董再天，张一军，陶　忠

(西安应用光学研究所，西安　710068)



【光学工程与电子技术】

一种电视成像系统动态传递函数的快速测量方法

董再天1，张一军2，陶忠2

(西安应用光学研究所，西安710068)

为了研究平台振动与电视成像系统传递函数之间的关系，提出了一种电视成像系统动态传递函数快速测量方法。通过将压电陶瓷带动的快速反射镜系统引入I-SITE测量系统光路中的方法，实现了对不同振动环境下电视成像系统传递函数的快速测量。通过测量发现，平台低频振动时，随着频率的增加，电视成像系统动态传递函数下降速度比静止时增加了10.1%～41.2%；平台高频振动时，随着频率的增加电视成像系统动态传递函数下降速度比静止时增加了42%。

电视成像系统；平台振动；电视成像系统动态传递函数；快速反射镜

用于远距离探测的高分辨率电视成像系统，由于受到平台振动的影响，成像品质不稳定[1]。平台的振动使目标和电视成像系统之间产生相对运动,这种相对运动引起目标所成的像，在一个曝光周期内偏离或者往复地经过静止时的位置，从而造成图像品质下降[2-3]。电视成像系统传递函数是电视成像系统成像品质的综合评价指标，通过研究平台振动对电视成像系统传递函数的影响，可以分析出振动对系统成像品质的影响规律，提高系统的设计能力。由于电视成像系统传递函数是在振动条件下测量的，因此叫作电视成像系统动态传递函数。

目前国内外[4-9]对这方面的研究越来越重视。电视成像系统动态传递函数测量主要集中在两个方向：一是利用动态目标模拟器或机械振动平台等使目标振动，电视成像系统静止[10-11]；二是利用机械振动平台使电视成像系统振动，目标静止[12-13]。这两种方法都能对电视成像系统动态传递函数进行测量，但是其实时性、测量精度等不够理想。

本研究采用在I-SITE(integratedsystemforimagertestandevaluation)综合测量系统的光路中引入可控压电陶瓷带动快速反射镜系统的方法，测量了不同振动条件下电视成像系统动态传递函数。I-SITE综合测量系统，自动化水平高，能够快速地给出测量结果。可控压电陶瓷带动快速反射镜系统具有控制简单，精度高等优点，能够准确地模拟不同振动条件。通过将可控压电陶瓷带动快速反射镜系统和I-SITE综合测量系统组合，实现了对电视成像系统动态传递函数的快速测量。

1　电视成像系统动态传递函数的快速测量方法

1.1可控压电陶瓷带动的快速反射镜系统

可控压电陶瓷带动的快速反射镜系统可以模拟平台不同的振动条件，主要由函数发生器、压电陶瓷控制器、示波器、压电陶瓷和快速反射镜等组成。通过函数发生器将不同频率、振幅以及振动形式的函数波输入到控制器，控制器将按照相同的频率、振动形式，以及相应的振幅控制压电陶瓷带动快速反射镜振动。振幅的计算式为

(1)

式中：A为快速反射镜的振幅；U为函数发生器输出振动形式的振幅；η是一个与控制器有关的系数。另外，反射镜的位移可以通过压电陶瓷上的位移传感器实时地传递给示波器，通过示波器，可以实时观测到反射镜的位移变化。

1.2I-SITE综合测量系统

I-SITE综合测量系统可以测量电视成像系统的线扩展函数(LSF)、分辨率以及传递函数(MTF)等多种参数,其主要由标准光源、反射镜、凹面镜和信号处理计算机等组成。测量时，标准光源通过狭缝射出，经过反射镜反射到凹面镜形成平行光线，到达电视成像系统形成图像。电视成像系统将采集到的信号传递给信息处理计算机，并由计算机将信号处理计算得到被测电视成像系统传递函数。

1.3电视成像系统动态传递函数的快速测量

本研究采用将可控压电陶瓷带动快速反射镜系统引入I-SITE综合测量系统的光路中的方式测量电视成像系统动态传递函数。测量原理如图1所示。

图1　电视成像系统动态传递函数测量装置示意图

测量光路如图1，标准光源通过狭缝射出，经过反射镜反射到凹面镜形成平行光线，平行光线再经过安装在可控压电陶瓷带动的快速反射镜到达电视成像系统。电视成像系统将采集到的信号传递给信息处理计算机，并由计算机将信号处理成可视化的信息。测量时，通过函数发生器，将相应波形、频率和振幅的电压信号传递给控制器，控制器控制压电陶瓷带动快速反射镜按照相应的波形、频率和振幅往复偏转。压电陶瓷的偏转角度信息由传感器采集并通过信号线传递给示波器，从而确定压电陶瓷的偏转信息。利用快速反射镜的这种往复偏转，模拟平台的各种振动条件，通过I-SITE综合测量系统测量，即可得到实时的电视成像系统动态传递函数。

1.4平台振动对电视成像系统动态传递函数影响分析

平台的振动对电视成像系统的影响主要表现在像移量以及能量集中度。像移量是指一次曝光时间内所成图像运动的最大距离。能量集中度是指点目标所成的像的能量集中情况。平台的振动频率、幅值等都会改变电视成像系统的像移量和能量集中度，影响电视成像系统动态传递函数下降速度。根据振动周期与电视成像系统的曝光时间，可以将振动分为低频和高频[9]。低频是指平台的振动频率小于电视成像系统的曝光频率；高频是指平台的振动频率大于电视成像系统的曝光频率。平台低频振动时，电视成像系统的成像品质随着振动频率的增加不断下降。当平台高频振动时，电视成像系统成像品质会很模糊，但是这种模糊程度随着频率的增加，改变越来越不明显。电视成像系统动态传递函数作为成像品质的综合评价方法，可以对不同振动条件下的成像品质进行量化对比。

