一种星载面阵CCD相机点扩散函数测量装置及方法

摘要

一种星载面阵CCD相机点扩散函数测量装置及方法，装置包括光源系统、靶标、平行光管、面阵CCD相机和图像采集系统；靶标放置在平行光管的焦面上，平行光管与面阵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，经过平行光管和面阵相机，成像在面阵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行采集和处理。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，填补了星载面阵CCD相机的PSF测试方法空白。

说明书

技术领域

本发明涉及点扩散函数的测量装置及方法，特别是一种星载面阵CCD相机点扩散函数的测量装置及方法，适用于面阵凝视型CCD相机或CMOS相机的点扩散函数测试，属于航天光学遥感技术领域。 

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因素的影响，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，发射之前都进行实验室的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》一文中给出两种测试方法，一种是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，另一种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，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，适用于面阵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：针对国内现有星载面阵CCD相机地面只测MTF的现状，提出一种星载面阵CCD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，保证面阵CCD相机PSF的测试准确性，最大程度上满足了面阵CCD相机PSF测试的需求。 

本发明的技术方案是： 

一种星载面阵CCD相机点扩散函数的测量装置，其特征在于：包括光源系统、靶标、平行光管、面阵CCD相机和图像采集系统； 

靶标放置在平行光管的焦面上，平行光管与面阵CCD相机的光轴共轴放置； 

光源系统产生均匀光后照射在靶标上，然后经过平行光管和面阵CCD相机，成像在面阵CCD相机的焦面上，形成靶标的图像，图像采集系统对面阵CCD相机的成像结果进行采集和处理； 

靶标包括一百个星点、第一定标线和第二定标线，所述一百个星点分别为第一星点至第一百星点； 

第一星点至第一百星点形状和尺寸均相同，且均为正方形透光孔，正方形透光孔的边长为标准长度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为面阵CCD相机的焦距，d为面阵CCD相机中探测器单元间距；第一定标线和第二定标线均为长方形透光孔，长方形透光孔的宽度为标准长度L的0.9倍，长度大于标准长度L的5倍； 

第一星点至第一百星点、第一定标线和第二定标线在靶标平面直角坐标系 XOY中的坐标分别为： 

第一定标线长方形结构左上角的顶点坐标为(-20·L，80·L)；第二定标线长方形结构左上角的顶点坐标为(80·L，200·L)；第一星点的坐标为(0，0)；第i星点的坐标为(a·19.9·L，b·19.9·L)，其中a为i除以10的余数部分减1，b为i除以10的整数部分，1<i<100；第一百星点的坐标为(179.1·L，179.1·L)点；所述星点坐标为星点正方形结构左上角的坐标； 

所述靶标平面直角坐标系XOY的坐标原点O为第一星点正方形结构位于左上角的顶点，X轴的正方向为第一星点指向第二星点，Y轴的正方向为第一星点指向第十一星点； 

所述的靶标大小长度和宽度均大于300·L。 

所述的靶标中的第一星点至第一百星点、第一定标线和第二定标线透光，其余部分不透光，透光部分与不透光部分对比度不低于100:1。 

一种利用权利要求1所述测量装置的面阵CCD相机点扩散函数的测量方法，步骤如下： 

(1)图像采集系统采集靶标图像的同时不断调整靶标的位置，直至靶标的第一定标线位于图像矩阵同一列上，同时第二定标线位于图像矩阵同一行上，固定此时靶标的位置； 

(2)设置面阵CCD相机的曝光时间，使得第一星点至第一百星点在图像中灰度值的范围为：[0.5K，0.6K]；利用图像采集系统采集得到P帧当前曝光时间下的靶标的图像，所述K为饱和灰度值，P为大于100的正整数； 

(3)逐点对第X帧靶标图像上的星点i的相邻像素点进行采样，具体为： 

令该星点i在图像矩阵中的坐标为(x，y)，则对其相邻像素点(x+n，y)和(x，y+n)进行采样，所述n为整数，且-N≤n≤N；所述i为正整数，且 1<＝i<＝100；所述N为正整数，且N≥10； 

采样得到的序列长度为2N+1,其中，与星点i的y坐标相同的采样点灰度值序列为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，与星点i的x坐标相同的采样点灰度值序列为y_i-N,y_i-N+1,y_i-N+2,…,y_i,y_i+1,y_i+2,…,y_i+N-1,y_i+N；若关于星点i点对称的采样点的灰度值相同，即x_i-1＝x_i+1,x_i-2＝x_i+2,x_i-3＝x_i+3…,x_i-N＝x_i+N，且y_i-1＝y_i+1,y_i-2＝y_i+2,y_i-3＝y_i+3…,y_i-N＝y_i+N，则选取该点序列为目标点序列，进入步骤(4)；否则返回步骤(3)对下一帧图像进行处理； 

