發(fā)布時間：2016-05-10 15:21

第 1 章 緒論

1.1 課題研究背景及意義
光電測量設(shè)備是依據(jù)光學(xué)成像手段采集目標信息，經(jīng)過實時或事后處理來得到目標特性參數(shù)，是獲取飛行目標影像資料的專用測量設(shè)備。光電經(jīng)緯儀是光電測量設(shè)備中的典型主體設(shè)備，在我國各類靶場和基地大量配裝，主要任務(wù)是實時捕獲跟蹤和測量,完成對目標特性和軌跡的記錄[1,2]。近年來隨著科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，光電經(jīng)緯儀的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，從最初的靶場測量，到現(xiàn)在廣泛涉及空間安全及防御、空間目標監(jiān)視與識別、深空探測等重要國防安全領(lǐng)域[3]。因此，對其提出了更高的任務(wù)要求、功能要求和精度要求等。
目標捕獲能力是光電經(jīng)緯儀重要的總體性能指標，為了實現(xiàn)該功能檢驗，必須提供準確科學(xué)的待捕獲動態(tài)目標源。目標源通常分為外場真實的目標源，如飛機和導(dǎo)彈等真實目標；以及室內(nèi)的仿真目標源，如仿真電子學(xué)目標和仿真光學(xué)目標。真實目標源主要用于設(shè)備的交付驗收，室內(nèi)仿真目標源主要用于設(shè)備的研制、聯(lián)調(diào)和檢驗等日常生產(chǎn)工作。目標特性參數(shù)（目標對比度、作用距離、目標大小及移動速度等）是衡量目標源性質(zhì)的關(guān)鍵指標，直接影響被檢設(shè)備相關(guān)性能檢驗的準確性。例如：目標對比度低到一定閾值，設(shè)備將無法識別目標；目標移動速度超過一定閾值，由于算法處理速度和芯片主頻等因素限制，設(shè)備將無法實現(xiàn)目標捕獲與跟蹤。在國防建設(shè)中，有關(guān)光電經(jīng)緯儀檢測中的標校分析工作是極其重要的技術(shù)基礎(chǔ)和保障，因此，在光電經(jīng)緯儀捕獲能力檢驗中，必須對目標特性參數(shù)進行相應(yīng)的標定[4,5]。
可調(diào)對比度目標源裝置是中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究研制的一種室內(nèi)檢測光電經(jīng)緯儀目標捕獲能力的測量設(shè)備，能夠產(chǎn)生目標特性參數(shù)可調(diào)的仿真光學(xué)目標源[6,7]。目前，通過該裝置進行了光電經(jīng)緯儀捕獲能力檢測方面的相關(guān)研究，比如：靜態(tài)目標對比度標定和作用距離室內(nèi)檢測模型[8]，光電設(shè)備對低對比度目標捕獲能力的評價等[9]，并制訂了相應(yīng)的所內(nèi)檢測標準《光電系統(tǒng)目標對比度測量方法》；但是研究內(nèi)容較少涉及捕獲能力檢驗中目標特性參數(shù)標校方面的分析，對目標特性參數(shù)標校缺少嚴謹科學(xué)的的評估標準和數(shù)據(jù)挖掘，具體表現(xiàn)在以下 3 個方面：
1）缺少目標特性參數(shù)標�；鶞实慕�立，沒有將目標特性參數(shù)與現(xiàn)有標準建立起可溯源關(guān)系；

2）影響目標特性標校相關(guān)因素的分析不夠完善，缺少相關(guān)的統(tǒng)計學(xué)數(shù)理分析及評價，沒有對光學(xué)對比度的時漂效應(yīng)，目標源裝置輻亮度的差異性，圖像的均勻性和穩(wěn)定性進行評價；3）缺少目標特性參數(shù)與設(shè)備捕獲能力水平內(nèi)在聯(lián)系的建立，沒有分析目標特性參數(shù)與圖像灰度對比度的數(shù)學(xué)關(guān)系。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
具有捕獲跟蹤和測量功能的光電經(jīng)緯儀基本上都是涉及軍工國防應(yīng)用領(lǐng)域，國外對此各項相關(guān)技術(shù)歷來都是嚴密封鎖的，相關(guān)資料信息的獲取一直存在無法逾越的保密防護措施。例如：在相關(guān)國際期刊領(lǐng)域，均檢索不到有關(guān)光電經(jīng)緯儀捕獲能力檢驗中目標特性標校方面的相關(guān)參考文獻�？紤]到獲得外場真實目標源需要動用飛機、導(dǎo)彈等真實目標，需要雷達、衛(wèi)星及其它光測設(shè)備組網(wǎng)聯(lián)合測量，需要耗費大量的人力物力的實際狀況；國內(nèi)主要是采用室內(nèi)仿真目標源的方法對光電經(jīng)緯儀捕獲能力進行檢驗，相關(guān)的文獻資料和檢測設(shè)備也主要是由相關(guān)科研院所提供。在研制、裝調(diào)和檢測光電經(jīng)緯儀過程中，特別是波門跟蹤系統(tǒng)，需要一個合適的目標作為輸入的視頻特征信號，即需要一個合適的目標源供設(shè)備實現(xiàn)捕獲。目前，室內(nèi)仿真目標源主要采用電學(xué)目標仿真法和光學(xué)目標仿真法來實現(xiàn)，即電信號法和可調(diào)對比度光學(xué)目標源法。
1.2.1 電信號法

