本发明涉及一种振动对光电设备成像质量影响试验分析系统，属于光电设备试验技术领域。
背景技术：
为了研究振幅和频率两振动参数对成像质量的影响作用规律，搭建了光电成像半实物仿真试验系统，包括振动试验系统和图像采集系统等；本系统主要用于测试评估车载光电设备在受到振动冲击作用时的影响程度，为车载精密设备的动力学特性分析、结构改进与优化设计提供参考；在坦克或自行火炮等车辆复杂多变的工作环境下，载体姿态的变化、振动和气流扰动等因素都会造成光电系统视轴指向的晃动，从而对光电平台内部成像系统的清晰成像造成严重的影响；对于车载光电稳像系统，其稳定精度的高低直接决定着瞄准线稳定的好坏和系统成像质量的优劣。
技术实现要素：
为解决上述问题，本发明提出了一种振动对光电设备成像质量影响试验分析系统，搭建了光电成像半实物仿真试验系统，并进行仿真试验。
本发明的振动对光电设备成像质量影响试验分析系统，包括振动台、被测稳像系统、自准直平行光管、ccd成像组件、光源和计算机构成，振动台用于模拟车辆的振动特性，三角架用于自准直平行光管光轴方向的调整，将光轴方向精确对准被测稳像系统；光源用于照亮被测稳像系统的内置分划，自准直平行光管将被测稳像系统发射出的内置分划的光路聚焦在ccd成像组件的焦平面上，ccd成像组件接收到的视频图像通过视频采集卡传输给计算机，其中，自准直平行光管可用于产生平行光束，是装校调整光学仪器的重要工具；ccd成像组件为ccd图像传感器，能够把光学影像转化为数字信号，自准直平行光管和ccd成像组件均为现有技术，在此不再详述其具体结构及其工作原理；所述被测稳像系统固定安装于振动台上；所述自准直平行光管通过三角架活动安装于被测稳像系统一侧，且所述被测稳像系统其光轴和自准直平行光管其光轴位于同一直线上；所述ccd成像组件安装于自准直平行光管一侧，且所述自准直平行光管其光路聚焦于ccd成像组件其焦平面上；所述ccd成像组件通过视频采集卡与计算机通信连接，被测稳像系统在振动过程中瞄准线会产生抖动，不同频率下的抖动量可能不同；通过调节振动台的输入，模拟不同的振动工况，通过自准直平行光管和ccd成像组件将视频传输至计算机，然后利用图像处理程序对视频图像进行分析处理得出视轴的稳定精度。
进一步地，所述被测稳像系统根据光路传播方向依次由目镜、分划板、下反光镜、物镜和上反射镜构成；所述光源设置于被测稳像系统的目镜前侧。
进一步地，所述被测稳像系统通过支撑框架安装于振动台其台面上。
进一步地，所述振动台包括六度空间振动台台体，及与六度空间振动台台体电连接的六度空间振动台控制器和振动信号处理系统；所述振动信号处理系统包括三向加速度传感器、振动信号调理器和振动处理计算机；所述三向加速度传感器安装于六度空间振动台台体上；所述振动处理计算机经振动信号调理器与三向加速度传感器电连接。
进一步地，所述振动对光电设备成像质量影响试验分析系统其操作方法如下：
第一步，将被测稳像系统整机安装在振动台上，并做好固定处理，以免振动过程中发生松动；将自准直平行光管固定在三角架上，按照被测稳像系统的入射光轴方向调节三角架的高度和自准直平行光管的俯仰、方位，使自准直平行光管的光轴和被测稳像系统的光轴一致，并保持光轴不变；
第二步，打开仪器光源对准被测稳像系统的目镜，照亮稳像系统中的内置分划板，被照亮的系统内置分划通过自准直平行光管成像在刻度分划上；通过计算机实时显示的图像进行精调对准，调节平行光管的俯仰和方位从而使稳像系统的亮分划尽可能地成像在图像的中央位置；
