姜昌錄，袁 良,2，汪建剛，李 輝，王生云，康登魁，楊朋利，王 雷

（1.西安應(yīng)用光學研究所 國防科技工業(yè)光學一級計量站，陜西 西安 10065；2.北京理工大學 光電學院，北京 100081）

引言

光電成像系統(tǒng)作為信息化武器裝備的感知和測量系統(tǒng)，是光電成像領(lǐng)域的核心，主要完成對目標的探測、識別、瞄準等任務(wù)，廣泛應(yīng)用于機載、車載、艦載和星載等武器平臺。光學傳遞函數(shù)用于光電成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量評價，廣泛應(yīng)用于光學設(shè)計全過程、光學加工及計算機輔助裝調(diào)和光電系統(tǒng)整機的成像質(zhì)量評價[1-5]。動態(tài)調(diào)制傳遞函數(shù)（DMTF）測試是評價具有像移補償功能的光電成像系統(tǒng)實際成像質(zhì)量的一項重要指標，動態(tài)調(diào)制傳遞函數(shù)的高精度測試能夠更真實地反映光電成像系統(tǒng)在運動狀態(tài)下的工作情況[6-9]。

對于動態(tài)調(diào)制傳遞函數(shù)的研究，國內(nèi)外提出了多種理論分析方法。目前其檢測方法主要分為兩種，第一種是對運動條件下的目標進行測量得到動態(tài)調(diào)制傳遞函數(shù)；另一種方法是在光電成像系統(tǒng)運動狀態(tài)下測量動態(tài)調(diào)制傳遞函數(shù)[10-15]。本文介紹了一種動態(tài)調(diào)制傳遞函數(shù)測量裝置，采用直線運動形式的動態(tài)目標發(fā)生器提供勻速和簡諧運動等多種運動模式的運動目標，對運動條件下的目標進行測量得到DMTF，實現(xiàn)對光電成像系統(tǒng)動態(tài)成像質(zhì)量的評價。

1 動態(tài)調(diào)制傳遞函數(shù)測量裝置組成

動態(tài)調(diào)制傳遞函數(shù)測量裝置由動態(tài)目標發(fā)生器、光學準直系統(tǒng)、多維調(diào)整臺、動態(tài)圖像采集處理系統(tǒng)和計算機等組成,測量裝置如圖1所示。

圖1 動態(tài)調(diào)制傳遞函數(shù)測量裝置框圖Fig.1 Block diagram of dynamic modulation transfer function measuring device

其工作過程為：動態(tài)目標發(fā)生器可以產(chǎn)生一個勻速運動、勻加速運動或簡諧運動的運動刀口目標，被測光電成像系統(tǒng)對運動刀口目標成像，由動態(tài)圖像采集處理系統(tǒng)采集，安裝在計算機中的綜合處理軟件完成DMTF 計算。

1.1 動態(tài)目標發(fā)生器

動態(tài)目標發(fā)生器包括積分球照明系統(tǒng)、積分球控制系統(tǒng)、濾光片、靶標、精密運動機構(gòu)、靶標運動控制系統(tǒng)和光學投影系統(tǒng)等。動態(tài)目標發(fā)生器構(gòu)成示意圖如圖2所示。

圖2 動態(tài)目標發(fā)生器構(gòu)成示意圖Fig.2 Diagram of dynamic target generator

在動態(tài)目標發(fā)生器中，積分球照明系統(tǒng)是面光源，其光譜范圍為（0.45～0.90）μm，積分球內(nèi)壁直徑為400 mm，出口直徑為50 mm，出口照度均勻性優(yōu)于98%。積分球照明系統(tǒng)最小照度值可控制到0.01 lx，最大照度值為10 000 lx。靶標設(shè)計成刀口靶形式，精密運動機構(gòu)的作用是承載刀口靶標按照設(shè)計的運動模式運動，運動控制系統(tǒng)由運動控制器、計算機和光柵尺組成，形成閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，按照PID 控制理論實現(xiàn)對精密運動機構(gòu)的高準確度控制。

