一种基于图像实时反馈的红外探测器光学调校系统

红外凝视探测器具有灵敏度高、响应速度快的优点，在预警、精确制导、火控和侦察等探测系统中都有广泛应用。

在红外成像设备中，系统整体性能往往受到光电探测器、光学系统、信号处理等多方面因素的限制，其中，随着探测器焦平面面元规模的不断增大(大于64 K)和单元探测器尺寸收稿 日期：2012-03 Received Date：2012-03(小于25 u肌)的不断减小 ，光学系统装配工艺误差在研发相关设备中的影响变得越来越大。由于红外探测器装配工艺的限制，现有的红外焦平面探测器中心和安装基准面存在-定的安装误差，如很多情况下探测器的中心和基准面的中心位置偏差达0.5 lnln，探测器 、y、z轴绕轴偏差甚至达到2。，对准偏差的存在使理想状况下本应相互对准的光学系统和探测器阵列并未对准，存在-定的偏差从而影响成像质第 2期 程 俊 等 ：-种基于图像实时反馈的红外探测器光学调校系统 297量。基于此，在测试阶段必须研究高精度的装配手段来保障红外系统的成像质量。

目前研究人员提出的调校方法主要集中在对焦系统以及光学系统的设计上 ，而针对测试过程中可能出现的六维偏差的调校技术论述相对较少，此前的相关研究主要有基于无衍射光的光互连系统的对准，利用四象限光电探测器的对准等 。 。基于无衍射光的调校方法主要是利用激光器对准探测器来达到校准的目的，通过实现径向偏差和角度偏差的校正，在二维平面进行调节，但不能实现中心对准；基于四象限光电探测器的方法是在探测器上安装 4个参数完全相同的光电二极管，通过 4个检测象限的响应电压来实现调校，由于二极管的安装偏差 、背景光、硬件电路噪声 以及本身测量精度等影响 ，四象限定位的精度不高，此类方法在实现焦平面探测器和光学系统装配过程中的高精度调校时具有-定的局限。除此之外，单纯依靠电子变倍进行人为观瞄的方式对于对准人员也是-种负担。

结合实际的操作情况，本文提出了-种基于合作 目标源，直接利用图像反馈数据作为对准参考的对准方法。系统在完成光学系统的测试和调校后，通过高精度六维机械调节平台微调红外探测器位置及姿态，借助视频图像处理与显示技术辅助完成红外探测器的安装校准，从而达到既定的调校目标，实现了探测器与光学系统的对准。

2 光学误差调整的基本原理红外光电探测器光学系统的基本功能是将 目标的热能辐射汇聚到热释电探测器表面。视区概念的建立能将入侵目标在防护区域内的移动转化为热电器件表面的脉动热能变化，为信号的后续处理奠定基矗为了将移动目标从静态热背景下区分出来，被动红外人侵探测器设有-个复杂的光学系统，分层结构的多组光学透镜或反射镜，形成向下俯瞰的扇形防护区，张开扇形视角的同时，兼顾远、中、近等不同区域的目标探测。

对于空间刚体探测器，要使其中心与光学系统中心完全对准并与光轴垂直需要调节 6个 自由度，即分别为三维位置和绕 3个坐标轴的旋转角度。

2.1 沿 、y轴方向平移调节本文定义光学系统光轴方向为 z轴 ，探测器的行坐标为 轴 ，列坐标为 y轴，并符合右手坐标系统。光学系统对系统光轴周围的成像空间，被称为该系统的视常视成以用角度来量度，称为视城。视城的大婿定了光学仪器的视野范围，视城越大，视野就越大，光学倍率就越校探测器的中心与光学系统的中心对准，可以使其视场得到充分有效地利用，增加光学仪器的视野范围，而沿 、l，轴的平移调节，可以使探测器的中心与光学系统的中心对准，增大探测器的视场范围。为了使探测器及光学系统对平行光成像，其聚焦点质心坐标应为光学系统的中心。此时，调节位移平台使光电探测器测得的聚焦光斑中心坐标为探测器的中心位置即可。本文使用的探测器分辨率为256×256像元 ，采用聚焦光斑为2×2或 4×4等尺寸并辅助电子放大功能以方便调试观察，如图1所示。

1 27 128 129 l30 256口 口 口 口 口 口z口 口 口 口 口 口27口28口29口30口因 图图 圈圈 囹图 园 圈口口口口：s 口 口 口 口 口 口图 1 中心对准调节示意图Fig.1 Schematic diagram of center alignment2.2 沿 z轴方向平移调节光学系统视区的形状是放射状漏斗型，移动目标处在视区不同位置对热电元件的热能辐射变化很大，不同位置会产生不同探测效果。目标离探测器太远，在热电表面成像面积太小，热电元件不能产生足够强度的电信号；离镜头太近，目标体积超越视区外廓，以至于同时占据 2个视区，也会使热电特征模糊，不能获得有效的热电信号。由此，当光学探测器位于理想位置时，其积分能量密度应为最大，即能量最为集中。