第三步，安装并调试好试验系统后，启动被测稳像系统并进入稳像模式，然后开启振动台，按设定的功率谱模拟车辆振动特性，被测稳像系统在振动台的激励下达到稳定，但由被测稳像系统出射的平行光发射光路的方向仍然会在振动的扰动下发生角度变化，变化后的光束经自准直平行光管聚焦在ccd焦平面上；ccd成像组件将采集到的视频图像传输至计算机显示并存储，然后利用图像处理程序对视频图像进行处理和识别，获得系统的稳定精度从而评价不同的振动对稳像系统成像性能的影响。
再进一步地，所述第三步中的图像的分析处理方法如下：
第一步，像素对应角度标定，
光电稳像系统的稳定精度通常以角量进行描述，ccd采集的是分划图像的线量，则先对ccd单位像素的线量进行角度量的标定，从而根据计算得到的线量直接换算出实际对应的角量值；图像标定是确定通过ccd拍摄的每一帧图像中每个像素对应的角度，分为方位向、高低向两个值；计算公式为：角当量=视场角/像素数；
该检测试验系统的视场角约为1°，ccd成像组件的靶面分辨率为640×480，则方位向上每个像素角当量理论值折合1°/640=0.09′=5.4″，高低向的理论值为1°/480=0.125′=7.5″；
第二步，图像处理，
利用图像处理技术对试验采集的视频图像进行处理，计算出图像中亮分划的中心坐标以及分划抖动过程中距图像中心点在x、y方向上的坐标值，从而间接求出分划的抖动偏移量；整个图像处理过程共分三步：图像预处理、图像分割及分划的识别与跟踪；
1）图像预处理，通过ccd成像组件采集到的视频图像，并采用二维中值滤波的方法来对图像文件进行预处理；通过对图像进行的滤波处理消除图像中的随机噪声；
2）图像分割：将图像空间划分成不同的区域，区域内部具有相同的特性，而区域间则因特性的不同而存在边界；
3）分划的识别与跟踪：通过第二步的图像分割处理，将亮分划从图像中提取出来；通过利用matlab中的边缘提取算法及hough变换法对图像中的亮分划进行识别提取，再经过跟踪计算得出分划十字中心的坐标位置，并确定其偏离图像中心位置的x、y向偏移量。
本发明与现有技术相比较，本发明的振动对光电设备成像质量影响试验分析系统，搭建了光电成像半实物仿真试验系统，并进行仿真试验，通过调节振动台的输入，模拟不同的振动工况，通过自准直平行光管和ccd成像组件将视频传输至计算机显示并存储，然后利用图像处理程序对视频图像进行处理和识别，获得系统的稳定精度从而评价不同的振动对稳像系统成像性能的影响，试验结果表明，对于光电成像系统不同振动工况下的图像，振幅一定，高频振动对图像质量的影响大于低频振动；频率一定，振幅越大，所成图像质量越差。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意框图。
图2是本发明的光学原理图。
图3是本发明的稳像瞄准镜10hz~50hz频段0.2mm振幅下的振动视频图像。
图4是本发明的稳像瞄准镜50hz~100hz频段2g振幅下的振动视频图像。
图5是本发明的图像处理流程图。
图6是本发明的静止状态的十字靶像示意图。
图7是本发明的振动频率为10hz下不同加速度的振动峰值时的十字靶像示意图；其中，图（a）是加速度为0.5g振动峰值图，图（b）是加速度为1.0g振动峰值图，图（c）是加速度为2.0g振动峰值图。
图8是本发明的振动频率为20hz下不同加速度的振动峰值和振动中值时的十字靶像示意图；其中，图（a）是加速度为0.5g振动峰值图，图（b）是加速度为1.0g振动峰值图，图（c）是加速度为2.0g振动峰值图，其中，图（d）是加速度为0.5g振动中值图，图（e）是加速度为1.0g振动中值图，图（f）是加速度为2.0g振动中值图。
图9是本发明的振动频率为30hz下不同加速度的振动峰值时的十字靶像示意图；其中，图（a）是加速度为0.5g振动峰值图，图（b）是加速度为1.0g振动峰值图，图（c）是加速度为2.0g振动峰值图，其中，图（d）是加速度为0.5g振动中值图，图（e）是加速度为1.0g振动中值图，图（f）是加速度为2.0g振动中值图。
