一种星载推扫式相机点扩散函数的实验室测量装置及方法

摘要

本发明公开了一种星载推扫式相机点扩散函数的实验室测量装置及方法，装置包括光源系统、靶标、平行光管、TDI CCD相机、图像采集系统；靶标放置在平行光管的焦面上，平行光管与TDI CCD相机的光轴共轴放置，靶标被光源系统产生的均匀光照亮，经过平行光管和TDI CCD相机，成像在TDI CCD相机的焦面上，形成靶标的图像，图像采集系统对成像结果进帧采集和处理。本发明在靶标设计、实验方法和数据处理中考虑了相位对准，能够保证PSF测量精度，可用于多档积分级数下PSF的测量，填补星载TDI CCD相机的PSF测试方法空白。

说明书

技术领域

本发明属于航天光学遥感技术领域，涉及一种星载推扫式相机点扩散函数 的实验室测量装置及方法，特别涉及靶标设计、实验方法和实验数据处理方法。

背景技术

光学系统在理想状态下，物空间一点发出的光能量在像空间也集中在一点 上，但是实际的光学系统成像时，由于衍射和像差以及其它工艺的影响，物空 间一点发出的光在像空间是分布在一定的区域内，其分布曲线称为点扩散函数 PSF。调制传递函数MTF是客观评价光学系统成像质量的重要指标，目前国内 为了定量化评价相机成像质量，发射之前都进帧实验室的MTF测试，但MTF只 是PSF在频域的幅值信息，不包含相位信息。目前常用的MTF测试方法包括以 下三种，第一种是对比度矩形靶标法，可以用于面阵或推扫相机MTF测试，黄 巧林等人2006年在《航天返回与遥感》上发表的《航天光学遥感器MTF测试技 术研究》一文中给出了高对比度矩形靶标测试方法，该方法受采样相位的影响， 测试误差较大，该文中的低频靶标法对相位不敏感，但易受噪声影响；第二种 是斜刃边靶标法，只适用于面阵CCD的MTF地面测试，张孝弘等人2006年在中 国空间科学学会空间探测专业委员会第十九次学术会议上发表的《面阵CCD相 机的MTF测试技术》一文介绍了实验方法和数据处理算法，该处理方法增加了 采样点，但无法准确定位初始相位；第三种是点源或狭缝测试法，目前只用于 面阵CCD的MTF测试，吴海平硕士学位论文《点源法MTF测试技术研究》中详 细介绍了点源法实验系统，实验方法是对点光源成像，该方法计算精度较高， 但对准直显微物镜的对准精度要求较高，必须保证点光源在一个像素内成像。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对国内现有星载TDICCD地面只测MTF的 现状，提出一种星载推扫式相机点扩散函数的实验室测量装置及方法，本发明 通过靶标设计和数据处理方法解决相位对准问题，可同时进帧多档积分级数下 PSF的测试。

本发明的技术方案是：一种星载推扫式相机点扩散函数的实验室测量装置， 包括光源系统、靶标、平行光管、TDI CCD相机、图像采集系统；靶标放置在 平行光管的焦面上，平行光管与TDI CCD相机的光轴共轴放置，靶标被光源系 统产生的均匀光照亮，经过平行光管和TDI CCD相机，成像在TDI CCD相机 的焦面上，形成靶标的图像，图像采集系统对成像结果进帧采集和处理；

所述的靶标上包括第一星点至第n星点、第一定标线、第二定标线、第一 定标点至第十二定标点；其中星点的个数n等于待测积分级数个数；第一星点 至第n星点、第一定标线、第二定标线、第一定标点至第十二定标点均在最高 积分级数线与0级积分级数线之间；

所述的第一星点至第n星点为正方形，边长为标准长度L的0.9倍；所述 L＝(f_col/f_cam)d，其中f_col为平行光管的焦距，f_cam为TDI CCD相机的焦距，d为 TDI CCD相机中探测器单元间距；第一定标线和第二定标线均为等腰三角形， 顶角均小于2度，且高度均大于L的最高积分级数K倍，其中K为最高积分级 数；第一定标点至第十二定标点为正方形，边长均为L；

