光测设备捕获能力检验中目标特性标校
第 1 章 绪论
光电测量设备是依据光学成像手段采集目标信息，经过实时或事后处理来得到目标特性参数，是获取飞行目标影像资料的专用测量设备。光电经纬仪是光电测量设备中的典型主体设备，在我国各类靶场和基地大量配装，主要任务是实时捕获跟踪和测量,完成对目标特性和轨迹的记录[1,2]。近年来随着科学技术的蓬勃发展，光电经纬仪的应用领域不断拓展，从最初的靶场测量，到现在广泛涉及空间安全及防御、空间目标监视与识别、深空探测等重要国防安全领域[3]。因此，对其提出了更高的任务要求、功能要求和精度要求等。
目标捕获能力是光电经纬仪重要的总体性能指标，为了实现该功能检验，必须提供准确科学的待捕获动态目标源。目标源通常分为外场真实的目标源，如飞机和导弹等真实目标；以及室内的仿真目标源，如仿真电子学目标和仿真光学目标。真实目标源主要用于设备的交付验收，室内仿真目标源主要用于设备的研制、联调和检验等日常生产工作。目标特性参数（目标对比度、作用距离、目标大小及移动速度等）是衡量目标源性质的关键指标，直接影响被检设备相关性能检验的准确性。例如：目标对比度低到一定阈值，设备将无法识别目标；目标移动速度超过一定阈值，由于算法处理速度和芯片主频等因素限制，设备将无法实现目标捕获与跟踪。在国防建设中，有关光电经纬仪检测中的标校分析工作是极其重要的技术基础和保障，因此，在光电经纬仪捕获能力检验中，必须对目标特性参数进行相应的标定[4,5]。
可调对比度目标源装置是中国科学院长春光学精密机械与物理研究研制的一种室内检测光电经纬仪目标捕获能力的测量设备，能够产生目标特性参数可调的仿真光学目标源[6,7]。目前，通过该装置进行了光电经纬仪捕获能力检测方面的相关研究，比如：静态目标对比度标定和作用距离室内检测模型[8]，光电设备对低对比度目标捕获能力的评价等[9]，并制订了相应的所内检测标准《光电系统目标对比度测量方法》；但是研究内容较少涉及捕获能力检验中目标特性参数标校方面的分析，对目标特性参数标校缺少严谨科学的的评估标准和数据挖掘，具体表现在以下 3 个方面：
1）缺少目标特性参数标校基准的建立，没有将目标特性参数与现有标准建立起可溯源关系；
2）影响目标特性标校相关因素的分析不够完善，缺少相关的统计学数理分析及评价，没有对光学对比度的时漂效应，目标源装置辐亮度的差异性，图像的均匀性和稳定性进行评价；3）缺少目标特性参数与设备捕获能力水平内在联系的建立，没有分析目标特性参数与图像灰度对比度的数学关系。
具有捕获跟踪和测量功能的光电经纬仪基本上都是涉及军工国防应用领域，国外对此各项相关技术历来都是严密封锁的，相关资料信息的获取一直存在无法逾越的保密防护措施。例如：在相关国际期刊领域，均检索不到有关光电经纬仪捕获能力检验中目标特性标校方面的相关参考文献。考虑到获得外场真实目标源需要动用飞机、导弹等真实目标，需要雷达、卫星及其它光测设备组网联合测量，需要耗费大量的人力物力的实际状况；国内主要是采用室内仿真目标源的方法对光电经纬仪捕获能力进行检验，相关的文献资料和检测设备也主要是由相关科研院所提供。在研制、装调和检测光电经纬仪过程中，特别是波门跟踪系统，需要一个合适的目标作为输入的视频特征信号，即需要一个合适的目标源供设备实现捕获。目前，室内仿真目标源主要采用电学目标仿真法和光学目标仿真法来实现，即电信号法和可调对比度光学目标源法。
1.2.1 电信号法