图10是本发明的振动频率为10hz、20hz和30hz下不同加速度的振动图像的gmg值示意图。
图11是本发明的振动频率为10hz、20hz和30hz下不同加速度的振动图像的ssim值示意图。
图12是本发明的振动频率为10hz、20hz和30hz下不同加速度的图像评价结果示意图。
图13是本发明的振动测试试验结果示意图。
附图中各部件标注为：1-振动台，11-六度空间振动台台体，12-六度空间振动台控制器，13-三向加速度传感器，14-振动信号调理器，15-振动处理计算机，2-被测稳像系统，21-目镜，22-分划板，23-下反光镜，24-物镜，25-上反射镜，3-自准直平行光管，31-平行光管物镜，32-刻度分划，33-平行光管目镜，4-ccd成像组件，5-光源，6-计算机，7-三角架，8-光轴，9-支撑框架，10-视频采集卡。
具体实施方式
如图1和图2所示的振动对光电设备成像质量影响试验分析系统，包括振动台1、被测稳像系统2、自准直平行光管3、ccd成像组件4、光源5和计算机6构成；所述被测稳像系统2固定安装于振动台1上；所述自准直平行光管3通过三角架7活动安装于被测稳像系统2一侧，且所述被测稳像系统2其光轴8和自准直平行光管3其光轴位于同一直线上；所述ccd成像组件4安装于自准直平行光管3一侧，且所述自准直平行光管3其光路聚焦于ccd成像组件4其焦平面上；所述ccd成像组件4通过视频采集卡10与计算机6通信连接。
所述被测稳像系统2根据光路传播方向依次由目镜21、分划板22、下反光镜23、物镜24和上反射镜25构成；所述光源5设置于被测稳像系统2的目镜21前侧。
所述被测稳像系统2通过支撑框架9安装于振动台1其台面上。
所述振动台1包括六度空间振动台台体11，及与六度空间振动台台体11电连接的六度空间振动台控制器12和振动信号处理系统；所述振动信号处理系统包括三向加速度传感器13、振动信号调理器14和振动处理计算机15；所述三向加速度传感器13安装于六度空间振动台台体11上；所述振动处理计算机15经振动信号调理器14与三向加速度传感器13电连接。
本发明的振动对光电设备成像质量影响试验分析系统，被测稳像系统在振动过程中瞄准线会产生抖动，不同频率下的抖动量可能不同；通过调节振动台的输入，模拟不同的振动工况，通过自准直平行光管3的平行光管物镜31、刻度分划32和平行光管目镜33及ccd成像组件将视频传输至计算机，然后利用图像处理程序对视频图像进行分析处理得出视轴的稳定精度。
本发明的振动对光电设备成像质量影响试验分析系统的操作步骤如下：
第一步，将被测稳像系统整机安装在振动台上，并做好固定处理，以免振动过程中发生松动；将自准直平行光管固定在三角架上，按照被测稳像系统的入射光轴方向调节三角架的高度和自准直平行光管的俯仰、方位，使自准直平行光管的光轴和被测稳像系统的光轴一致，并保持光轴不变；
第二步，打开仪器光源对准被测稳像系统的目镜，照亮稳像系统中的内置分划板，被照亮的系统内置分划通过自准直平行光管成像在刻度分划上；通过计算机实时显示的图像进行精调对准，调节平行光管的俯仰和方位从而使稳像系统的亮分划尽可能地成像在图像的中央位置；
第三步，安装并调试好试验系统后，启动被测稳像系统并进入稳像模式，然后开启振动台，按设定的功率谱模拟车辆振动特性，被测稳像系统在振动台的激励下达到稳定，但由被测稳像系统出射的平行光发射光路的方向仍然会在振动的扰动下发生角度变化，变化后的光束经自准直平行光管聚焦在ccd焦平面上；ccd成像组件将采集到的视频图像传输至计算机显示并存储，然后利用图像处理程序对视频图像进行处理和识别，获得系统的稳定精度从而评价不同的振动对稳像系统成像性能的影响；如图3所示为稳像瞄准镜10hz~50hz频段0.2mm振幅下的振动视频图像；如图4所示为稳像瞄准镜50hz~100hz频段2g振幅下的振动视频图像。
