激光测距机瞄准系统分辨率全自动检测技术研究
激光测距机瞄准系统分辨率全自动检测技术研究
作者:陈志斌;梁艳
在传统的光学仪器像质评价中 ,应用最广泛的方法就是对仪器进行分辨率检测。图 1 为一测量分辨率所用的仪器装置。该仪器由平行光管、被检仪器和观测器件三部分组成。三者均安装在同一光具座上 ,目的是保证三部分的光轴重合。平行光管的作用是产生一个无限远的像 ,作为被测系统的物 ,在平行光管物镜的焦平面上安装专门设计制作的人工目标图案 ———分辨率板 ,目前我国普遍采用 WT1005 - 62 型标准图案。这种图案由黑白相间、线宽相等的矩形光栅状线条组成 ,整套图案的线宽由细到粗按公比为1. 059 的几何级数规律依次递增 ,共有 73 个等级 ,依次分布在 N1~N5 的 5 块分辨率板上 ,每块板有25 个单元 (即 25 个等级) , 每个单元由 4 个不同方向的线条组成。
实际测量时 ,将激光测距机安装在夹持器中 ,通过观察系统 ,即前置镜进行观察。当使用 WT1005 -62 型分辨率板时 ,依次从粗到细观察各组图案 ,直到在 4 个方向上均能分辨的最后一组为止。根据该组的号码 ,即可从手册中查到相应的线条宽度 ,用下式计算被测系统分辨率。
由于这种方法采用透射式平行光管 ,体积、质量都较大 ,无法满足野外在线测试的需要 ,由于频繁转换分辨板影响工作效率 ,并且要求测量人员在光具座上逐步进行观察、记录、调整 ,其分辨率的等级由检验者的主观判断来决定 ,同时受到照明条件的限制 ,极易导致实验结果不够客观。为了实现在线检测 ,提高工作效率 ,增强检测结果的客观性 ,要求检测装置小型化、智能化 ,文中提出了一种轻巧的智能程控光学系统分辨率检测装置。
1 检测方案设计[ 1]
激光测距机瞄准系统分辨率检测方案的测量装置由配有标准照明具的液晶程控分辨率板、卡塞格林平行光管和 CCD 图像采集器组成 ,如图 2 所示。通过微型计算机控制分划板各组各单元分辨率图案和采集被测瞄准系统成像后的图像信息 ,并通过图像处理显示检测结果。具体设计成一个闭环系统 :由微型计算机编程控制液晶显示屏 ,按要求在卡塞格林平行光管的焦平面上产生分划图像作为目标图像 ,通过平行光管形成一个无穷远的目标 ,目标经过被检系统 ,经前置镜放大后 ,由 CCD 及图像采集卡采集该目标的像 ,并将形成的数字图像存入计算机 ,最后进行数字图像分析 ,求出所需的参数。可以看出 ,计算机是整个系统的核心部件 ,控制产生目标图形 ,并进行数字图像的采集、分析、处理以及结果输出。
具体实施方法是 :液晶屏垂直于光轴置于平行光管物镜焦平面上 ,产生的“无穷远处”的目标图形经被测光学系统成像 ,再通过前置镜放大和 CCD 自带的物镜调焦使目标成像在 CCD 靶面上 ,最终由图像采集卡形成数字图像 ,再送入计算机进行分析、处理 ,输出测试结果。液晶显示屏的制作采用 XGA3 空间发光模块 ,平行光管采用 f = 1000 mm ,φ= 140 mm 的卡塞格林平行光管 , CCD 采用敏通公司生产的 MTV2 1881EX型 CCD CAMERA ,具体技术设计将在下文介绍。
2 硬件和软件的具体设计
2.1 硬件设计
(1)液晶图形发生器的设计[2 ]