电信号法是利用已知信噪比的模拟电信号，形成电模拟目标源，通过设定相关目标特性参数来直接检验光电经纬仪的图像处理器能否对此目标源进行捕获。电信号法通常采用电子目标产生器来实现，主要由目标产生器、轨迹控制器和白噪声发生器等部件组成[10,11]。目标产生器包括运动目标产生器和固定目标产生器，均由行锯齿产生器和场锯齿产生器提供输入信号，分别用来形成后续的运动目标和固定目标。轨迹控制器包括正弦波振荡器、积分器、倒相器和轨迹控制开关，能够实现目标的各种运动轨迹。白噪声发生器能够改变白噪音幅度，用来检验信号提取系统抑制噪音的能力。电子目标产生器具备的功能：能够产生各种运动轨迹、不同大小和灰度对比度的电子目标源，来检验波门跟踪系统对不同性质目标源的捕获能力与跟踪性能。电子目标产生器的原理框图和实物图分别如图1.1 和图 1.2 所示。
该方法由于实现简单，操作方便，结果客观等原因，特别是具有能够提供多种运动轨迹姿态（各种直线运动和圆周运动）以及多个干扰目标，目标大小和灰度对比度可调等优点，一直以来被广泛应用于光电经纬仪的研制、调校和检测等日常工作中。国军标 GJB 1830-93《电视跟踪器通用规范》对电模拟目标的灰度对比度、目标大小及速度等目标特性做出了具体的规定[12]。由于是电模拟目标，目标特性无需标校，可根据实际需要进行相关设定即可。比如：对目标尺寸为3×3 像元，目标灰度对比度为 10%，速度为 1.5 视场/秒匀速直线运动的电模拟目标可直接通过图像处理编程来实现。但是，该方法也存在一定的不足，没有将整机设备的光学系统、电视传感器及电路噪声等实际影响因素综合考虑在内，只是从模型的建立和图像处理算法等方面进行捕获能力分析，缺少一定的真实性，因此不能真实地反映出被检光电经纬仪的整体性能。
第 2 章 目标特性标校方法研究实验装置的建立
理想的检测方法是依据目标源装置的结构特点，对其各目标特性参数（因素）建立整机检验环境，涵盖目标特性参数对捕获能力的影响。目标源的目标特性是外部因素特性中非常重要的一部分，可调对比度目标源装置能够实现对各目标特性水平（移动速度、大小和光学对比度）的合理设定，可以实现光电经纬仪对光学目标源进行捕获能力的检测，所以目标特性参数分析是设备捕获能力判断的关键[65]。基于这种想法，以可调对比度目标源装置为基础，搭建了目标特性参数标校的实验环境，开展目标特性参数与设备捕获能力检验关系的相关研究。
目前，由于可调对比度目标源装置的研制完成不久，相关研究内容还在完善之中，所以基于统计分析的目标源目标特性的标校工作还没有有效地开展。本课题根据日常检测工作的需要，以可调对比度目标源装置为设备基础，并结合光谱辐射亮度计、万能工具显微镜等测量设备，搭建了目标源目标特性的标校实验环境，对其展开相关的分析研究。
2.1.1 可调对比度目标源装置目标特性参数标校实验环境
可调对比度目标源装置是本课题组结合国内外相关经验，研制的一种室内检验光电经纬仪捕获能力水平的检测设备，其装置的原理图和实物图分别如图 2.1和图 2.2 所示。
转台伺服系统可以提供角速度的实时变换。光学目标的大小可通过选择目标板上不同规格的目标孔来实现，目标孔经过准直物镜成像可形成无穷远的光学仿真目标源。转台上的成像设备获取目标源信号后，可通过与其连接的捕获仿真器进行其捕获能力的实时测试。目标对比度可通过辐射计 PR735 测量 2 个积分球的辐亮度获得。目标特性参数的具体标校会在下一章进行详细的论述。该装置的各主要部件参数如表2.1 所示。
