红外导引头光学系统检测研究

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bc./78d/ eAIf<=gFhiDjF>jk=kIlmIInIkF>=>DEhFommimhIp Fmf<FhIImmI>hF=ghDFhmlIhIohF>?o=E=qFgFhiTHIo=>
$:&能量三维 图和二维图 利用 OPQ3RS和 T’技术完成 这一功能"它 主要 是 为了直 观地 显示光 斑质 量的 优劣"完成 光斑质 量的 定性 分析#
U 自动聚焦
$%&自动聚焦 原理 自动聚 焦采 用了 传统 的登 山随动 自动 聚焦 系统 # 即E从 ’’(中取出 图像信号"计 算出调焦评 价函数值 " 经 过 计 算 处 理 "转 换 为 ’’( 移 动 的 控 制 信 号"移 动 ’’(使其 找到最佳相面 位置即焦点 位置#图 *所示的 是登 山随动系统 调焦的工作 原理#
图 ! 系统框架图
*;+
仪器仪表学报
第 *+卷
! 图像处理
在对 光斑 图像进 行数 字信 号处 理的 过程 中"本 系 统设计了以 下参数用以表 征光斑性质 #
$%&光斑截 取 ’’(采集到 的光斑 信号经 图像采 集卡 转换后 "得 到一幅具有 不同灰度等级 的图像$若采 用 %)位采集 卡
将 有 %)*+个 灰 度等 级&# 在程 序 中开 辟 大 数 组 ,-./ 012032"把 每 个像 素 对应 的 灰度 值 从图 像 采集 卡 的 线性 基地址中 读入该 数组中"其 中 ,-./042052代表第 4 行 5列的像素灰 度值"它是该 点处光强的反 应#
Ir=p mIInIksmf<=gFhiqi<mF>?hAIhImhmimhIp hA=hmFp<g=hImEk=ohFo=gmFh<=hFD>TeAFm=khFogIF>hkDl<oImD<k kImI=koApIhADlDjm<oAhImhmimhIp hAkD<?AhAI=mEIohmDjFp=?Ip=>FE<g=hFD>=>l=<hDtjDo<mF>?*F>og<lF>?hAI
第 "$卷第 $期增刊
仪器仪表学报
"&&%年 #月
红 外 导 引 头 光 学 系统 检 测 研 究
黄 畅 ! 严国萍 ! 李文 恩" !#华中科技大学电信系 武汉 $%&&’$( "#华中科技大学光电系 武汉 $%&&’%(
摘要 红外导引头光学系统成像质量的好坏对导引头的探测能力起着至关重要的作用)通过模拟实际使用场景的检测系统*可 以检测引导头光学系统质量)此文从图像处理及自动聚焦两方面介绍了检测系 统的研究方法*包括光斑图像处 理的特点*聚焦 的控制原理*调焦函数的选取等*文末给出了测试系统的调试结果和误差分析)该测试系统已调试通过*其导引头 光学系统的检 测 能 力 达 到 了 预 期 指 标 *具 有 实 际 应 用 价 值 ) 关键词 红外导引 图像处理 自动聚焦
oA=k=ohIkFmhFomDjj=o<g=Fp=?Ip=>FE<g=hFD>*hAI EkF>oFEgIDjhk=lFhFD>=gjDo<mF>? oD>hkDghAIDki*=>l hAI
mIgIohF>?DjhAIjDo<mF>?j<>ohFD>m*IhoTu>hAII>l*vI?FwID<hhAImFp<g=hF>?kIm<gh=>lhAIIkkDk=>=gimITuh
机进 行图像处理 *包括图像增 强~恢复~几何 分析~聚焦
{引 言
等来 判断导引头 的光学质量 )测试中可以 用软件实现
单步 或自动完成 旋转"平移工 作台各种动 作*不断改变
在军 事应 用中*目标发 射的 红外 光照 射在 引导 头 成 像视场 和成 像距离 *完成 对导 引头 光学 系统的 全方
第 =期增刊
红外导引头光学系统检测研究
&5D