为了提高工作效率 ,避免人工更换分划板所带来的不便 ,使分划板能产生任意对比度和任意单元的分辨率图案 ,设计了液晶图形发生器来实现可见光目标模拟。液晶图形发生器实际上就是一块液晶屏 ,它利用液晶动态散射原理 ,构成液晶显示器。液晶屏由两块内表面镀有透明电极 (简称 ITO 膜 ) 的玻璃片构成 ,并在透明电极表面镀有使液晶分子按一定方向排列的定向膜。未加电压时为透明状态 ,当在两块对应的电极所施加的电压超过液晶的阈值电压时 ,液晶中离子团的运动扰乱了液晶分子排列 ,从而使入射光发生强烈散射 ,于是原来透明的电极部分呈现乳白色 ,达到了显示的目的。电压取消后 ,液晶分子即恢复原来状态 ,重新变为透明。采用的液晶分辨率为 1024 ×768 VGA 显示、对角尺寸为 2. 3 cm、可实现 256 灰度等级显示。在附带软件的协助下 ,根据测量需要 ,可通过计算机通讯口灵活控制显示分辨率图案的对比度、亮度和显示位置 ,操作简单 ,维护方便。
液晶分辨率板是将具有特定显示图样的液晶显示器置于检测系统的主光路中 ,在外加电压控制下产生目标图像 ,如图 3 所示。它具有结构简单、控制方便、无需调校、体积小、质量轻、成本低等优点 ,它的开发和使用为检测装置的小型化、智能化提供了必要的条件。
(2) 卡塞格林平行光管的设计
为了进一步达到检测装置的小型化 ,采用卡塞格林结构的平行光管 ,如图 4 所示。为使成像质量达到预定的要求 ,一方面要考虑焦距、物距、像距、放大率、入瞳位置、出瞳位置等 ,另一方面是成像质量好 ,由于其视场较小 ,系统产生的像差主要是球差、色差和彗差等 3 种。
为消除色差 ,采用双反射式系统 ;r2 为双曲面顶点的曲率半径; k 为双曲系数。经验证这样设计的平行光管主次镜距离只有131. 03 mm 就能达到焦距 1000 mm、口径 140 mm 的要求 ,体积和质量大大减小 ,而且光学系统本身分辨率可达到1. 43″。
(3) CCD 像素采集卡的设计[3 ]
CCD 摄像器件的每个光敏单元都是分隔开的 ,它属于空间上分立的光敏单元对光学图像进行抽样。根据采样定理的要求 ,抽样频率应高于图像的最高空间频率 (lp/ mm) 的 2 倍。由于选用的 LCD 像素达1024 ×768 ,由分划板大小范围 18. 5 mm ( H) ×13. 9 mm(V) 可知 ,当黑白条纹宽度为液晶显示屏上一个像素大小 ,即 P = 18μm ,经被检激光测距机 (7 ×) 和前置镜 (16 ×) 放大后 ,CCD 面上成像约 0. 4 mm ,最大空间频率为 1. 25 lp/ mm ,则抽样频率应大于或等于 2. 5 lp/ mm ,对应的抽样尺寸为 1/ 2. 5 (mm) ,即0. 4 mm。这里选用的 CCD 总像素单元为 795 ( H) ×596 (V) ,像素单元尺寸为 8. 6μm ×8. 3μm ,像敏区尺寸为 7. 95 mm ×6. 45 mm ,分辨率为 600TVL ,对分辨图像的采集足以满足精度要求。
2.2 软件设计
(1)图像预处理方法[4 ]
用光电传感器件 CCD 摄像机代替人眼 ,对两物点之间的光场进行一定间距的采样 ,使各位置之间的光能变化转换成随时间改变的与电量成比例的值 ,经过采集卡后成为数字信号输入计算机。由于未经任何处理的原始图像都存在一定程度的噪声干扰 ,为了消除图像噪声 , 改善图像质量 , 必须对其进行预处理[5 ] 。
(2) 分辨率数值的求算原理
检验分辨率所用的分划板图案 ,线条黑白相间 ,宽度相同。将这个图案沿 x 方向的亮度分布画出来 ,就是矩形波光栅。任何图样都可以分解为若干个频率不同的亮度呈正弦变化的图样之和。级数即为傅里叶级数 ,是收敛的无穷级数 ,各个正弦波的频率都是基波频率的整数倍。上式的组成频率是奇数倍的 ,项数加得愈多 ,愈接近图 5 (a)的形状。
由于光的衍射 ,一个发光物点即使通过具有圆形入瞳的理想光学系统成像 ,所成的像也不是一个点 ,而是一个衍射光斑 ,如图 6 所示。当两个相邻的不相干等强度的发光物点通过同一理想光学系统成像时 ,两个物点像的光能量就会相互叠加 ,如图 7 所示。
