红外导引头光学系统检测研究

　　1　引　　言

　　在军事应用中,目标发射的红外光照射在引导头上,被透镜后面的四象限探测仪探测到,引导头便可进行目标跟踪。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。

　　2　测试系统简介

　　测试中的聚焦及控制系统如图1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CCD成像面上聚焦为一个不可见的光斑,此光斑数据通过图像采集卡进入计算机进行图像处理,包括图像增强、恢复、几何分析、聚焦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　　成像视场和成像距离,完成对导引头光学系统的全方位的检测。

　　3　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。

　　(1)光斑截取

　　CCD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10位采集卡将有1024个灰度等级)。在程序中开辟大数组gray[M][N],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gray[i][j]代表第i行j列的像素灰度值,它是该点处光强的反应。CCD的精度决定了采集出的图像的大小,一般一幅768*576的图像将会产生442368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threshold,(临界值的选取与CCD的暗电流噪声有关)灰度值大于threshold的,均认为是光斑图像的有效信号,划归到光斑内部,参与计算。

　　(2)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X0,Y0的计算公式如下:

　　(3)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80%～90%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: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:

　　圆内的所有点的光强和/总光强和=预定的能量比(80%或90%)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。

　　(4)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:将红外光源固定不动,将被测光学系统及CCD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。