為了擴展動態(tài)目標速度范圍達到30 mm/s～5 000 mm/ s，并且具有較高的速度穩(wěn)定性。采用光學放大或者縮小的方式來實現(xiàn)，光學放大或縮小沒有延遲，同步性極佳。因此，設(shè)計一個光學投影系統(tǒng)，將靶標投影后的像作為運動目標，保證直線電機速度范圍設(shè)置在一個較短的范圍內(nèi)，通過PID算法容易實現(xiàn)速度的穩(wěn)定控制。

投影系統(tǒng)的光學材料采用HLaF3B、HZF6 和HZBaF3，設(shè)計指標為：放大倍率為10 倍，分辨率7 μm，物距為13.45 mm，光學系統(tǒng)長度為23.8 mm，像距260.2 mm。光學設(shè)計圖如圖3所示，該系統(tǒng)的MTF如圖4所示。

圖3 10 倍放大投影系統(tǒng)光學方案Fig.3 Optical scheme of 10× magnification projection system

圖4 投影系統(tǒng)MTF 曲線（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 光學準直系統(tǒng)

光學準直系統(tǒng)是測量裝置的主體部分，對像質(zhì)和環(huán)境影響有嚴格的要求。根據(jù)測試需要，選擇離軸拋物面做主鏡，平面反射鏡做次鏡構(gòu)成大口徑、長焦距光學準直系統(tǒng)，光學準直系統(tǒng)的光學波像差達到RMS≤λ/15～λ/20，以避免光學準直系統(tǒng)的傳遞函數(shù)對被測光電成像系統(tǒng)造成影響。焦面有效使用區(qū)域大于30 mm×30 mm，同時在使用環(huán)境溫度（20±5）℃、小量級振動的條件下焦面漂移小于0.5%，自身像質(zhì)穩(wěn)定性不超過5%，光學準直系統(tǒng)布局如圖5所示。

圖5 光學準直系統(tǒng)布局圖Fig.5 Layout of optical collimation system

為減小使用過程中鏡面變形、保證光學系統(tǒng)像質(zhì)穩(wěn)定性，光學準直系統(tǒng)光學材料采用微晶玻璃，反射鏡光學表面均鍍金屬反射膜和保護膜，在工作波段內(nèi)平均反射率可以達到90%以上。設(shè)計指標為：口徑600 mm，焦距10 000 mm。

光學準直系統(tǒng)的系統(tǒng)波像差達到λ/21，測量結(jié)果如圖6所示。將測量結(jié)果帶入光學設(shè)計軟件進行仿真分析，仿真結(jié)果如圖7所示。結(jié)果表明，光學準直系統(tǒng)的MTF 曲線十分接近衍射極限，因此光學準直系統(tǒng)的波像差對測量結(jié)果的影響可以忽略。

圖6 光學準直系統(tǒng)波像差Fig.6 Wave aberration of optical collimation system

圖7 光學準直系統(tǒng)仿真分析結(jié)果Fig.7 Simulation results of optical collimation system

1.3 動態(tài)圖像采集處理系統(tǒng)

動態(tài)圖像采集處理系統(tǒng)采用CameraLink 接口的OR-X4C0-XPF00 型號采集卡，CameraLink 接口能夠方便對CCD 幀頻、曝光時間、增益、觸發(fā)模式等參數(shù)進行修改，支持單個Base/Medium 以及Full CameraLink 接口相機，能夠?qū)崿F(xiàn)實時、高速的采集圖像。

在DMTF 圖像處理方面，采用傾斜刀口數(shù)字掃描FFT 技術(shù)消除混頻效應(yīng)。由于刀口像與探測器單元排列方向存在夾角，探測器每行采集到的刀口像灰度不同，通過多行刀口像灰度分布插值實現(xiàn)亞像元采樣，獲得可靠的高分辨率LSF 曲線，進而獲得無混疊DMTF 測試結(jié)果。