電信號法是利用已知信噪比的模擬電信號，形成電模擬目標源，通過設(shè)定相關(guān)目標特性參數(shù)來直接檢驗光電經(jīng)緯儀的圖像處理器能否對此目標源進行捕獲。電信號法通常采用電子目標產(chǎn)生器來實現(xiàn)，主要由目標產(chǎn)生器、軌跡控制器和白噪聲發(fā)生器等部件組成[10,11]。目標產(chǎn)生器包括運動目標產(chǎn)生器和固定目標產(chǎn)生器，均由行鋸齒產(chǎn)生器和場鋸齒產(chǎn)生器提供輸入信號，分別用來形成后續(xù)的運動目標和固定目標。軌跡控制器包括正弦波振蕩器、積分器、倒相器和軌跡控制開關(guān)，能夠?qū)崿F(xiàn)目標的各種運動軌跡。白噪聲發(fā)生器能夠改變白噪音幅度，用來檢驗信號提取系統(tǒng)抑制噪音的能力。電子目標產(chǎn)生器具備的功能：能夠產(chǎn)生各種運動軌跡、不同大小和灰度對比度的電子目標源，來檢驗波門跟蹤系統(tǒng)對不同性質(zhì)目標源的捕獲能力與跟蹤性能。電子目標產(chǎn)生器的原理框圖和實物圖分別如圖1.1 和圖 1.2 所示。

該方法由于實現(xiàn)簡單，操作方便，結(jié)果客觀等原因，特別是具有能夠提供多種運動軌跡姿態(tài)（各種直線運動和圓周運動）以及多個干擾目標，目標大小和灰度對比度可調(diào)等優(yōu)點，一直以來被廣泛應(yīng)用于光電經(jīng)緯儀的研制、調(diào)校和檢測等日常工作中。國軍標 GJB 1830-93《電視跟蹤器通用規(guī)范》對電模擬目標的灰度對比度、目標大小及速度等目標特性做出了具體的規(guī)定[12]。由于是電模擬目標，目標特性無需標校，可根據(jù)實際需要進行相關(guān)設(shè)定即可。比如：對目標尺寸為3×3 像元，目標灰度對比度為 10%，速度為 1.5 視場/秒勻速直線運動的電模擬目標可直接通過圖像處理編程來實現(xiàn)。但是，該方法也存在一定的不足，沒有將整機設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)、電視傳感器及電路噪聲等實際影響因素綜合考慮在內(nèi)，只是從模型的建立和圖像處理算法等方面進行捕獲能力分析，缺少一定的真實性，因此不能真實地反映出被檢光電經(jīng)緯儀的整體性能。

第 2 章 目標特性標校方法研究實驗裝置的建立

為了檢驗光電經(jīng)緯儀的捕獲能力，需要借助外部設(shè)備為其提供一個待捕獲的目標源[47-54]。對于光電經(jīng)緯儀而言，電子學(xué)仿真目標和光學(xué)仿真目標都屬于與捕獲能力檢驗有關(guān)的外部因素。其目標特性參數(shù)指標，比如：目標移動速度、目標尺寸、目標亮暗、目標對比度、跟蹤距離等對捕獲能力檢驗有著重要影響。尤其是目標對比度最為重要，當(dāng)目標對比度很低時，光電經(jīng)緯儀將無法探測到目標的存在，或者可以探測到目標但捕獲能力下降，從而影響捕獲性能。國內(nèi)外長期以來關(guān)注與捕獲能力有關(guān)的內(nèi)部因素研究，從模型的建立和圖像處理算法等方面進行捕獲能力分析和評價，而對目標特性參數(shù)（因素）對捕獲能力影響的分析較少[55-64]。

