基于LabVIEW的红外场景生成器空间分辨率测试

红外与激光工程

InfraredandLaserEngineering

2008年6月Jun.2008

基于LabVIEW的红外场景生成器空间分辨率测试

李

平，李

卓

100081）

（北京理工大学光电工程系，北京

摘要：红外场景生成器是在实验室条件下模拟目标和背景的红外辐射特性，为被测试的红外成像系统提供红外目标和背景的图像源设备。为了测试红外场景生成器的性能，设计了一种系统来测试场景生成器的空间分辨率。该系统通过计算系统输出矩形光栅图像的对比传递函数即可得到场景生成器系统的调制传递函数，从而得到系统的空间分辨率。

关键词：红外场景生成；

空间分辨率；

测试

文章编号：1007-2276(2008)增(红外)-0510-04

中图分类号：TN216；V448.15

文献标识码：A

TestingsystemofIRsenseprojectorspatialresolution

basedonlabVIEW

LIPing，LIZhuo

(DepartmentofOpticalEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China)

Abstract:Infraredsenseprojectoristhesensesourcesequipmentwhichprovidesinfraredtargetandbackgroundforinfraredimagingsystem.Infraredsenseprojectorsimulatedconditionsofthetargetandbackgroundcharacteristicsofinfraredradiationinthelaboratory.Inordertotestinfraredperformance,asystemhasbeendesigned.Thissystemcalculatedthesenseprojectorsystemmodulationtransferfunctionfromtherectangularrasterimagetransferfunction.Sothespatialresolutionofthesystemisobtained.

Keywords:Infraredsceneprojector;

Spatialresolution;

Test

0引言

计算机图像生成系统和红外图象转换系统两部分组成。为了测试红外场景生成器的性能，文中设计了一个装置来测试红外场景生成器的空间分辨率。

LabVIEW是美国国家仪器公司开发的一种图形化的编程语言,提供了用“图标”代替“写程序文本”的全新程序编程方法。用户可以通过交互式图像前面板进行系统控制和结果显示，在通过组合常用的框图模块来指定各种功能。使用LabVIEW进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。

红外场景生成器是在实验室条件下模拟目标和背景的红外辐射特性，为被测试的红外成像系统提供红外目标和背景的图像源设备[2]。红外场景生成器由

收稿日期：2008-06-06

1原理

空间分辨率是指图像中可辨认的临界物体空间几何长度的最小极限，通常用单位长度内包含可分辨的黑白“线对”数表示（线对/毫米），线对是由一根线条和一个间距组成，且间距的宽度等于线条的宽度。分辨率有多种衡量方法，也以用每英寸的像素数

作者简介：李平(1982-)，河北邢台人，博士生，主要从事红外动态场景仿真方面的研究工作。Email:think@bit.edu.cn

导师简介：李卓(1958-)，吉林长春人，教授，博士生导师，主要从事红外动态场景仿真方面的研究工作。Email:lizhuo@bit.edu.cn

增刊李平等：基于LabVIEW的红外场景生成器空间分辨率测试511

或总的像素数来衡量。在成像系统中将空间分辨率简称为分辨率[3-4]。

空间分辨率也可以用调制传递函数表示：调制传递函数表示了模拟器系统对不同频率信号调制度的传递特性。

1.1调制度法计算传递函数的原理

调制传递函数MTF是经过图像生成系统后的像的频谱与输入图像的频谱之比。标准的调制传递函数测试采用光强度按正弦曲线变化的正弦光栅作为标准物。正弦光栅经过图像生成系统成像后，所成的像仍成正弦光强度分布。由于图像生成系统不完善，使得像的调制度有所下降。

定义图像生成系统对某一空间频率ν的正弦物的调制度为：

C(v)=

Imax

Imin

I(1)

max+Imin

式中：Imax，Imin分别表示图像生成系统辐射正弦物的最大和最小光强。

则此空间频率下的调制传递函数定义为输出像

的调制度与输入像的调制度之比：

MTF(v)=

Cout(v)C(2)

in(v)

式中：Cout(v)，Cin(v)分别表示输出像的调制度和输入像的调制度。通常使输入像的调制度等于1，则传递函数MTF(v)=Cout(v)。

但是实际测量中由于正弦光栅不易生成或者精度不高，因此一般改用如图1所示的由等宽黑白条纹间隔分布的矩形光栅进行测试。由矩形光栅测出的是反映系统对不同空间频率矩形波信号调制传递能力的对比传递函数CTF。

图1MTF测试示意图Fig.1

MTFtestingSketch

对比传递函数和调制传递函数的转换关系为：

MTF(v)=

π

CTF(34CTF(v)+v)3CTF(5v)CTF(9v)

5

+

CTF(7v)

79+(3)

CTF(11v)CTF(13v)

11

13

+\"]由于随着空间频率的增加，对比传递函数值很快减少到接近为零。对于精度要求不高的情况下，可以近似认为：

MTF(v)=

π(3v)4

CTF(v)+

CTF3

(4)

在红外场景模拟器的调制传递函数测试中，首先在被测设备上生成MTF测试图（如图1所示），然后由点源扫描辐射计扫描逐点测量采集，采集下来的数据通过软件处理，得到条纹的一维光强分布，由公式（1）可得到对比度。也就是对比传递函数，然后采用公式（4）计算出系统的调制传递函数。调整测试图中矩形光栅的空间频率，可以得到不同空间频率的调制函数，从而计算得到整条传递函数曲线。由调制传递函数，可以计算出系统的空间分辨率，这时定义系统分辨率为当输出图像的对比度下降到输入图像对比度的20%时对应的空间频率（lp/mm），也可以转换成分辨点数（分辨点数/mm=2×1lp/mm）。调整测试图中矩形光栅的不同位置，即可以得到模拟器上不同区域的调制传递函数。