在所述靶标上建立直角坐标系x-y，x轴为最高级积分级数基准线，x轴的 正方向为线阵方向，y轴的正方向为TDI CCD相机的推扫方向；在所述靶标上 沿x轴正方向定标点、定标线和星点位置依次为：第一定标点位于坐标系上的 (0,0)点，第三定标点位于坐标系上的(20·L,0.5·L)点，第五定标点位于坐标系 上的(40·L,L)点，第十一定标点位于坐标系上的(60·L,(K-1)·L)点，第九定 标点位于坐标系上的(80·L,(K-0.5)·L)点，第七定标点位于坐标系上的 (100·L,K·L)点，第一定标线的中垂线在x轴对应位置为160·L，第一星点 位于坐标系上的(220·L,(K-k1)·L)点，其中k1为第1个待测的积分级数，第 n星点位于坐标系上的((220+40·(n-1))·L,(K-kn)·L)点，其中kn为第n个待 测的积分级数，第二定标线的中垂线在x轴对应位置为(280+40·(n-1))·L， 第八定标点位于坐标系上的((340+40·(n-1))·L,K·L)点，第十定标点位于 坐标系上的((360+40·(n-1))·L,(K-0.5)·L)点，第十二定标点位于坐标系上 的((380+40·(n-1))·L,(K-1)·L)点，第六定标点位于坐标系上的 ((400+40·(n-1))·L,L)点，第四定标点位于坐标系上的((420+40·(n-1))·L,0.5·L) 点，第二定标点位于坐标系上的((440+40·(n-1))·L,0))。

所述的靶标上所有星点和定标线、定标点透光，其余部分不透光，透光与 不透光部分对比度不低于100:1。

一种利用所述测量装置的推扫式相机点扩散函数的实验室测量方法，步骤 如下：

1)将TDI CCD相机的积分级数设置为最高积分级数K，在y轴方向上移 动靶标，直至第七定标点与第八定标点同时位于0级积分基准线上，第一定标 点与第二定标点同时位于最高积分基准线上；在x轴方向上移动靶标，图像采 集系统采集靶标的图像，直至第一定标点至第十二定标点均与CCD像元严格 对准，并固定靶标的位置；

2)设置TDI CCD相机的积分级数，利用图像采集系统采集得到P帧当前 积分级数下的靶标的图像，其中P为大于1000的正整数；

3)选取第X帧靶标图像上，当前积分级数对应的星点i，X∈P；沿线阵 方向对该星点i进帧逐点采样，采样序列长度为2N+1,则该星点采样灰度序列 为x_i-N,x_i-N+1,x_i-N+2,…,x_i,x_i+1,x_i+2,…,x_i+N-1,x_i+N，N≥10；当采样灰度值 x_i-1＝x_i+1,x_i-2＝x_i+2,x_i-3＝x_i+3…x_i-N＝x_i+N时，进入步骤4)；否则返回步骤 3)对下一帧图像进帧处理；

4)根据TDI CCD相机的满阱电子数M以及图像量化位数bs，利用如下公 式：

$x^e=\frac{x}{2^{\mathrm{bs}}-1}\times M$

将灰度序列转换为电子数序列其中x为灰度值，x^e为电子数；

5)利用公式对电子数序列进帧归一化处理，则归一化后信号序 列表示为对归一化后的电子数序列进帧一维高斯分布N(μ,σ)拟合，得到第 X帧图像高斯分布点扩散函数方差σ；