图像的分析处理，如图5所示，对采集到的振动激励下的视频图像进行一系列分析处理，即可求得图像序列中分划的偏移量平均值；
具体操作步骤如下：
第一步，像素对应角度标定，
稳定精度检测试验中，稳定误差的存在会导致系统瞄准线的抖动（或图像模糊）；稳定误差越大表明系统的稳定精度越低；光电稳像系统的稳定精度通常以角量进行描述，ccd采集的是分划图像的线量，这就要求事先对ccd单位像素的线量进行角度量的标定，从而可以根据计算得到的线量直接换算出实际对应的角量值；图像标定是确定通过ccd拍摄的每一帧图像中每个像素对应的角度，分为方位向、高低向两个值；计算公式为：角当量=视场角/像素数；
该检测试验系统的视场角约为1°，ccd成像组件的靶面分辨率为640×480，则方位向上每个像素角当量理论值折合1°/640=0.09′=5.4″，高低向的理论值为1°/480=0.125′=7.5″；
第二步，图像处理，
利用图像处理技术对试验采集的视频图像进行处理，计算出图像中亮分划的中心坐标以及分划抖动过程中距图像中心点在x、y方向上的坐标值，从而间接求出分划的抖动偏移量；整个图像处理过程共分三步：图像预处理；图像分割；分划的识别与跟踪；
1）图像预处理：通过ccd成像组件采集到的视频图像，受设备本身性能及环境的影响，必然会存在一定的噪声；为了消除噪声的影响，这里采用二维中值滤波的方法来对图像文件进行预处理；通过对图像进行的滤波处理，能够有效地消除图像中的随机噪声；
2）图像分割：图像分割是指按照图像本身的某些特性（如灰度、频谱、纹理等）将图像空间划分成不同的区域，区域内部具有相同的特性，而区域间则因特性的不同而存在边界；
3）分划的识别与跟踪：通过第二步的分割处理，可以有效地将亮分划从图像中提取出来；通过利用matlab中的边缘提取算法及hough变换法对图像中的亮分划进行识别提取，再经过跟踪计算得出分划十字中心的坐标位置，并确定其偏离图像中心位置的x、y向偏移量（像素）。
本发明的振动对光电设备成像质量影响试验分析系统的试验过程如下：
第一步，按照试验系统光路，调节环境光照条件、镜头光圈、相机的曝光时间及帧频等，直至采集到均匀、适中的目标十字靶像；如图6所示为静止状态下的十字靶像；
第二步，设定不同的振动加速度和振动频率产生不同类型的振动传递到成像系统；
第三步，振动试验图像质量评价，静态清晰图像作为理想图像，通过提取峰值特征点对应振动图像与理想图像对比，分别利用gmg和ssim图像质量评价法对振动图像进行质量评价；如图7所示为振动频率为10hz下不同加速度的振动峰值时的十字靶像；如图8所示为振动频率为20hz下不同加速度的振动峰值和振动中值时的十字靶像；如图9所示为振动频率为30hz下不同加速度的振动峰值时的十字靶像；如图10和图11所示分别振动频率为10hz、20hz和30hz下不同加速度的振动图像的gmg值示意图及ssim值示意图，如图12所示为振动频率为10hz、20hz和30hz下不同加速度的的图像评价结果，试验表明：随着振动加速度的增大，gmg和ssim的数值越来越小，即图像质量越来越差，振动中值对应时刻图像产生的像移最大，对图像质量的影响最严重；如图13所示为振动测试试验结果，试验结果表明：对于光电成像系统不同振动工况下的图像，振幅一定，高频振动对图像质量的影响大于低频振动；频率一定，振幅越大，所成图像质量越差。
上述实施例，仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。