(4)根据面阵CCD相机的满阱电子数M以及图像量化位数bs将步骤(3)中得到的目标点序列转换为电子数序列，所述电子书序列为 所述转换过程具体由公式： 

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

给出，其中x为采样点的灰度值，x^e为电子数； 

(5)对步骤(4)中得到的电子数序列进行归一化处理，得到归一化电子数序列后利用高斯函数N(μ₁,μ₂,σ₁,σ₂)进行拟合，得到第X帧图像高斯分布点扩散函数方差σ₁和σ₂； 

所述归一化电子数序列由公式： 

$x^{\prime }=\frac{x^e}{E_s}$

给出，式中x′为归一化的电子数序列，

(6)对当前曝光时间下P帧图像中的每一帧图像按照步骤(4)～步骤(5)的方法进行处理，得到每一帧图像的高斯分布点扩散函数方差，最终得到高斯分布点扩散函数方差序列σ_p1和σ_p2，对σ_p1和σ_p2作直方图分布统计，得到直方 图序列，并将该直方图序列拟合得到高斯分布函数N(μ_h1,μ_h2,σ_h1,σ_h2)，N(0,0,σ_h1,σ_h2)即为面阵CCD相机的点扩散函数； 

(7)利用步骤(6)中得到的面阵CCD相机的点扩散函数对面阵CCD相机的成像数据进行图像复原，提高遥感图像质量。 

本发明与现有技术相比的优点在于： 

(1)本发明克服了星载面阵CCD相机地面只测MTF的缺陷，开展PSF地面测试，对PSF做傅立叶变换可以同时获得MTF，测试PSF可以直接描述相机的成像性能，同时对后期图像复原等处理也起到至关重要的作用； 

(2)本发明通过靶标中的定标线位置和形状的设计，使得靶标的第一定标线位于图像矩阵同一列上，同时第二定标线位于图像矩阵同一行上，保证了靶标平面与面阵CCD探测器平行，从而保证了测量精度； 

(3)本发明通过星点位置和形状的设计，使得靶标中至少有一个星点完全落在一个CCD像元内，从而找到用于计算PSF函数的目标点序列，增加了测试装置和方法的准确性； 

(4)本发明在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，降低了噪声影响，减小了测量误差； 

(5)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为本发明测试方法流程图； 

图4为本发明数据处理流程图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细地阐述。 

本发明涉及的实验装置如图2所示，包括：光源系统103、靶标104、平行光管105、面阵CCD相机106和图像采集系统107。 

靶标104放置在平行光管105的焦面上，平行光管105与面阵CCD相机106的光轴共轴放置，靶标104被光源系统103产生的均匀光照亮，经过平行光管105和面阵CCD相机106，成像在面阵CCD相机106的焦面上，形成靶标104的图像，图像采集系统107对成像结果进行采集和处理。 

如图1所示为本发明PSF实验装置示意图，由图1可知，靶标104上包括第一星点1至第一百星点100、第一定标线101和第二定标线102。 

靶标104上所有星点和定标线透光，其余部分不透光，透光与不透光部分对比度不低于100:1。 

在靶标104上建立直角坐标系x-y，x轴为第一星点1的上边沿，y轴为第一星点1的左边沿，x轴的正方向为第一星点1指向第二星点2，y轴的正方向为第一星点指向第十一星点11。 

定义标准长度L，L＝(f_col/f_cam)d，其中f_col为平行光管105的焦距，f_cam为面阵CCD相机106的焦距，d为面阵CCD相机106中探测器单元间距；L表示探测器单元间距对应在靶标104位置的实际长度。 

第一星点1至第一百星点100为正方形，边长为标准长度L的0.9倍；第一定标线101和第二定标线102均为长方形，宽度为标准长度L的0.9倍，长度大于标准长度L的5倍。 