6)返回步骤4)对当前积分级数下P帧图像均按照步骤4)至步骤6)进 帧处理，得到的高斯分布点扩散函数方差序列σ_p，对σ_p作直方图分布统计，得 到直方图序列，并将直方图序列拟合为高斯分布N(μ_h,σ_h)，则N(0,μ_h)即为该积 分级数下的点扩散函数。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明克服星载TDI CCD地面只测MTF缺陷，开展PSF地面测 试，对PSF做傅立叶变换可以同时获得MTF；

(2)本发明通过靶标设计和数据处理方法保证测量精度，靶标中包含 定标点和定标线，测试过程根据图像采集系统中定标线点位置的输出灰度值变 化判断相位情况，确保星点与CCD像元的严格对准，数据处理过程中通过对 称性判定星点的相位情况，通过统计方法对多次测量结果进行了平差处理，降 低噪声影响，减小测量误差；

(3)本发明考虑TDI CCD积分级数对PSF的影响，设计不同积分级 数对应的测试星点，测试过程根据图像采集系统中定标点位置输出灰度值确保 星点与积分级数的对应关系，能够满足多档积分级数下PSF的测试需求；

(4)本发明可以完全利用现有MTF测试系统设备，易于工程实现。

附图说明

图1为本发明PSF测试靶标设计图；

图2为本发明PSF实验装置示意图；

图3为本发明数据处理流程图。

具体实施方式

本发明涉及的实验装置如图2所示，包括光源系统22、靶标23、平行光 管24、TDI CCD相机25、图像采集系统26。靶标23放置在平行光管24的 焦面上，平行光管24与TDI CCD相机25的光轴共轴放置，靶标23被光源系 统22产生的均匀光照亮，经过平行光管24和TDI CCD相机25，成像在TDI CCD相机25的焦面上，形成靶标23的图像，图像采集系统26对成像结果进 帧采集和处理；

如图1所示，靶标23上包括第一星点1至第n星点5(星点的个数n等 于待测积分级数个数)、第一定标线6、第二定标线7、第一定标点8至第十二 定标点19；第一星点1至第n星点5、第一定标线6、第二定标线7、第一定 标点8至第十二定标点19均在最高积分级数21与0级积分级数20之间。

靶标23上所有星点和定标线、定标点透光，其余部分不透光，透光与不 透光部分对比度不低于100:1。

TDI CCD相机25是面阵器件，行数为最高积分级数，列数为CCD器件一 行的像元数。根据TDI CCD成像原理，成像过程中电子由高积分级数向低积分 级数转移并累加，积分级数表示电子转移次数，靶标23最高级积分级数基准 线21为TDI CCD相机25最高积分级数对应的线阵位置，0级积分级数基准线 20为TDI CCD相机25的0级积分级数对应的线阵位置，在靶标23上建立直 角坐标系x-y，x轴为最高级积分级数基准线21，x轴的正方向为线阵方向，y 轴的正方向为相机推扫方向。

定义标准长度L，L＝(f_col/f_cam)d，f_col为平行光管24的焦距，f_cam为TDI CCD 相机25的焦距，d为探测器单元间距，L表示探测器单元间距对应在靶标(23) 位置的实际长度。

第一星点1至第n星点5)为正方形，边长为L的0.9倍；第一定标线6 和第二定标线7均为等腰三角形，顶角均小于2度；且高度均大于L的最高积 分级数倍；第一定标点8至第十二定标点19为正方形，边长为L。

