一种TDI红外探测器扫描成像系统扫描速率评估方法

摘要

一种TDI红外探测器扫描成像系统扫描速率评估方法，基于成像系统输出的靶标图像中探测器奇、偶元图像位置偏差，定量分析扫描速率与系统其它相关参数的匹配情况，进而调整扫描控制参数，满足成像系统要求。此外，为了对整个扫描视场的扫描速率进行评估，提出采用调整机构使成像系统可以绕扫描镜转轴旋转的方法，实现了全视场扫描速率的检测和评估。本发明具有评估方法简单、灵活和测试精度高等优点，可用于TDI红外探测器扫描成像系统中扫描速率的评估。

说明书

技术领域

本发明属于航天光学遥感技术领域，涉及一种适用于TDI红外探测器扫描 成像系统扫描速率评估方法。

背景技术

在空间光学遥感器中，扫描成像系统具有观测视场大、光谱覆盖范围宽等 优点，但是扫描机构复杂，扫描速率不准确或变化会导致图像畸变、影响像质。 在TDI红外探测器扫描成像系统中，扫描速率与系统焦距、积分时间参数的匹 配尤为突出。

在以往的扫描成像系统中，一般根据扫描机构单独测试数据评估扫描速率， 而不在成像系统上进行评估。扫描机构按照扫描成像系统设计参数进行扫描速 率设计，采用线性度测试仪进行扫描速率及其线性度测试。目前的扫描线性度 测试仪常用光电测角法测试扫描速率及其线性度，即采用以CCD探测器为基 础的图像测量方法。平行光管的焦面上放置一狭缝靶标，由积分球照明，经平 行光管准直后形成平行光。扫描机构置于平行光路中，扫描镜与平行光成45° 夹角，扫描镜将平行光折转90°进入CCD相机。当扫描镜摆动α时，扫描镜的 出射光方向改变2α，根据CCD相机上亮斑的位置，即可进行角度测量。该方 法仅适用于扫描机构的扫描速率及其线性度评估。

成像系统装调完成后，其焦距和探测器积分时间参数可能与设计值存在偏 差。为了使扫描速率与成像系统焦距、积分时间参数匹配，需要一种在扫描成 像系统上评估扫描速率的方法。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提出一种TDI红外探测 器扫描成像系统扫描速率评估方法，能够对扫描成像系统全视场的扫描速率进 行评估，并以此调整扫描控制参数，解决扫描速率与系统焦距、积分时间参数 的不匹配问题，提高成像质量。

本发明技术解决方案：一种TDI红外探测器扫描成像系统扫描速率评估 方法，实现步骤如下：

（1）采用两点法对扫描成像系统输出的四杆靶标图像进行非均匀校正，在 每杆靶标图像中对第n元红外探测器的靶标图像边缘，即从暗条纹到亮条纹部 分和从亮条纹到暗条纹部分均选取暗条纹5～12列、亮条纹5～12列的图像，对 选取的数据通过三次样条函数对数据进行10倍插值；对第n＋1元红外探测器 的靶标图像边缘，即从暗条纹到亮条纹部分和从亮条纹到暗条纹部分均选取暗 条纹5～12列、亮条纹5～12列的图像，对选取的数据通过三次样条函数对数据 进行10倍插值；

（2）对步骤（1）中校正后的的四杆靶标图像，计算每杆亮条纹图像数据 的均值，计算每杆暗条纹图像数据的均值；将每杆暗条纹和亮条纹图像的均值 求差值，取差值的1/2并与暗条纹均值求和得到每杆靶标图像半功率点图像DN 值；

（3）对步骤（1）中每杆靶标图像插值后的数据通过查找法，查找第n元 和第n+1元红外探测器在步骤（2）中半功率点图像DN值处对应的列数K_n和 K_n+1；计算K_n+1与K_n绝对值差ΔK；

（4）通过步骤（3）中的ΔK计算扫描速率偏差，计算公式如下：

$\mathrm{\Delta V}=\frac{\mathrm{\Delta K}}{d}\times V---\left(1\right)$

式（1）中：△V：扫描速率偏差；

V：标称扫描速率；

△K：探测器奇偶元图像位置偏差；

d:探测器奇元与偶元间距与成像系统采样间距的比值；

根据式（1）计算出扫描成像系统的扫描速率相对偏差，计算公式如下：

$\frac{\mathrm{\Delta V}}{V}=\frac{\mathrm{\Delta K}}{a}---\left(2\right)$

当△K为0时，即△V为0，此时扫描速率与系统焦距、积分时间参数完 全匹配；当△K为非0时，△V亦为非0，即扫描速率与系统焦距、积分时间 参数不完全匹配;

（5）利用四杆靶标每次只能测试扫描视场的一部分，为了对整个扫描视场 的扫描速率进行评估，利用调整机构使成像系统绕扫描镜转轴旋转，使不同的 扫描视场能够对准平行光管的中心视场。

所述步骤（5）中的调整机构为一个旋转平台，旋转平台上安装扫描成像 系统，旋转平台的转轴与扫描镜转轴共轴，利用手动摇把实现旋转平台绕转轴 旋转。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）针对TDI红外探测器扫描成像的特点，提出一种基于扫描成像系统 对扫描速率进行检测。根据检测结果，调整扫描控制参数，提高扫描成像系统 成像质量。

（2）基于扫描成像系统的扫描速率评估方法，定量分析奇、偶元位置偏差， 测试精度优于0.1个像元，可实现在成像系统上对扫描速率进行高精度评估。

（3）通过调整机构可实现对不同视场的扫描速率进行全面评估。该方法 克服了以往实验室成像时只能对局部视场扫描速率进行检查的局限性，可解决 全视场扫描速率与系统焦距、积分时间参数匹配性的评估问题；