2系统硬件组成

基于LabVIEW的分辨率测试系统由数据处理计算

机、红外探测器、数据采集卡、运动控制卡、步进电机以及配套的光学系统组成，组成方框图如图2所示。

图2系统组成框图

Fig.2

Diagramofthesystemcomponents

512红外与激光工程：红外成像系统仿真、测试与评价技术第37卷

首先手动设定输出信号的分辨率以及帧频，通过视频信号发生器产生测试信号，在被测红外转换器上显示红外测试图。在准直光学系统的出瞳处放置一个可以二维转动的平面镜，将经过光学系统出射的红外辐射反射到点源红外探测系统进行定量测量。从探测器输出的信号经过低噪声前置放大器，经过数据采集卡，进入数据处理计算机，按照要求做预处理（例如数字滤波等）后按顺序放到指定的存储阵列中，二维转动反射镜的实际转动的角度信息经过RS232接口输入计算机，同步采集角度信息和探测器的电压信号。

计算机后续处理包括：（1）将角度值换算成空间坐标，与对应位置的探测器信号强度，共同存储到一个二维数组中。（2）将单点扫描采集的信号恢复成图像信号。（3）分析并保存数据。

数据采集卡采用NI6132，该采集卡为PCI总线，模拟输入4通道，采样速率3M/每通道，输入精度14位，最大输入电压范围±10V。步进电机控制卡采用NI7332两轴运动控制卡，该卡轴数为2轴，闭环步进控制，线性插值，S-曲线，可配置完整运动准则，软件限位，硬件可升级，A/D转换器12位，步进输出速率4MHz，编码速率20MHz，PCI总线。结合NImotion运动控制软件，可以实现系统要求各种运动控制功能。

3系统软件设计

测试系统软件采用LabVIEW8.5平台，如图3

所示。Labview是常用的虚拟仪器系统软件平台，系

图3测试系统流程图

Fig.3

Flowchartoftestingsystem

统自身带有大量的显示和分析程序。测试系统软件的主要任务是完成数据采集、步进电机控制、分析测量数据以及结果文件的读写任务。测试系统的流程图测试系统前面板如图4所示，该主界面主要由三个模块组成。第一个模块是测试信号生成模块；第二个模块是步进电机扫描设置模块；第三个模块是结果分析部分，该模块可以分析当前扫描的数据，也可以分析计算机中存储的图片数据。之后将结果有选择的存储到测试日志文件中。

图4测试系统前面板

Fig.4

Frontpaneloftestingsystem

3.1测试信号生成

测试信号来源选择包括计算机实时产生、计算机

存储图片以及外部图像。计算机可以实时产生灰度、分辨率、栅格大小及位置可调的测试图像，选择此项可以进行分辨率的自动测试。外部图像是被测红外转换器不使用本系统图像源的情况。3.2

步进电机设置及扫描

图5是步进电机扫描的部分程序框图，首先根据图4图像监视中框选的范围生成一个一维数组，该数组由包含X方向、Y方向坐标的簇数据构成，步进电机根据这个数组运动。

图5步进电机扫描部分程序框图

Fig.5

Partoftheprocessofscanningsteppermotordiagram

增刊李平等：基于LabVIEW的红外场景生成器空间分辨率测试513

对步进电机控制卡进行初始化，设置其速度和加速度，之后建立一个while循环，使用Loadvectorspaceposition.flx函数导入X方向和Y方向的坐标，该坐标为自动索引的运动数组数据。电机开始运动后，通过一个while循环判断运动是否结束，如果运动结束则通过单点采集子VI采集当前位置的电压值，之后自动进行下一位置的采集。

为了消除偶然噪声的影响，单点采集子VI设置为采样速率10K，采样100个点，计算这100个数据的平均值，将该值与当前步进电机实际的角度信息写入寄存器内。然后再从寄存器读取数据依次写入文本文件中，文本文件的选择由WritetoTextFile.vi完成。3.3结果分析

该系统有三种分析模式，分别是自动扫描分析、手动扫描单张图片并计算其对比度以及查看计算机中已存图片的对比度。

图6是查看计算机中已存图片对比度的子程序，图7是该子程序的程序框图。对于已经扫描的单张图片可以计算图片条纹间灰度值由1/e上升到90%最大值的距离，来粗略计算分辨率。

图6已存图片分析前面板

Fig.6Frontpanelofsavedpictureanalysis

图7已存图片分析程序框图

Fig.7

Processdiagramofsavedpictureanalysis

4结论

通过该基于Labview的系统能够实现对红外场景模拟系统空间分辨率的测试，并能够对测试结果进行存储与分析，具有与外部计算机的通用数据接口，可方便进行测试数据传输，具有良好的可操控性以及便捷的可维护保养性能，系统具有操作方便、可靠、可维修性好及人机界面友好等特点。参考文献：

[1]

申焱华,王汝杰,雷振山.等.LabVIEW入门与提高范例教程[M].北京:中国铁道出版社,2007.

[2]杨宜禾,岳敏,周维真,等.红外系统[M].北京:国防工业出版社,1995.[3]王丽霞.热成像系统性能评述[J].航天返回与遥感.1995,16(4):40-44.[4]李平,李卓.红外动态图像生成技术概念研究[C]//2006年国防光学及光电子学学术研讨会暨中国兵工学会光学专业委员会成立25周年年会论文集,2006,525-527.

[5]NationalInstruments.IMAQVisionConceptsManual[Z].USA:NationalInstrumentsCorporation.2007.