理想的檢測方法是依據(jù)目標源裝置的結(jié)構(gòu)特點，對其各目標特性參數(shù)（因素）建立整機檢驗環(huán)境，涵蓋目標特性參數(shù)對捕獲能力的影響。目標源的目標特性是外部因素特性中非常重要的一部分，可調(diào)對比度目標源裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對各目標特性水平（移動速度、大小和光學(xué)對比度）的合理設(shè)定，可以實現(xiàn)光電經(jīng)緯儀對光學(xué)目標源進行捕獲能力的檢測，所以目標特性參數(shù)分析是設(shè)備捕獲能力判斷的關(guān)鍵[65]�；�于這種想法，以可調(diào)對比度目標源裝置為基礎(chǔ)，搭建了目標特性參數(shù)標校的實驗環(huán)境，開展目標特性參數(shù)與設(shè)備捕獲能力檢驗關(guān)系的相關(guān)研究。

2.1 實驗系統(tǒng)研制方案
目前，由于可調(diào)對比度目標源裝置的研制完成不久，相關(guān)研究內(nèi)容還在完善之中，所以基于統(tǒng)計分析的目標源目標特性的標校工作還沒有有效地開展。本課題根據(jù)日常檢測工作的需要，以可調(diào)對比度目標源裝置為設(shè)備基礎(chǔ)，并結(jié)合光譜輻射亮度計、萬能工具顯微鏡等測量設(shè)備，搭建了目標源目標特性的標校實驗環(huán)境，對其展開相關(guān)的分析研究。
2.1.1 可調(diào)對比度目標源裝置目標特性參數(shù)標校實驗環(huán)境
可調(diào)對比度目標源裝置是本課題組結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)經(jīng)驗，研制的一種室內(nèi)檢驗光電經(jīng)緯儀捕獲能力水平的檢測設(shè)備，其裝置的原理圖和實物圖分別如圖 2.1和圖 2.2 所示。

轉(zhuǎn)臺伺服系統(tǒng)可以提供角速度的實時變換。光學(xué)目標的大小可通過選擇目標板上不同規(guī)格的目標孔來實現(xiàn)，目標孔經(jīng)過準直物鏡成像可形成無窮遠的光學(xué)仿真目標源。轉(zhuǎn)臺上的成像設(shè)備獲取目標源信號后，可通過與其連接的捕獲仿真器進行其捕獲能力的實時測試。目標對比度可通過輻射計 PR735 測量 2 個積分球的輻亮度獲得。目標特性參數(shù)的具體標校會在下一章進行詳細的論述。該裝置的各主要部件參數(shù)如表2.1 所示。

2.2 實驗系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的理論概述
應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)，主要是指在實際工程應(yīng)用中所涉及的相關(guān)統(tǒng)計學(xué)，具體分為描述統(tǒng)計學(xué)和推斷統(tǒng)計學(xué)。對于給定的數(shù)據(jù)，通過圖表等方式描述出這份數(shù)據(jù)的相關(guān)統(tǒng)計學(xué)特性，這種用法被稱作描述統(tǒng)計學(xué)。當(dāng)觀察者根據(jù)給定數(shù)據(jù)的自身特性建立出一個用以解釋其統(tǒng)計學(xué)特性的數(shù)學(xué)模型，來推導(dǎo)論述研究中的步驟及母體，這種用法被稱作推論統(tǒng)計學(xué)。總的來說，應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)就是對給定的數(shù)據(jù)進行量化的描述、分析和歸納，并以此為據(jù)進行推斷和預(yù)測，挖掘數(shù)據(jù)的內(nèi)涵。在工程應(yīng)用中對測量數(shù)據(jù)的前期統(tǒng)計學(xué)處理，一直是容易被忽視的環(huán)節(jié)，測量結(jié)果通常只以均值和方差來簡單地表示測量數(shù)據(jù)的特性，造成測量數(shù)據(jù)分析的不完善。光電經(jīng)緯儀設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是多部門、眾多人員設(shè)計和裝調(diào)的結(jié)果；作為檢測人員或設(shè)備驗收方而言，如何將設(shè)備的檢測指標用統(tǒng)計的形式表現(xiàn)出來，使結(jié)果有據(jù)可依，有理可查，令人信服，著重的應(yīng)該是解釋而不是計算，因為計算形式本身卻不能從直觀上表明為何如此計算。在工程應(yīng)用上，很多數(shù)據(jù)分析的研究，都是先根據(jù)具體問題進行一些條件的假設(shè)和限定，然后通過一系列數(shù)學(xué)推導(dǎo)，有時甚至為了與推測的模型相吻合，而忽略一些“干擾”，讓測量的數(shù)據(jù)“符合”預(yù)設(shè)模型，這樣推導(dǎo)出的模型往往缺少真實的客觀性。正確做法應(yīng)該以測量數(shù)據(jù)為起點，不應(yīng)該從理論分布假定出發(fā)去構(gòu)建模型，而應(yīng)該從數(shù)據(jù)的特征出發(fā)去研究和發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中有用的信息。描述統(tǒng)計這種簡單而直觀的方法在理解數(shù)據(jù)方面是極為有用的。
文中在對數(shù)據(jù)處理統(tǒng)計分析的方法上，分別采用了描述統(tǒng)計學(xué)和推斷統(tǒng)計學(xué)的相關(guān)理論。在描述統(tǒng)計學(xué)的應(yīng)用范疇中，主要采用了實驗設(shè)計分析、殘差分析圖、散點圖、I-MR 控制圖、因子圖、判別分析表、隨機性檢驗表等，通過大量的簡潔圖表將數(shù)據(jù)分析結(jié)果表達出來，是本文的一個特點。在推斷統(tǒng)計學(xué)的應(yīng)用范疇中，主要采用了方程擬合等手段。文中主要采用以下 4 個步驟對測量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學(xué)分析：
1) 設(shè)計收集數(shù)據(jù)的過程；
2) 準備分析用的數(shù)據(jù)（概括、建模）；
3) 分析數(shù)據(jù)；