应用统计学，主要是指在实际工程应用中所涉及的相关统计学，具体分为描述统计学和推断统计学。对于给定的数据，通过图表等方式描述出这份数据的相关统计学特性，这种用法被称作描述统计学。当观察者根据给定数据的自身特性建立出一个用以解释其统计学特性的数学模型，来推导论述研究中的步骤及母体，这种用法被称作推论统计学。总的来说，应用统计学就是对给定的数据进行量化的描述、分析和归纳，并以此为据进行推断和预测，挖掘数据的内涵。在工程应用中对测量数据的前期统计学处理，一直是容易被忽视的环节，测量结果通常只以均值和方差来简单地表示测量数据的特性，造成测量数据分析的不完善。光电经纬仪设备结构复杂，是多部门、众多人员设计和装调的结果；作为检测人员或设备验收方而言，如何将设备的检测指标用统计的形式表现出来，使结果有据可依，有理可查，令人信服，着重的应该是解释而不是计算，因为计算形式本身却不能从直观上表明为何如此计算。在工程应用上，很多数据分析的研究，都是先根据具体问题进行一些条件的假设和限定，然后通过一系列数学推导，有时甚至为了与推测的模型相吻合，而忽略一些“干扰”，让测量的数据“符合”预设模型，这样推导出的模型往往缺少真实的客观性。正确做法应该以测量数据为起点，不应该从理论分布假定出发去构建模型，而应该从数据的特征出发去研究和发现数据中有用的信息。描述统计这种简单而直观的方法在理解数据方面是极为有用的。
文中在对数据处理统计分析的方法上，分别采用了描述统计学和推断统计学的相关理论。在描述统计学的应用范畴中，主要采用了实验设计分析、残差分析图、散点图、I-MR 控制图、因子图、判别分析表、随机性检验表等，通过大量的简洁图表将数据分析结果表达出来，是本文的一个特点。在推断统计学的应用范畴中，主要采用了方程拟合等手段。文中主要采用以下 4 个步骤对测量数据进行统计学分析：
1) 设计收集数据的过程；
2) 准备分析用的数据（概括、建模）；
3) 分析数据；
4) 报告从数据分析中得到的结论。
3.1 标校基准建立的数理条件..........................19
3.2 目标特性标校基准的建立...........................20
3.3 本章小结.........................................35
第 4 章 影响目标特性标校相关因素的评定............... 37
4.1 目标特性参数光学对比度不稳定性评价...............38
4.2 光学系统的图像均匀性评价............................49
第 5 章 目标特性参数与光测设备捕获能力建模分析.........71
5.1 目标光学对比度与图像对比度建模分析..................71
5.2 目标特性参数与捕获能力的建模分析....................85
5.3 拟合模型验证及捕获能力检验.........................96
第 5 章 目标特性参数与光测设备捕获能力建模分析
可调对比度目标源装置能够为光电测量设备提供待捕获的光学目标源。该装置目标源的特性参数主要有：光学对比度、目标尺寸和目标角速度。本章主要研究该装置的目标特性参数和光电测量设备图像对比度的数学模型关系，来评价设备的捕获能力。其具体意义是：在检测过程中，依据数学模型合理地设定动态目标源的目标特性参数，获取对应的像方目标特性参数——目标灰度对比度，来检验光测设备能否将其捕获；因为目标灰度对比度是波门跟踪系统实现捕获功能的基础，这样就将目标特性参数和捕获能力建立起内在联系。在可调对比度目标源装置和被检设备组成的测量系统中，为了解决图像中动态目标边缘模糊影响目标灰度准确提取的问题，本章提出了一种灰度对比度和光学对比度动态标定的方法。该方法基于“判别分析”的数学原理，明确了依据目标灰度准确率的最高值来选择目标灰度提取框的原则。根据此原则，本章采用实验设计的数学原理对目标特性参数和图像对比度进行了数学建模。本章最后通过实验验证了模型的适用性。
