1 引言

可见光电视摄像机作为光电跟踪、识别瞄准、航空测控、空间光通信等领域的关键载荷之一，已广泛应用于航空、船舶、光电火控、制导等**领域以及机器视觉检测、机器人导航、工业检测、医学分析等民用领域。作为光电系统的图像输入设备，可见光电视摄像机的成像质量直接决定着光电系统的作用距离、视场范围、图像精度和动态响应等关键特性。光学传递函数（MTF）是评价光电系统成像质量的关键技术指标，它综合了各种像差及星点检验的灵敏度，反映的是被测系统对目标细节的传递能力。

国外对于调制传递函数测量仪器开发较早，美国OPTIKOS公司、德国TROPTICS公司、英国IMAGE SCIENCE公司、波兰INFRAMAT公司等都研制和生产调制传递函数测量设备。例如：美国Optikos公司生产的The Optikos OpTest Systems，可以测量MTF、PTF、LSF、PSF、ESF及像散；德国Trioptics公司生产的传递函数测试仪MTF-Test Stations可以测量MTF、PTF、有效焦距等多种参数。自上世纪90年代开始，哈尔滨工业大学、长春光机所、中航工业洛阳电光设备研究所等单位也相继开展了MTF测量装置的研究。但是，以上测量装置都是针对光学系统或镜头进行测试，并不能反映可见光电视摄像机的整机成像质量。整机成像性能往往还与光学系统与CCD的匹配、电子处理电路、图像转化精度（如图像识别精度、图像匹配精度）有关。目前，随着光电技术的发展，对光电系统整机MTF的测试需求日趋强烈^[1-5]。

本文介绍了一种可见光电视摄像机整机成像质量测量方法及测试装置。通过比对实验，表明该装置可以有效完成可见光电视摄像机整机MTF的测试。

1 测量原理

传统的MTF测量方法通常有两类：1）直接法，设置不同空间频率的正弦靶标，通过观测系统响应直接得到测试结果；2）间接法，利用刀口靶或狭缝靶获取图像计算扩展函数，再通过傅里叶变换得到MTF。间接方法是常用的方法，被国际标准ISO12233指定为测量MTF的标准方法。

间接法通过测量线扩散函数LSF的一系列关于坐标位置的离散抽样值，变成数字信号后，输入计算机进行傅里叶变换运算，从而求得光学传递函数的方法。

由一维传递函数的定义式，光学传递函数OTF可以写成线扩散函数LSF的傅里叶变换式，即

$\begin{split} {\rm OTF}\left( {{f_x}} \right) & = \Delta u\sum\limits_{k = 0}^{N - 1} {{\rm LSF}\left( {{u_k}} \right)\exp ( - 2{\text{π}} j{f_x}{u_k}) }\\ & = {C({f_x}) - jS({f_x})} \end{split} $ (1)

实际测量时，一般采用倾斜狭缝法。该方法的思想是使狭缝像与探测器单元排列方向存在一定夹角，探测器每行采集到的狭缝像灰度不同，通过对多行狭缝像灰度数据处理，得到插值后的LSF，从而解决采样率不足的问题。该方法的关键是确定亚像元采样间隔以及多行LSF曲线插值的间距，只有通过正确间隔进行多行数据插值，才能获得可靠的高分辨率LSF曲线，进而获得无混叠MTF测试结果^[6]，如图1所示。

图 1. 倾斜狭缝法测量原理图

Fig. 1. Schematic of tilting slit method

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2 测量装置组成

可见光电视摄像机整机性能测试装置由目标发生器系统、光学准直系统、多维调整台、电器控制系统、图像/标准视频采集系统、监视器、综合处理软件等部分组成，测量装置的原理图及实物图如图2、图3所示。

图 2. 测量装置原理框图

Fig. 2. Schematic of measuring device

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图 3. 电视摄像机MTF测量装置实物图

Fig. 3. MTF measuring device for TV camera

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目标发生器系统采用三积分球的结构形式，其结构框图如图4所示。该光源系统结构主要由背景积分球、前景积分球、主积分球、灯室、靶轮结构及电动衰减器组成。光源通过准直系统后，在入射主积分球内进行分光，一部分通过背景衰减器进入背景积分球内直接出射。另一束光通过前景衰减器后进入前景积分球，照亮测试目标靶。目标光束和背景光束通过合束镜进行合束，为待测电视摄像机提供测试目标。

图 4. 目标发生器原理图

Fig. 4. Schematic of object generator

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视频采集系统兼顾了模拟与数字标准视频接口模式，配置了MeteorII模拟采集卡，视频输入模式为NTSC、PAL、RS-170和CCIR，传输速率：130 MB/s。同时，配置了Solios—ECL/XCL数字采集卡，采样速率达到85 MHZ，主要用于Cameralink接口的相机进行图像采集。