4) 報告從數(shù)據(jù)分析中得到的結(jié)論。

第 3 章 實驗系統(tǒng)目標特性標�；鶞�.......................19
3.1 標校基準建立的數(shù)理條件..........................19
3.2 目標特性標�；鶞实慕�立...........................20
3.3 本章小結(jié).........................................35
第 4 章 影響目標特性標校相關(guān)因素的評定............... 37
4.1 目標特性參數(shù)光學(xué)對比度不穩(wěn)定性評價...............38
4.2 光學(xué)系統(tǒng)的圖像均勻性評價............................49
第 5 章 目標特性參數(shù)與光測設(shè)備捕獲能力建模分析.........71
5.1 目標光學(xué)對比度與圖像對比度建模分析..................71
5.2 目標特性參數(shù)與捕獲能力的建模分析....................85

5.3 擬合模型驗證及捕獲能力檢驗.........................96

第 5 章 目標特性參數(shù)與光測設(shè)備捕獲能力建模分析

可調(diào)對比度目標源裝置能夠為光電測量設(shè)備提供待捕獲的光學(xué)目標源。該裝置目標源的特性參數(shù)主要有：光學(xué)對比度、目標尺寸和目標角速度。本章主要研究該裝置的目標特性參數(shù)和光電測量設(shè)備圖像對比度的數(shù)學(xué)模型關(guān)系，來評價設(shè)備的捕獲能力。其具體意義是：在檢測過程中，依據(jù)數(shù)學(xué)模型合理地設(shè)定動態(tài)目標源的目標特性參數(shù)，獲取對應(yīng)的像方目標特性參數(shù)——目標灰度對比度，來檢驗光測設(shè)備能否將其捕獲；因為目標灰度對比度是波門跟蹤系統(tǒng)實現(xiàn)捕獲功能的基礎(chǔ)，這樣就將目標特性參數(shù)和捕獲能力建立起內(nèi)在聯(lián)系。在可調(diào)對比度目標源裝置和被檢設(shè)備組成的測量系統(tǒng)中，為了解決圖像中動態(tài)目標邊緣模糊影響目標灰度準確提取的問題，本章提出了一種灰度對比度和光學(xué)對比度動態(tài)標定的方法。該方法基于“判別分析”的數(shù)學(xué)原理，明確了依據(jù)目標灰度準確率的最高值來選擇目標灰度提取框的原則。根據(jù)此原則，本章采用實驗設(shè)計的數(shù)學(xué)原理對目標特性參數(shù)和圖像對比度進行了數(shù)學(xué)建模。本章最后通過實驗驗證了模型的適用性。

5.1 目標光學(xué)對比度與圖像對比度建模分析
光電經(jīng)緯儀實現(xiàn)跟蹤與捕獲功能，是基于圖像處理領(lǐng)域的相關(guān)知識和原理，而圖像灰度對比度則是該領(lǐng)域的核心基本參量，特別是圖像目標的識別和提取等處理方法，均離不開灰度對比度這一參量，國軍標 GJB1830-93《電視跟蹤器通用規(guī)范》中明確定義了灰度對比度的定義式，以及跟蹤、捕獲能力測試過程中灰度對比度數(shù)值的設(shè)定范圍。比如：在最小跟蹤目標、跟蹤速度和跟蹤誤差這 3 個檢測項目中，將對比度限定為≥10%，在最小跟蹤對比度檢測中，將對比度限定為≤5%。