从概率的角 度着手!函数 评价值与灰度 值直接相关 !对 于灰度 值相 对较小 的副斑 噪声 能予 以有 效抑 止!计 算 结果最精确 !但此法需做灰 度分布直方 图!还需进行 对 数计算!计算 量太大!这将 延长调焦时间 "图像灰度 差 法在三 种算 法中计 算量最 小!但 由于 此算 法完 全采 用 相对值计算 !对局部高亮点 的噪音不能 有效抑止"图象 标准 差 法以 图 像窗 口 所有 像 素点 的 灰度 平 均值 为 参 考!降低 了局 部噪 声的 影响 !而且 在计 算中 可用 #$%& 作为函数评 价值!计算量 适中!适用于 本系统"图像 标 准差 定义为 图 像的 灰 度 ’()!*+与 其均 值 , -之差 的 平
图 5 光斑图像
图 = 光斑的三维能量分布图 整个过 程是>首先 77?从静止状态 开始向山顶 向调节!第一 次达到山顶附 近(固定位 置+可视为粗 调! 然后进 行横 向的自 动对中 !这个 过程 选取 的前 进速 度
较 快"随 后纵向 进行 最小 步距 (@A@0BB+前进 <采集 < 计算 方差值!为细 调"通过初调 焦!我们可控 制最佳像 面 落在设 定起 点后的 0@@步 中!达到 0@@后!存下最大 方差时的物理坐标!为了减少误差!然后进入逆向细调! 同样走 0@@步!记录下最大方差的物理坐标!最后根据 & 次的坐标平均就可以得到实际的最佳像面的位置"
C 测试结果
通过理 论分 析和 实践 验证!本自 动聚 焦算法 取得 了满 意的效果!聚 焦的时间约 为 0@#!重复性很 好"
实验 结果 见 图 5和图 =!中间 的 图像 为自 动 聚焦 获 得的!左图 为单步 调节至 远焦 @A@DBB!右图 为近焦 @A@DBB 的采集 的 E16图和能量 三维分布 图!从图中 可以 清楚地分辨 焦点处的能 量最集中!图 像质量最好"
机控制器来 完成的"因 为其中的数 据通信是用8799 的 1:7;1 串口控件来 实现的!加之 图像的数据量 较大! 实时性 不高!所以应 根据理 论和 实际 的经 验来 制定 控 制方案 !合理 选取电 机的 前进 步距<运行 速度!科学 分 配各部件等 待时间就显得 尤为重要"把循环判断 <计算 等操作放在 串口事件里编 程有助于提 高实时性"
F 误差分析
本系统涉及 的误差来源 多且复杂!主 要有 77?的
非线 性及非均匀 度误差!光源 的非均匀度 误差!以及机
械结 构的定位误 差等"对于 77?的误差!采 用高稳定
光 源!积分 球!照 度表 等仪 器组 成的系 统来 专门 测试 "
在 理想 情况 下!在 77?的 动态 范围 内!灰 度值 877?与
计算#
$*&重心坐 标 得 到灰度 数据后 "采用 重心 法$一阶 原点 矩&求 出
光斑重心坐 标#光斑重心 的坐标 C)"D) 的计算 公式如 下E
H
G5I,-./042052
CF 4F %
)
HJ
GG,-./042052
4F % 5F %
HJ
GG5I,-./042052
D F 4F % 5F %
)
/1
3 方 和 再 开 方!即 %$ ..(’()!*+2, -+&!其 中 , -$ )$ 0 *$ 0 /1
..’()!*+ /41!/41 为 图像 规模 的大 小!使 %
)$ 0 *$ 0
为最大值的 点即为系统的 齐焦点" (5+自动聚 焦功能的实 现 自动调焦 的实现是根 据软件计算 !67机驱动 单片
ห้องสมุดไป่ตู้
HJ
GG,-./042052
4F % 5F %
$;&光斑大 小
按照不 同的能量比计 算的光斑大 小#一般认为 当
一定区域的 光斑光强和占 据了光斑全 部光强和8)KL
M)K时"它已能 基本体现光 斑的性质#据 此"本系统 制 定了以 下算 法E以光 斑中 心为 圆心"以等 距离 圆环 $以
一个像素单 位为单位&逐 渐向外扩展"直到圆内的所 有 点的光强和满 足E
光照 度 G之间应 成线性关系 "即>877?$HG而实际上 !