人眼观察两相邻物点所成的像时 ,要判断出是两个像点而不是一个像点 ,起码要求两衍射重叠区的中间与两侧最大光强处要有一定量的明暗差别 ,即对比度 C > 0。究竟 C 值多大时人眼才能分辨出是两个像点 ,理论上有 3 个判断标准 ,即瑞利、道斯和斯派罗判据。在本检测方案的软件设计中也需要一个判断标准 ,即阈值 C0 。数字图像进行预处理以后再通过计算机得出两物点之间的明暗对比度 C = ( Imax -Imin) / ( Imax + Imin) ,使它与阈值 C0 比较 ,就可以判断出两物点是否能为人眼所分辨 ,这就存在应设置多大的对比度阈值比较恰当的问题。
由于光学仪器的分辨率与人眼的对比灵敏阈值有关 ,所以标定仪器要采用人眼与测试装置比对实测的方法。通常认为人眼的对比灵敏阈值为 2 %~5 % ,但是各人之间的对比灵敏阈值是有差异的 ,而且测试人员的熟练程度对人眼灵敏阈值的发挥也有影响。因此在比对实测时 ,应选取 2~3 种有代表性的不同倍率且像质较好的光学仪器 ,请 5~7 位有经验的测试人员 ,在各种条件较好时 ,精心测量出被测仪器的目视分辨率 ,取其测量结果的平均值作为所选仪器的分辨率。然后在分辨率客观测试装置上进行实测 ,如显示的分辨率值与测定的分辨率值有差异 ,则调节程序中的对比度阈值 ,直到数显值与已知值一致为止。从实测结果看 ,这种标定方法完全能满足使用要求。
实际测试时 ,在每组分辨率图案中有若干对线条 ,对每对线条采样并计算出对比度后再进行算术平均 ,得到该组线条的成像对比度 ,使该对比度与事先存放在计算机内的规定阈值进行比较 ,以判断该组线条是否能分辨 ,如能分辨 ,计算机则给出指令 ,对下一组线条进行同样的采样、计算和判断 ;直到计算出的对比度小于规定阈值 ,即不能分辨 ,则它的上一组对应的就是被测仪器的分辨率 ,并用数字显示出测量结果。
3 实验结果及分析
用激光测距机作为检测对象 ,该激光测距机分辨率的名义值为 7″,计算机程序中设置的对比度阈值为C0 = 2 % ,CCD 采集的图像如图 9 所示 ,实测结果为7. 41″。从实测结果看 ,该测量方案的测量分辨率能满足使用要求。
4 结 论
自从将傅里叶变换这种数学工具引入到光学成像理论及测试评价中 ,用光学传递函数来评价成像质量成为目前公认的较好方法。但是光学传递函数方法与分辨率方法相比 ,前者是空间频率的函数 ,而且受诸多参数的影响 ,测试设备比较复杂 ;而后者给出的是明确的数值 ,测量仪器较简单 ,易掌握 ,便于推广。所以 ,客观、主观测量因素影响实现分辨率的客观测量 ,对于评价军用光学仪器成像质量仍然具有重要的实用价值。
综合上述设计思想和实验结果分析可知 ,由于采用卡塞格林式结构的平行光管 ,使该检测装置比采用透射式平行光管检测方法的检测装置至少体积要减少 3/ 4 ,质量要减少 9/ 10 ,这为一些车载式的光学仪器分辨率野外在线检测奠定了良好的基础 ;同时由于分辨率图案可由计算机自动控制 ,避免了人工更换分划板所带来的不便 ,工作效率高 ;而且采用计算机控制 CCD 图像采集器进行图像采集并自动显示分辨率检测结果 ,保证了测量结果的重复性和客观性 ,检测精度也大为提高。该检测装置是光学仪器性能检测全自动化、智能化的一个有益尝试 ,对其他光学性能参数检测具有很重要的参考价值 ,而且成本较低 ,具有良好的推广应用前景。
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