基于此，提出了能量集中度的概念。采用点状靶源，累计 1 000帧图像后腮值 ，找出点源中心点的位置，取其 9×9邻域并求和，记为 s ，取其 3×3的邻域并求和，记为 s，，则可利用式(1)求得图像背景灰度 ：B (1)假设某点灰度值为 ，定义该点能量集中度为E，则：E ： (2) 也在显示器上显示最亮点的能量集中度 E，微调六维调整台z轴，使探测器输出的积分能量密度达到最大，探测器即敲位于光学系统的焦点处。

2.3 绕 z轴的旋转调节理想状态下，调校好水平位置的标准目标经光学系统在探测器表面形成如图2所示的标准图像，但若探测器成的标准图像水平线的最左端与其最右端的行坐标不-致，或标准图像垂直线的最上端与最下端列坐标不-致，则说明探测器的 轴和，轴与光学系统的对应轴之间存在着夹角，此时可第 2期 程 俊 等 ：-种基于图像实时反馈的红外探测器光学调校系统 2993.2 信号检测系统设计信息检测系统的主要功能是辅助完成光学对准调试，并完成传感器的信号采集、处理与分析、视频显示等功能。整个系统按主体功能采用拈化设计，分为采集单元、成像以及后处理单元。

采集单元主要由 FPGA完成对探测器(JT制冷型)输出模拟信号进行 AD采样的功能，四路采集功能实现主要由AD8138、AD9240和多路复用开关等组成，能够同时以 10 MHz采样频率 14位分辨率采集四路模拟信号。

成像以及后处理单元，主要 由FPGA完成红外焦平面系数定标、存储，实时非均匀校正、串口响应外部命令及模拟显示等功能，而 DSP则完成合作 目标的检测。整个信号处理系统 由电源管理芯片、FPGA、DSP、存储器、RS422芯片组、视频 DA等组成，系统结构如图 8所示。

最终的测试信息通过字符叠加方式叠加在实时成像显示设备 匕f sRAM] KEYPAD Jr 、 lTMS320 I IC6416 IMUX ～ - lLVDS图8 信号处理板原理框图Fig.8 Hardware principle diagram of the signal processing board3.3 辅助目标检测算法综合考虑以上的情况，系统调校步骤可采用图 9所示组合目标集合 ，分为4步进行：图 9 组合调整标准测试 目标Fig.9 The standard cooperative test object image1)探测器沿 、l，轴平移调节。首先调整靶标使图像9的十字叉的水平轴与垂直轴的中心线位于探测器的同- 行和同-列，且十字中心对准，判别时结合集合十字检测算法判定局部最优；2)探测器绕 、y轴角度调整。使图9圆环图像旧能充满探测器的探测单元靶面，由于系统安装误差的原因，实际测试的图像为-个椭圆前后调节使探测器测得的图像旧能接近圆，即拟合后的椭圆长轴与短轴半径比值接近为 1，且集合判别算法输出为局部最优。

4)z轴调节。参考原理部分 2.2调节，取得局部能量计算输出最优。

以上过程可以在调整过程中结合实际反泪果反复调整，直到达到各调整模式的数值响应最优。

由于红外图像对比度较低，层次较差，仅凭肉眼直接观测合作目标对准难以达到最佳调校精度，甚至无法判断。基于此 ，在最终的评价上，通过动态检测 目标点并实时统计其落入标准形状集合的比例来评价调校效果。其中，能量强度的积分计算可以在其余轴对准的情况下，采用指定位置的方法来进行检测 ，判别标准按式(1)和(2)的方式输出。十字目标和圆形 目标采用先检测再进行集合匹配的方法，具体的方法如下：1)十字 目标首先得到十字 目标的粗集合 s。∈( ，Y)I l(x，Y)>，式中，( ，Y)为图像的像素坐标位置，I(x，Y)为图像( ，Y)坐标位置的图像像素灰度， 为判别阈值，满足：1南 ， ) (3)、 为图像横向及纵向尺寸。为了提升集合的强度，此时由集合s。得到强集合 s.，满足：S ∈( ，Y)l，( ，Y)>T1 (4)302 仪 器 仪 表 学 报 第 3 4卷5 结 论本文提出的红外光学方法直接以最终的探测器成像结果作为反馈判别依据，避免了由于额外的反馈传感器标准与红外探测器要求不-致产生的误差，直接体现了系统整体性能的要求。同时该方法利用检测标准合作目标集合的统计判决方法寻找局部的最优解，在实际操作中对噪声具有较强的鲁棒性，提高了实验精度，减少了对准实验花费的时间。大量实验证明，本方法能够高效率地完成红外探测器光学系统的装配调校。