3 实验结果与分析

3.1 等效像元长度的标定

在进行MTF测量时，首先必须对数据采集系统的等效像元长度进行标定。标定通常采用周期经过校准的四杆靶，如图5所示。实验中采用的四杆靶为(长×宽)为1.849 mm×2.103 mm。选择四杆靶的相关图像区域，通过测量软件，计算采集到的目标图像的周期宽度值，根据下式，计算出等效像元长度的标定值^[7-9]：

$EAL = \frac{{P_0^{}}}{{{P_1}}} \times 1 \; 024$ (2)

式中：EAL为等效像元长度；P₀和P₁分别为四杆靶的标准值和测量值；1 024为图像采集卡对应的最大像元数。

图 5. 等效像元长度的标定

Fig. 5. Calibration of equivalent pixel length

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3.2 实验结果与讨论

采用F400-CV-M2CL数字摄像机进行实验，该相机系统参数如下：焦距：400 mm，相对孔径：F/3.8，靶面尺寸：1″，像元尺寸：7.4 μm×7.4 μm，有效像素数：1 600（H）×1 200(V)，狭缝宽度100 μm。倾斜狭缝图像如图6所示。

图 6. 倾斜狭缝图像

Fig. 6. Tilting slit image

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狭缝倾斜角度的具体方法为：将灰度图像输入计算机软件，得到灰度图像的数据矩阵，逐行分析LSF_i数据。利用最小二乘法对每行的灰度数据系列进行数据拟合，获得灰度系列LSF_i。在选定的图像处理区域内，找出每一行灰度值的最大值，其对应的坐标为x_max，，每一行均以x_max为中心，计算x_max两端对称像素点的灰度值之差，取绝对值，形成一组差值数列。在数据系列中搜索出任意两相邻极小值数据所对应的行数作为插值的行数。则这两个行数的图像在探测器列方向上刚好对应了一个像元的宽度。例如：在得到的数值序列中，第130行和160行的线扩散函数曲线如图7所示，其2个行数的差在探测器列方向刚好差了一个像元的宽度。则狭缝倾斜的角度为： $\alpha = \arctan (1/m) =$$ \arctan (1/30) = 1.9$°。

图 7. 第130行和160行线扩散函数分布曲线

Fig. 7. LSF curve of line 130 and 160

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根据以上角度，进行插值配准，就可以得到LSF曲线，采用快速傅里叶变换，并在每个频率点进行目标宽度校正，可以得到如下的MTF测量曲线，如图8所示^[10-11]。

4 与国外仪器的比对验证

为了验证测量装置的有效性，本文采用美国OPTIKOS公司生产的I-SITE测量仪进行了比对实验。美国OPTIKOS公司是世界上光学成像质量测量设备的先进生产厂家。其I-SITE测量仪针对可见光电视摄像机MTF的技术指标为：光谱范围：（400～1 000）nm，MTF测量精度±4%，其实物图9所示。

图 8. MTF测量结果曲线

Fig. 8. MTF measurement result

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图 9. I-SITE测量仪实物图

Fig. 9. I-SITE measuring instrument

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测试条件如下：

共轭方式：物方无限远；波长范围：400 nm～1 000 nm；焦距：400 mm；相对孔径:F/3.8；方位：子午T；视场角：0°。

本文建立的光电系统整机MTF测量装置测量结果如表1所示。

I-SITE测量仪 MTF测量结果如表2所示。

从以上两表可以看出，两套装置的重复性相当，分别为0.007和0.006。取表1和表2中的平均值进行比较，如图10所示。其在低频处存在一定差异，最大测量偏差为0.05，在中频段和后频段，MTF曲线基本趋于一致。

图 10. MTF测量结果比较曲线

Fig. 10. Comparison curve of MTF measurement results

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经分析，造成低频段差异较大的主要原因为暗电流或背景校正不合适所引起的。暗电流一般是不均匀的，而且与温度有关，温度越高，暗电流越大。如果滤除不足，就会出现MTF太低，如图11所示。如果滤除过剩，则会出现MTF过高，如图12所示。

图 11. 背景校正不足对MTF的影响

Fig. 11. Effect of insufficient background correction on MTF

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图 12. 背景校正过剩对MTF的影响

Fig. 12. Effect of excess background correction on MTF

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因此，在对LSF数据进行处理时，背景响应或基底电压必须去除。通常可以采用在空间域减背景消除。本文采用选频和放大，将入射光调制成一定频率的周期信号，在输出电路中加一锁相放大器，以滤掉暗电流的直流分量^[12-15]。

5 结论

本文提出了一种基于倾斜狭缝法的亚像元自动差值与匹配算法以及线扩散函数（LSF）的最小二乘拟合分析法，实现了可见光电视摄像机MTF的精确测量。在此基础上，建立了可见光电视摄像机MTF测量装置，测量重复性达到0.007。与美国OPTIKOS公司的I-SITE测量仪进行了比较，验证了装置的有效性。

随着机载、车载以及舰载的各类光光电成像系统的广泛应用，该装置可以提高系统检测效率，为光电成像系统设计、装配和性能提升提供计量保障，具有广泛的使用价值。