光电经纬仪实现跟踪与捕获功能，是基于图像处理领域的相关知识和原理，而图像灰度对比度则是该领域的核心基本参量，特别是图像目标的识别和提取等处理方法，均离不开灰度对比度这一参量，国军标 GJB1830-93《电视跟踪器通用规范》中明确定义了灰度对比度的定义式，以及跟踪、捕获能力测试过程中灰度对比度数值的设定范围。比如：在最小跟踪目标、跟踪速度和跟踪误差这 3 个检测项目中，将对比度限定为≥10%，在最小跟踪对比度检测中，将对比度限定为≤5%。
Purkinje 效应告诉我们，人眼或设备能否识别出目标，，主要取决于目标和背景的亮度差别[131,132]。在军事应用中，上述这种亮度差别，通常采用光学对比度来进行定量描述与分析。为了实现光学侦查、监视、预警、伪装和隐身等武器装备的论证、设计、仿真、评估和使用，国军标 GJB 5250-2004《动态目标光学特性测量通用要求》中明确规定了目标光学特性的测量参量——光辐射度。因此，通过目标和背景光辐射度差异来定义光学对比度是目前常用的定义方式。通过相关定义可以看出，光学对比度和图像灰度对比度对于被检光电跟踪系统而言，分别对应其物方空间和像方空间的目标亮度特性，必然会存在对应的数学关系。这种对应关系涵盖了光学系统因素、电子学系统因素、捕获算法因素等诸多因素，对于捕获能力测试分析具有一定的实际意义，因此需要对其进行对比度标定。光学目标源对比度标定可采用第 2 章搭建的标校环境，其主要由可调对比度目标源装置、摄像机 MS50K 及光谱辐射亮度计 PR735 组成，如图 5.1 所示。
第 6 章 总结与展望
基于可调对比度目标源装置的光学仿真目标源法是目前检测光电测量设备捕获能力的一种重要手段和发展趋势。该目标源的目标特性对设备的捕获能力检验结果有着重要影响，如何对其进行合理的设定与标校是设备捕获能力判断的关键。考虑到光学仿真目标源目标特性标校的相关研究在国内鲜有报道的状况，以及光电测量设备捕获能力检测的实际需要，本课题针对目标特性标校开展了相关研究。本文首先分析了研究的背景和意义，以及国内外发展现状，阐述了目前研究的不足体现在：1）缺少目标特性参数标校基准的建立，2）对影响目标特性标校相关因素的分析不够完善，3）缺少目标特性参数与设备捕获能力水平内在联系的建立。论文围绕上述 3 个现象进行了详细的分析研究，具体工作内容如下：
搭建了目标特性标校的实验环境，结合国家标准及技术规范对目标特性参数进行了溯源分析，明确了其溯源参量及标校方法，给出了相应的不确定度和溯源链框图，建立了目标特性参量的标校基准。对影响目标特性标校的相关因素进行了相应分析。主要对目标源光学对比度的时漂问题，目标源辐亮度的差异性问题，光学系统图像的均匀性和稳定性状况进行了评定与修正。保证了可调对比度目标源装置和光电成像系统在目标特性标校及捕获能力测试过程中的稳定性和可靠性。
对目标特性参数对光电成像设备捕获能力的影响进行了相关分析。编写了图像灰度提取软件，对目标源的对比度进行了标定，构建了目标特性参数与图像对比度的数学模型，并进行了实验验证。实验证明了图像对比度在大于一定阈值条件下被检设备能够很好捕获目标。在上述问题分析和研究的过程中，采用了统计分析的相关手段，主要是描述统计学的应用，具体涉及了实验设计、析因分析、残差分析、I-MR 控制图、判别分析、散点图、主效应图和交互效应图等方法。通过相应的图表描述及分析，使研究结果直观明了、详实准确、有据可依，为目标特性标校方法的分析研究及数据处理提供了有力的数理基础。
参考文献（略）
本文编号：43658
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/lwfw/43658.html