以物空间上点的成像为例，当平台运动时，一个曝光周期内点目标所成像的能量不再聚集在特定的传感器单元上，而是随着运动发散在图像所经过的每一个传感器单元上。在曝光时间内，物空间上的点所成像的能量越集中，系统的点扩展函数就越集中，系统的传递函数下降越慢。

当平台低频振动时，物空间上的点所成像的运动历程如图2(a)、图2 (b)、图2 (c)所示，随着移动量的增加，物空间上的点所成像经过的传感器单元越多，物空间上的点所成像的能量越发散，系统的点扩展函数也更加发散，电视成像系统动态传递函数下降速度也增加。如图2(c)，当平台的振动频率与曝光频率之比在0.5～1时，由于平台出现了返回运动，物空间上的点所成像在右侧传感器单元上停留时间增加，因此能量更加集中在右侧传感器单元上，系统的点扩展函数就相对集中，此时电视成像系统动态传递函数的下降速度也减小。

当平台处于高频振动时，物空间上点所成的像做往复运动，只要平台的振幅确定，那么系统所成像的发散范围也就确定了。随着平台振动频率的增加，物空间上点所成像的能量发散程度变化也越来越微弱。如图2(e)当平台运动历程中，经过左侧的两个传感器单元的时间大于右侧，说明在曝光时间内，左侧两个传感器单元所接收到的能量较多。如图2(d)、图2 (e)、图2 (f)，随着振动频率的增加，这种差别越来越微弱，此时，电视成像系统动态传递函数下降速度变化也很微弱。

图2　振动历程对应的点扩展函数示意图

2　测量结果

平台的运动形式往往具有很多不确定性，本文主要研究其中的正弦振动。通过分析发现，平台振动频率在低频阶段和高频阶段的影响并不一致。本文将对平台的低频振动和高频振动分别设置不同的频率值进行测量。测试对象是由一个焦距400mm，F数3.8的光学成像系统、曝光周期0.025s的传感器、处理电路和显示器组成的电视成像系统。

2.1低频正弦振动

在低频阶段，选取振动频率分别为5Hz、10Hz、20Hz和30Hz，振幅为0.37mrad的条件下进行测量。

图3是在静止状态下采集到的图像，图4(a)、图4 (b)、图4 (c)、图4 (d)分别是在振动频率5Hz、10Hz、20Hz和30Hz，振幅为0.37mrad的条件下采集到的图像。从图像中可以看出，与静止状态相比，随着振动频率的增加，狭缝所成图像的宽度不断增加。这是由于随着频率的增加，系统的像移量增加。

图3　静止状态下采集的图像

图5是实际测量得到的低频阶段电视成像系统动态传递函数。从图5可以看出，当平台低频振动时，随着振动频率的增加，电视成像系统动态传递函数总体上下降更迅速。平台振动频率分别为5Hz、10Hz、20Hz和30Hz时，电视成像系统动态传递函数下降速度相比于静止时，分别增加了10.1%、32.9%、41.2%、35.1%。这说明，平台在低频振动时，电视成像系统动态传递函数下降速度，随着平台振动频率的增加不断加快。当平台振动频率为30Hz时，电视成像系统动态传递函数下降速度却小于频率为20Hz时电视成像系统动态传递函数下降速度。这是由于振动频率为30Hz时，出现了图2(c)所示的返回运动，使系统能量集中度相对于振动频率为20Hz时有所增加。

图4　低频阶段采集到的图像

图5　低频阶段电视成像系统动态传递函数

2.2高频正弦振动

为了验证高频阶段电视成像系统动态传递函数，本文选取振动频率50Hz、60Hz、70Hz、80Hz和210Hz，振幅为0.37mrad进行测量。

图6(a)、图6 (b)、图6 (c)、图6 (d)、图6 (e)分别是在振动频率为50Hz、60Hz、70Hz、80Hz和210Hz，振幅为0.37mrad时，电视成像系统在高频振动时采集到的图像。从图像中可以看出，在高频振动阶段，电视成像系统对狭缝所成的图像宽度基本相同。这是由于高频阶段，电视成像系统所成图像的像移量相同，均为两倍的振幅。

图6　高频阶段采集到的图像

如图7，当平台高频振动时，电视成像系统动态传递函数相比于静止状态，下降更为迅速。平台振动频率为50Hz、60Hz、70Hz、80Hz和210Hz时，电视成像系统动态传递函数下降速度相比于静止状态，增加了了40.1%、41.6%、40.3%、41.5%、41.9%。从图7中可以看出，当平台高频振动时，电视成像系统动态传递函数下降速度随着频率的增加不断增加，但这种增加趋势变得越来越缓慢。

图7　高频阶段电视成像系统动态传递函数

3　结论

本文对平台在不同振动条件下的电视成像系统动态传递函数进行了实验测量。通过测量发现，当平台低频振动时，随着振动频率的增加，电视成像系统动态传递函数下降速度不断加快。当平台高频振动时，随着系统平台振动频率的增加，电视成像系统动态传递函数下降速度变化很微弱，当平台高频振动时，随着振动频率的增加，电视成像系统动态传递函数下降速度波动不断减弱，逐渐接近静止时的1.42倍附近。基本上均比静止时增加了42%。

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(责任编辑杨继森)

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，硕士研究生，主要从事光电总体设计研究。

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，张一军，陶忠.一种电视成像系统动态传递函数的快速测量方法[J].兵器装备工程学报，2016(9):128-132.