由 于 77?芯片光 电转 换本 身及 后续 电路的 非线 性误
差!877?与光照 度 G之间 呈非线 性关 系>877?$’(G+其
非 线性误 差为>I877?$ J77?的实 测灰 度值一 线性回 归后 的灰度值J!即 I877?$ J’(G+2HGJ当误差较大时
要采 用软件补偿的 方法消除误 差"实测的 77?的非线
性误 差(相对值+为 &KDLM !无须软件 补偿"77?非均
匀 度测试 方法 和装置 同上 面的 非线 性度的 测量 装置 "
测试 条件如下>环境温度 NO$&@P "根据下 式可计算 出 77? 各 像 元 的 非 均 匀 度>GQ$ R(8Q2 8 S+T8 SU4 0@@M 在某 一光 照度下 !8Q为 某一 像元 的 响应 电压!S8
’’(的精度 决定了 采集出 的图像 的大 小"一般 一 幅 6789:67的 图像 将会 产 生 ++*;78个数 据"而所 要 处理的有用 信号只是图像 采集卡所采 得的有光斑图 像
的部分 $其它 部分 灰度很 低&"所 以从 检测 的精 确度 和
计算量 的角度 考虑"须对光 斑图 像的 有用 信号 进行 截 取#我们设定了光 强临界值 <=->?=@AB"$临界值的 选取 与 ’’(的暗电 流噪声有关 &灰度值大于 <=->?=@AB的" 均认为是光 斑图像的有效 信号"划归到 光斑内部"参 与
圆内 的所 有点 的光 强和N总 光强 和F 预定 的能 量
比$8)K或 M)K& 则认 为此 圆为光 斑的 理想 圆"以 此理 想圆 的直 径
表示光斑大小 # $+&视场角
实际系统中 "目标$光源&是运动的"光源 在不同视 场 角形成 的光 斑性质 不一 样"所 以要 求测 试系统 能分 别模 拟"分别分析 #基于激光器 稳定性考虑 "要频繁移 动本 测试系统中 用以模拟无 穷远光源的红 外激光光源 不 可 取"本 系 统采 用 了以 下 办法 E将 红 外光 源 固 定不 动"将被测光学系 统及 ’’(安 装在可移旋转 台上同时 旋转 移动"这样也 达到了与实 际同样的旋转 效果#
A=mqII>EkDwIlhA=hhAIlIhIohF>?=qFgFhiDjhAFmhImhmimhIp vFhAF>jk=kIlmIInIk=hh=F>IlhAIIrEIohIlh=k?Ih =>lFmEkDpFmF>?jDkj<h<kIEk=ohFo=g<mIT
x-1y379. u>jk=kIlmIInIk up=?Ip=>FE<g=hFD> z<hDtjDo<m
图 * 登山随动自动聚焦的工作原理 $*&自动调焦 评价函数的选 择 调焦评 价函 数是 自动 聚焦过 程的 唯一 度量 "因此 要解 决自动调焦 问题很重要 的一点是如何 选取调焦函 数作 为调焦判别函 数#本测试 系统的特点 是工作波长 在 近红外 "外 界杂 光干扰 较小 "在去 除掉 ’’(暗 电流 噪声 影响之后"光 斑图像与背 景的差别较 大"但如果光 路调 节未达到最 佳"采集过来 的图像容易 出现双斑"即 有一 个大而明亮 的主斑"还有 一个小而灰 暗的副斑"所 以 本系统 调焦 评价函 数的 选择 除了一 般的 无偏 性V单 峰性 V能反映离焦 极性等的考 虑之外"还主 要从降低副 斑噪 声的影响和 减低计算量提 高实时性两 面进行考 虑# 通过对图像 灰度熵V图像 灰度差V图像 标准差三种 自 动调焦 评价 函 的 对比 分析 得知E图像 灰度熵 算法
上*被透镜后 面的四象限探 测仪探测到 *引导头便可 进 位的 检测)
行目标跟踪 )所以引导头 光学系统成像 质量的好坏 对
红外导引头的 探测能力起 着至关重要的 作用)本测 试
仪器通 过模 拟实际 使用场 景*检 测引 导头 光学 系统 质
量)
| 测试系统简介
测试 中的 聚焦 及控制 系统 如图 !所 示}光 源经 过 准直*模 拟无 穷 远处 的 红外 平 行光 *经 被 测光 学 系 统 #包括 准直~扩束~衰减(在 @@!成像 面上 聚焦 为一 个 不可见 的光斑 *此光 斑 通过 图像 采集 卡进 入计 算