靶标23上沿x轴正方向定标点、定标线和星点位置依次为：第一定标点8 位于坐标系上的(0,0)点，第三定标点10位于坐标系上的(20·L,0.5·L)点，第 五定标点12位于坐标系上的(40·L,L)点，第十一定标点18位于坐标系上的 (60·L,(K-1)·L)点(K为最高积分级数)，第九定标点16位于坐标系上的(80·L, (K-0.5)·L)点，第七定标点14位于坐标系上的(100·L,K·L)点，第一定标线 6的中垂线在x轴对应位置为160·L，第一星点1位于坐标系上的 (220·L,(K-k1)·L)点(k1为第1个待测的积分级数)，第n星点5位于坐标系 上的((220+40·(n-1))·L,(K-kn)·L)点(kn为第n个待测的积分级数)，第二 定标线7的中垂线在x轴对应位置为(280+40·(n-1))·L，第八定标点15位于 坐标系上的((340+40·(n-1))·L,K·L)点，第十定标点17位于坐标系上的 ((360+40·(n-1))·L,(K-0.5)·L)点，第十二定标点19位于坐标系上的 ((380+40·(n-1))·L,(K-1)·L)点，第六定标点13位于坐标系上的 ((400+40·(n-1))·L,L)点，第四定标点11位于坐标系上的 ((420+40·(n-1))·L,0.5·L)点，第二定标点9位于坐标系上的 ((440+40·(n-1))·L,0))。

本发明一种利用上述测量装置的推扫式相机点扩散函数的实验室测量方 法，分为测量步骤和对靶标图像进帧逐帧处理步骤，具体如下：

一、测量步骤：

(1)将靶标23安装在平行光管24的焦平面上(定标线垂直于平行光 管的光轴和探测器线阵方向)，调整好靶标照明系统22的位置；

(2)将TDI CCD相机25摆放在平行光管24出口前，通过相机调整 装置调整好相机的位置，保证相机入光口与平行光管24的出光口对准，平行 光管24的有效口径充满相机入瞳；

(3)连接好TDI CCD相机25与图像采集系统26之间的电缆，并通 电检查，确保工作正常；

(4)打开光源系统22；

(5)将TDI CCD相机25的积分级数设置为最高积分级数，观察图像 采集系统26采集靶标23的图像，根据定标线宽度变化在y方向上移动靶标23， 直至第七定标点14与第八定标点15对应位置同时出现亮条，第一定标点8与 第二定标点9对应位置同时出现亮条，表明第1星点至第n星点全部正好落入 0级至最高级积分级数之间；在x方向上移动靶标23，直至第一定标点4至第 十二定标点19位置均对应最大灰度值输出，即向左或向右移动靶标输出灰度 值都会减小，依照靶标设计中的x方向位置关系，表明星点与CCD像元严格 对准，并固定靶标23的位置；

(6)设置TDI CCD相机25积分级数，调整光源22亮度，使待测积 分级数对应星点位置图像输出灰度值不饱和且不低于饱和值的0.6倍；

(7)调整相机焦面至最佳焦面位置；

(8)重复测试并存储图像，图像采集帧数大于10000；

二、对靶标23的图像进帧逐帧处理步骤：

1)选取第X帧靶标23图像上，当前积分级数对应的星点i，X＝1,2…P； 沿线阵方向对该星点i进帧逐像素灰度采样，采样序列长度为2N+1,则该星点 采样灰度序列为x_i-N,x_i-N+1,x_i-N+2,…,x_i,x_i+1,x_i+2,…,x_i+N-1,x_i+N，N≥10；当采样 灰度值x_i-1＝x_i+1,x_i-2＝x_i+2,x_i-3＝x_i+3…x_i-N＝x_i+N时，进入步骤2)；否则返 回步骤1)对下一帧进帧处理；

2)根据相机的满阱电子数M以及图像量化位数k，利用如下公式：

$x^e=\frac{x}{2^k-1}\times M$

将灰度序列转换为电子数序列 其中x为灰度值，x^e为电子数；

3)利用公式对电子数序列进帧归一化处理，则归一化后信号 序列表示为对归一化后的电子数序列进帧一维高斯分布N(μ,σ)拟合，得到 第X帧图像高斯分布点扩散函数方差σ；

4)返回步骤1)对当前积分级数下P帧图像均按照步骤1)至步骤3) 进帧处理，得到的高斯分布点扩散函数方差序列σ_p，对σ_p作直方图分布统计， 得到直方图序列，并将直方图序列拟合为高斯分布则 为该积分级数下的PSF曲线。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领于技术人员的公知技术。