測(cè)試。

圖3～圖6為積分球自身、積分球光源通過(guò)500mm平行光管及經(jīng)AOTF調(diào)制后與積分球光源通過(guò)2546.1mm平行光管后在不同積分球亮度下的亮度色度計(jì)測(cè)出的數(shù)據(jù)擬合曲面。可以看出，隨著積分球光源亮度逐漸增大，光路各個(gè)環(huán)節(jié)的輻亮度增大；在620nm與660nm附近輸出輻亮度峰值，這點(diǎn)與平臺(tái)所選的積分球光源有關(guān)；積分球光源通過(guò)2546.1mm平行光管后的輸出輻亮度高于通過(guò)500mm平行光管后輻亮度值，這是由于2546.1mm平行光管的入射口徑大，光源利用率高造成的；經(jīng)AOTF調(diào)制分光，在620nm與660nm附近輸出輻亮度峰值約為0.015 W/(sr×m2)。

圖3 積分球光源自身輻亮度輸出

圖4 積分球光源通過(guò)500mm平行光管后輻亮度輸出

圖5 積分球光源通過(guò)2546.1mm平行光管后輻亮度輸出

圖6 積分球光源通過(guò)500mm平行光管及AOTF調(diào)制后輻亮度輸出

積分球光源亮度選取典型值6852cd/m2，AOTF調(diào)制幅度設(shè)置為100%，輸出峰值波長(zhǎng)分別從538nm到718nm改變，測(cè)試光路各個(gè)主要環(huán)節(jié)的輻亮度變化，測(cè)試結(jié)果如表1、圖7所示。

從表1可看出，亮度色度計(jì)測(cè)試的積分球光源輸出輻亮度峰值在波長(zhǎng)656nm處，峰值為0.1536 W/(sr×m2)。在圖7中，積分球光源自身及分別通過(guò)500mm平行光管、AOTF調(diào)制和2546.1mm平行光管后，光路輻亮度傳遞效率逐漸減小。測(cè)試光路各主要環(huán)節(jié)的輻亮度傳遞效率計(jì)算結(jié)果如表2所示。將表1、表2中的數(shù)據(jù)帶入公式(1)，可計(jì)算出測(cè)試平臺(tái)最終輻亮度，同時(shí)，測(cè)試平臺(tái)整個(gè)光路輻亮度傳遞效率約為3.8%：

總＝光源×光源×1×AOTF×2＝

0.1536×0.6×0.07×0.91＝0.0059(W/(sr×m2)) (2)

為了驗(yàn)證該測(cè)試平臺(tái)中AOTF的調(diào)制分光效果，將積分球光源設(shè)置到13088cd/m2，AOTF調(diào)制幅度為100%不變，輸出峰值波長(zhǎng)從550～768nm之間變化，將積分球光源亮度值代入到光源自身與波長(zhǎng)的擬合函數(shù)中，得到不同波長(zhǎng)下輸出的輻亮度擬合值。并亮度色度計(jì)測(cè)試搭建的可見光多光譜測(cè)試平臺(tái)最終輸出的輻亮度值，將積分球光源輻亮度輸出值與平臺(tái)最終測(cè)試值比較，并利用Matlab進(jìn)行擬合。其擬合曲線函數(shù)為：

表1 測(cè)試平臺(tái)光路各環(huán)節(jié)的輻亮度（積分球光源亮度為6852cd/m2）

圖7 光路傳遞各環(huán)節(jié)輻亮度變化

Fig.7 Changes of radiance in each link of optical path transmission

＝/(＋)＋(3)

式中：＝2038.9，＝－545.2536，＝2.5423。

積分球光源為13088cd/m2時(shí)，輻亮度峰值波長(zhǎng)為618nm，峰值為0.2671 W/(sr×m2)，按照公式(1)計(jì)算：

總＝光源×光源×1×AOTF×2＝0.2671×0.6×

0.07×0.91＝0.0102(W/(sr×m2)) (4)

計(jì)算值0.0102 W/sr/m2與亮度色度計(jì)在618nm處的測(cè)試值0.01016565 W/(sr×m2)相吻合。

同時(shí)，從表3及圖8可看出，積分球光源輻亮度輸出值、測(cè)試平臺(tái)最終輻亮度輸出測(cè)試值均在618～690nm之間較大，隨之減小。兩者比值和波長(zhǎng)是反比例函數(shù)關(guān)系，隨著波長(zhǎng)增大，比值減小。采用該測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行可見光多光譜成像系統(tǒng)靜態(tài)性能測(cè)試時(shí)，其在618～690nm分光效果最好，與光源自身測(cè)試效果一致。