2 實驗結(jié)果與測量不確定度

2.1 實驗結(jié)果

為了驗證該動態(tài)調(diào)制傳遞函數(shù)測量裝置的DMTF 測量精度，研制了一臺由光學系統(tǒng)和CCD非相干耦合而成的光電成像系統(tǒng)，光學系統(tǒng)設(shè)計指標口徑為Ф200 mm，焦距600 mm。CCD 選用DALSA 公司的HS-80-04K40 系列TDI CCD，可設(shè)置為TDI 和AREA 兩種模式。

設(shè)置CCD 為TDI 模式，對光電成像系統(tǒng)進行了DMTF 測試。將靶標安裝于光學準直系統(tǒng)焦面位置，調(diào)節(jié)光軸、光瞳、焦面到最佳位置，調(diào)節(jié)光源使CCD 器件工作在線性區(qū)；通過被測光電成像系統(tǒng)的積分時間等參數(shù)計算動態(tài)目標的運動速度，由靶標運動控制系統(tǒng)驅(qū)動靶標做相應(yīng)速度運動，被測光電成像系統(tǒng)工作在TDI 模式下，動態(tài)圖像采集處理系統(tǒng)采集信號圖像，采集完成后由計算軟件完成DMTF 的計算。在400 mm/s 速度點設(shè)置刀口目標運動速度，同時設(shè)置對應(yīng)的TDI CCD 行轉(zhuǎn)移速度與目標速度匹配，記錄DMTF 測量結(jié)果。并與目標靜止、TDI CCD 設(shè)置為AREA 模式的靜態(tài)MTF 測試結(jié)果進行對比，測量結(jié)果如表1所示，MTF 對比曲線如圖8所示。

表1 400 mm/s 速度時光電成像系統(tǒng)DMTF 測量結(jié)果Table 1 Photoelectric imaging system DMTF measurement results at 400 mm/s speed

圖8 光電成像系統(tǒng)靜態(tài)MTF 和DMTF 曲線對比圖Fig.8 Contrast graph of static MTF and DMTF curve of photoelectric imaging system

設(shè)置刀口目標以5 000 mm/s 速度運動，TDI CCD 行轉(zhuǎn)移速度保持不變，此時處于速度失配狀態(tài)，DMTF 測量結(jié)果見表2。

表2 5 000 mm/s 速度時光電成像系統(tǒng)DMTF 測量結(jié)果Table 2 Photoelectric imaging system DMTF measurement results at 5 000 mm/s speed

測試結(jié)果標明：光電成像系統(tǒng)在靜態(tài)條件下和速度匹配的動態(tài)條件下MTF 數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出的規(guī)律是DMTF≤靜態(tài)MTF，差值在0.05 以內(nèi)；在速度失配狀態(tài)下，光電成像系統(tǒng)的DMTF 迅速下降，測試結(jié)果符合MTF 測量理論。

2.2 測量不確定度評定

影響測量結(jié)果的分量有許多，每個分量對測量結(jié)果的分散性都有貢獻，根據(jù)光電成像系統(tǒng)動態(tài)傳遞函數(shù)測量原理分析，測量不確定度數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 動態(tài)傳遞函數(shù)測量不確定度分析一覽表Table 3 Uncertainty of dynamic modulation transfer function measurement

3 結(jié)論

本文介紹了一套光電成像系統(tǒng)動態(tài)傳遞函數(shù)測量裝置，其光學準直系統(tǒng)的焦距為10 000 mm；其動態(tài)目標發(fā)生器光譜范圍為（0.45～0.90）μm，照度值最小可控制到0.01 lx，最大值約為10 000 lx；動態(tài)目標速度范圍為30 mm/s～5 000 mm/s，動態(tài)調(diào)制傳遞函數(shù)測量范圍為0.10～0.99，測量不確定度為U=0.05（k=2）。解決了光電成像系統(tǒng)動態(tài)成像特性參數(shù)的測量問題，為長焦距光電成像系統(tǒng)成像性能參數(shù)的測量提供了計量手段，滿足航天偵察相機、多光譜相機等諸多光電成像系統(tǒng)動態(tài)成像質(zhì)量評價的需求。