（4）本方法具有高精度、简单、灵活的优点，可用于解决TDI红外探测 器扫描成像系统中扫描速率的评估。

附图说明

图1为本发明实现流程图；

图2为扫描控制参数优化前靶标图；

图3为扫描控制参数优化前半功率点处奇偶元位置偏差图；

图4为扫描控制参数优化后靶标图；

图5为扫描控制参数优化后半功率点处奇偶元位置偏差图。

具体实施方式

本发明是一种TDI红外探测器扫描成像系统扫描速率评估方法。成像系统 完成装调后，实际系统参数与设计值有偏差，导致扫描速率与系统焦距、积分 时间参数不匹配，影响成像质量。为此需要在成像系统上进行扫描速率测试。 测试原理是，利用探测器奇、偶元间固有的位置偏差进行扫描速率测量，从而 评估扫描速率及其线性度是否满足成像要求。利用图像采集系统和调整机构采 集成像系统在各视场处输出的四杆靶标图像，利用专用处理软件对全视场的靶 标图像进行非均匀校正，并定量分析各杆靶标图像边缘处奇、偶元图像的位置 偏差，根据位置偏差计算扫描速率及其非线性度，进而调整扫描控制参数，消 除奇、偶元图像的位置偏差。

某型号TDI红外探测器奇元与偶元固有间距为481.4um，成像系统采样间 距为16.6um，因此探测器奇偶元间距与成像系统采样间距的比值d为29。

如图1所示，本发明具体实施步骤如下：

（1）采用两点法对扫描成像系统输出的四杆靶标图像进行非均匀校正。如 图1所示，图2为扫描速率与系统其它参数不完全匹配时，即扫描控制参数优 化前靶标图像，该靶标图像为非均匀校正后的图像。对该图像在每杆靶标图像 中对第n元红外探测器的靶标图像边缘，即从暗条纹到亮条纹部分和从亮条纹 到暗条纹部分均选取暗条纹12列、亮条纹12列的图像，对选取的数据通过三 次样条函数对数据进行10倍插值；对第n＋1元红外探测器的靶标图像边缘， 即从暗条纹到亮条纹部分和从亮条纹到暗条纹部分均选取暗条纹12列、亮条 纹12列的图像，对选取的数据通过三次样条函数对数据进行10倍插值；如图 3所示，图中4个图分别为每杆靶标图像边缘第n元和第n+1元红外探测器10 倍插值后的列数与图像灰度值的关系图。图中A、B曲线分别为第n元和第n+1 元红外探测器靶标图像边缘，从图中可以看出红外探测器奇偶元图像位置有较 大的偏差。

（2）对步骤（1）中校正后的的四杆靶标图像，计算每杆亮条纹图像数据 的均值；计算每杆暗条纹图像数据的均值；将每杆暗条纹和亮条纹图像的均值 求差值，取差值的1/2并与暗条纹均值求和得到每杆靶标图像半功率点图像DN 值；

（3）对步骤（1）中每杆靶标图像插值后的数据通过查找法，查找第n元 和第n+1元红外探测器在步骤（2）中半功率点图像DN值处对应的列数K_n和 K_n+1；计算K_n+1与K_n绝对值差ΔK；半功率点奇偶元位置偏差最大值为0.7个 像元。

（4）通过步骤（3）中的ΔK计算扫描速率偏差，计算公式如下：

$\mathrm{\Delta V}=\frac{\mathrm{\Delta K}}{d}\times V---\left(1\right)$

式（1）中：△V：扫描速率偏差；

V：标称扫描速率；

△K：探测器奇偶元图像位置偏差；

d:探测器奇元与偶元间距与成像系统采样间距的 比值，取值为29。

根据式（1）可计算出扫描成像系统的扫描速率相对偏差，计算公式如下：

$\frac{\mathrm{\Delta V}}{V}=\frac{\mathrm{\Delta K}}{a}---\left(2\right)$

（5）利用四杆靶标每次只能测试扫描视场的一部分，利用调整机构使成像 系统绕扫描镜转轴旋转，使不同的扫描视场能够对准平行光管的中心视场，从 而进行全视场扫描速率评估。该调整机构为一个旋转平台，旋转平台上安装扫 描成像系统，旋转平台的转轴与扫描镜转轴共轴，利用手动摇把实现旋转平台 绕转轴旋转。

（6）计算全视场奇、偶元位置偏差，利用公式2可得到基于扫描成像系 统的扫描速率相对偏差。当半功率点奇偶元位置偏差最大值为0.7个像元时。 扫描速率与标称扫描速率得相对偏差为2.4％。根据测试结果调整优化扫描控 制参数，减小奇、偶元位置偏差。如图4所示，图4为优化扫描控制参数后得 靶标图像，该靶标图像为非均匀校正后的图像。按照步骤（1）对每杆靶标图像 边缘进行10倍插值，如图5所示，图中4个图分别为每杆靶标图像边缘第n 元和第n+1元红外探测器10倍插值后的列数与图像灰度值的关系图。图中A、 B曲线分别为第n元和第n+1元红外探测器靶标图像边缘，从图中可以看出红 外探测器奇偶元图像位置有较小的偏差，图中2条曲线基本重合。按照步骤 （2）～步骤（4）进行奇偶元图像半功率点位置偏差计算分析，半功率点奇偶 元位置偏差最大值为0.1个像元，扫描速率与标称扫描速率得相对偏差为0.3 ％。根据分析结果可以看出，扫描控制参数优化后扫描速率与成像系统的焦距、 积分时间参数匹配良好，提高了成像质量。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。