3 應(yīng)用舉例

將測(cè)試平臺(tái)中的AOTF調(diào)制頻率為105MHz，調(diào)制幅度由10%～l00%變化，控制靶標(biāo)輪轉(zhuǎn)到空間頻率為2.64cy/mrad的四桿靶測(cè)試圖案處。觀察在AOTF固定調(diào)制頻率、不同調(diào)制幅度下，輸出靶標(biāo)輻亮度變化特性，并觀察靶標(biāo)的圖像變換情況，最終測(cè)出該靶標(biāo)空間頻率下的MRC。

由圖9～圖10可以看出，頻率一定時(shí)，峰值波長(zhǎng)在654nm，隨著AOTF調(diào)制幅度的減小，圖像變暗，輸出靶標(biāo)輻亮度減小，其值由3.5×10－3W/(sr×m2)減小到約2.5×10－4W/sr/m2。測(cè)試時(shí)背景光譜輻亮度約為1.64W/(sr×m2)，故在AOTF波長(zhǎng)為654nm、調(diào)制幅度10%下，2.64cy/mrad空間頻率靶標(biāo)的MRC約為52%。

4 結(jié)論

本文針對(duì)搭建的基于AOTF可見光多光譜成像系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)，在實(shí)驗(yàn)室分別對(duì)平臺(tái)中光源、500mm平行光管、AOTF調(diào)制后及2546.1mm平行光管輸出的輻亮度進(jìn)行了標(biāo)定測(cè)試，并計(jì)算得到各傳輸環(huán)節(jié)的傳輸效率，同時(shí)對(duì)整個(gè)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試比對(duì)分析，AOTF調(diào)制后的數(shù)據(jù)與光源趨勢(shì)一致。最后，利用本文搭建的測(cè)試平臺(tái)對(duì)一組靶標(biāo)進(jìn)行了MRC測(cè)試。從本文的分析可以得出：

1）多光譜成像系統(tǒng)與傳統(tǒng)寬波段成像系統(tǒng)在性能測(cè)試平臺(tái)搭建上存在較大差異；

表2 測(cè)試平臺(tái)光路各環(huán)節(jié)的輻亮度傳遞效率（積分球光源亮度為6852cd/m2）

表3 積分球光源為13088cd/m2時(shí)輻亮度輸出

2）測(cè)試平臺(tái)中加入AOTF，將光譜維引入到系統(tǒng)性能測(cè)試中；

3）通過(guò)整個(gè)測(cè)試光路傳輸鏈路的分析，為建立測(cè)試系統(tǒng)全鏈路MRC不確定度分析模型提供各環(huán)節(jié)的擬合與測(cè)試數(shù)據(jù)，保證輻照度量值傳遞準(zhǔn)確性和可比性；

4）對(duì)紅外多光譜成像系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試與評(píng)價(jià)時(shí)，同樣可借鑒本文的分析，調(diào)整改變本文測(cè)試平臺(tái)中的測(cè)試部件為黑體、紅外AOTF、紅外靶標(biāo)及平行光管。

圖8 積分球光源/測(cè)試平臺(tái)最終輸出與波長(zhǎng)的關(guān)系

Fig.8 Relationship between the ratio of final output and wavelength

圖9 AOTF頻率固定時(shí)，光源輸出輻亮度變化

圖10 AOTF頻率固定，靶標(biāo)圖像隨調(diào)制幅度增大的變化

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Calibration and Test of Radiance for an AOTF-based Visible Multi-spectral Imaging System

GAO Xianni，WANG Xiaobing，DOU Jianbin，GENG Shunshan，YANG Hongjian，LI Xiaoyang

(China HuaYin Ordnance Test Center, Key Lab of Guided Weapons Test and Evaluation Simulation Technology, Huayin 714200, China)

In order to test and evaluate the performance of multi-spectral imaging system, this research built themulti-spectral imaging systemtest platform.The each link output radiance of the visible light multi-spectral imaging systemtest platform based on AOTF is analyzed, and it’s calculated the output radiance transmissible efficiency. The platform has been tested and verified, when the MRC is tested in this test platform. The building method and analysis of this test platform maybe has reference meaning for infrared multi-spectral imaging system test.

multi-spectral imaging system testing，testing platform，radiance，AOTF

TN219

A

1001-8891(2017)07-0610-05

2016-05-09；

2016-08-16.

高鮮妮（1982-），女，陜西禮泉人，碩士，工程師，研究方向?yàn)橹茖?dǎo)武器仿真鑒定。E-mail：xianni0201@163.com。