Purkinje 效應(yīng)告訴我們，人眼或設(shè)備能否識別出目標，，主要取決于目標和背景的亮度差別[131,132]。在軍事應(yīng)用中，上述這種亮度差別，通常采用光學(xué)對比度來進行定量描述與分析。為了實現(xiàn)光學(xué)偵查、監(jiān)視、預(yù)警、偽裝和隱身等武器裝備的論證、設(shè)計、仿真、評估和使用，國軍標 GJB 5250-2004《動態(tài)目標光學(xué)特性測量通用要求》中明確規(guī)定了目標光學(xué)特性的測量參量——光輻射度。因此，通過目標和背景光輻射度差異來定義光學(xué)對比度是目前常用的定義方式。通過相關(guān)定義可以看出，光學(xué)對比度和圖像灰度對比度對于被檢光電跟蹤系統(tǒng)而言，分別對應(yīng)其物方空間和像方空間的目標亮度特性，必然會存在對應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系。這種對應(yīng)關(guān)系涵蓋了光學(xué)系統(tǒng)因素、電子學(xué)系統(tǒng)因素、捕獲算法因素等諸多因素，對于捕獲能力測試分析具有一定的實際意義，因此需要對其進行對比度標定。光學(xué)目標源對比度標定可采用第 2 章搭建的標校環(huán)境，其主要由可調(diào)對比度目標源裝置、攝像機 MS50K 及光譜輻射亮度計 PR735 組成，如圖 5.1 所示。

第 6 章 總結(jié)與展望

6.1 研究工作總結(jié)
基于可調(diào)對比度目標源裝置的光學(xué)仿真目標源法是目前檢測光電測量設(shè)備捕獲能力的一種重要手段和發(fā)展趨勢。該目標源的目標特性對設(shè)備的捕獲能力檢驗結(jié)果有著重要影響，如何對其進行合理的設(shè)定與標校是設(shè)備捕獲能力判斷的關(guān)鍵�？紤]到光學(xué)仿真目標源目標特性標校的相關(guān)研究在國內(nèi)鮮有報道的狀況，以及光電測量設(shè)備捕獲能力檢測的實際需要，本課題針對目標特性標校開展了相關(guān)研究。本文首先分析了研究的背景和意義，以及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了目前研究的不足體現(xiàn)在：1）缺少目標特性參數(shù)標�；鶞实慕�立，2）對影響目標特性標校相關(guān)因素的分析不夠完善，3）缺少目標特性參數(shù)與設(shè)備捕獲能力水平內(nèi)在聯(lián)系的建立。論文圍繞上述 3 個現(xiàn)象進行了詳細的分析研究，具體工作內(nèi)容如下：
搭建了目標特性標校的實驗環(huán)境，結(jié)合國家標準及技術(shù)規(guī)范對目標特性參數(shù)進行了溯源分析，明確了其溯源參量及標校方法，給出了相應(yīng)的不確定度和溯源鏈框圖，建立了目標特性參量的標校基準。對影響目標特性標校的相關(guān)因素進行了相應(yīng)分析。主要對目標源光學(xué)對比度的時漂問題，目標源輻亮度的差異性問題，光學(xué)系統(tǒng)圖像的均勻性和穩(wěn)定性狀況進行了評定與修正。保證了可調(diào)對比度目標源裝置和光電成像系統(tǒng)在目標特性標校及捕獲能力測試過程中的穩(wěn)定性和可靠性。

對目標特性參數(shù)對光電成像設(shè)備捕獲能力的影響進行了相關(guān)分析。編寫了圖像灰度提取軟件，對目標源的對比度進行了標定，構(gòu)建了目標特性參數(shù)與圖像對比度的數(shù)學(xué)模型，并進行了實驗驗證。實驗證明了圖像對比度在大于一定閾值條件下被檢設(shè)備能夠很好捕獲目標。在上述問題分析和研究的過程中，采用了統(tǒng)計分析的相關(guān)手段，主要是描述統(tǒng)計學(xué)的應(yīng)用，具體涉及了實驗設(shè)計、析因分析、殘差分析、I-MR 控制圖、判別分析、散點圖、主效應(yīng)圖和交互效應(yīng)圖等方法。通過相應(yīng)的圖表描述及分析，使研究結(jié)果直觀明了、詳實準確、有據(jù)可依，為目標特性標校方法的分析研究及數(shù)據(jù)處理提供了有力的數(shù)理基礎(chǔ)。

參考文獻（略）

本文編號：43658