在靶标104上沿x轴定标线和星点的位置依次为：第一定标线101位于坐标系上(-20·L，80·L)点；第二定标线102位于坐标系上(80·L，200·L)点；第一星点1坐标系上(0，0)点；第二星点2坐标系上(19.9·L，0)点； 第三星点3坐标系上(39.8·L，0)点；第四星点4坐标系上(59.7·L，0)点；第五星点5坐标系上(79.6·L，0)点；第六星点6坐标系上(99.5·L，0)点；第七星点7坐标系上(119.4·L，0)点；第八星点8坐标系上(139.3·L，0)点；第九星点9坐标系上(159.2·L，0)点；第十星点10坐标系上(179.1·L，0)点；第十一星点11坐标系上(0，19.9·L)点；第十二星点12坐标系上(19.9·L，19.9·L)点；第十三星点13坐标系上(39.8·L，19.9·L)点；第十四星点14坐标系上(59.7·L，19.9·L)点；第十五星点15坐标系上(79.6·L，19.9·L)点；第十六星点16坐标系上(99.5·L，19.9·L)点；第十七星点17坐标系上(119.4·L，19.9·L)点；第十八星点18坐标系上(139.3·L，19.9·L)点；第十九星点19坐标系上(159.2·L，19.9·L)点；第二十星点20坐标系上(179.1·L，19.9·L)点；第二十一星点21坐标系上(0，39.8·L)点；第二十二星点22坐标系上(19.9·L，39.8·L)点；第二十三星点23坐标系上(39.8·L，39.8·L)点；第二十四星点24坐标系上(59.7·L，39.8·L)点；第二十五星点25坐标系上(79.6·L，39.8·L)点；第二十六星点26坐标系上(99.5·L，39.8·L)点；第二十七星点27坐标系上(119.4·L，39.8·L)点；第二十八星点28坐标系上(139.3·L，39.8·L)点；第二十九星点29坐标系上(159.2·L，39.8·L)点；第三十星点30坐标系上(179.1·L，39.8·L)点；第三十一星点31坐标系上(0，60.7·L)点；第三十二星点32坐标系上(19.9·L，59.7·L)点；第三十三星点33坐标系上(39.8·L，59.7·L)点；第三十四星点34坐标系上(59.7·L，59.7·L)点；第三十五星点35坐标系上(79.6·L，59.7·L)点；第三十六星点36坐标系上(99.5·L，59.7·L)点；第三十七星点37坐标系上(119.4·L，59.7·L)点；第三十八星点38坐标系上(139.3·L，59.7·L)点；第三十九星点39坐标系上(159.2·L， 59.7·L)点；第四十星点40坐标系上(179.1·L，59.7·L)点；第四十一星点41坐标系上(0，79.6·L)点；第四十二星点42坐标系上(19.9·L，79.6·L)点；第四十三星点43坐标系上(39.8·L，79.6·L)点；第四十四星点44坐标系上(59.7·L，79.6·L)点；第四十五星点45坐标系上(79.6·L，79.6·L)点；第四十六星点46坐标系上(99.5·L，79.6·L)点；第四十七星点47坐标系上(119.4·L，79.6·L)点；第四十八星点48坐标系上(139.3·L，79.6·L)点；第四十九星点49坐标系上(159.2·L，79.6·L)点；第五十星点50坐标系上(179.1·L，79.6·L)点；第五十一星点51坐标系上(0，99.5·L)点；第五十二星点52坐标系上(19.9·L，99.5·L)点；第五十三星点53坐标系上(39.8·L，99.5·L)点；第五十四星点54坐标系上(59.7·L，99.5·L)点；第五十五星点55坐标系上(79.6·L，99.5·L)点；第五十六星点56坐标系上(99.5·L，99.5·L)点；第五十七星点57坐标系上(119.4·L，99.5·L)点；第五十八星点58坐标系上(139.3·L，99.5·L)点；第五十九星点59坐标系上(159.2·L，99.5·L)点；第六十星点60坐标系上(179.1·L，99.5·L)点；第六十一星点61坐标系上(0，119.4·L)点；第六十二星点62坐标系上(19.9·L，119.4·L)点；第六十三星点63坐标系上(39.8·L，119.4·L)点；第六十四星点64坐标系上(59.7·L，119.4·L)点；第六十五星点65坐标系上(79.6·L，119.4·L)点；第六十六星点66坐标系上(99.5·L，119.4·L)点；第六十七星点67坐标系上(119.4·L，119.4·L)点；第六十八星点68坐标系上(139.3·L，119.4·L)点；第六十九星点69坐标系上(159.2·L，119.4·L)点；第七十星点70坐标系上(179.1·L，119.4·L)点；第七十一星点71坐标系上(0，139.3·L)点；第七十二星点72坐标系上(19.9·L，139.3·L)点；第七十三星点73坐标系上(39.8·L，139.3·L) 点；第七十四星点74坐标系上(59.7·L，140.3·L)点；第七十五星点75坐标系上(79.6·L，139.3·L)点；第七十六星点76坐标系上(99.5·L，139.3·L)点；第七十七星点77坐标系上(119.4·L，139.3·L)点；第七十八星点78坐标系上(139.3·L，139.3·L)点；第七十九星点79坐标系上(159.2·L，139.3·L)点；第八十星点80坐标系上(179.1·L，139.3·L)点；第八十一星点81坐标系上(0，159.2·L)点；第八十二星点82坐标系上(19.9·L，159.2·L)点；第八十三星点83坐标系上(39.8·L，159.2·L)点；第八十四星点84坐标系上(59.7·L，159.2·L)点；第八十五星点85坐标系上(79.6·L，159.2·L)点；第八十六星点86坐标系上(99.5·L，159.2·L)点；第八十七星点87坐标系上(119.4·L，159.2·L)点；第八十八星点88坐标系上(139.3·L，159.2·L)点；第八十九星点89坐标系上(159.2·L，159.2·L)点；第九十星点90坐标系上(179.1·L，159.2·L)点；第九十一星点91坐标系上(0，179.1·L)点；第九十二星点92坐标系上(19.9·L，179.1·L)点；第九十三星点93坐标系上(39.8·L，179.1·L)点；第九十四星点94坐标系上(59.7·L，179.1·L)点；第九十五星点95坐标系上(79.6·L，179.1·L)点；第九十六星点96坐标系上(99.5·L，179.1·L)点；第九十七星点97坐标系上(119.4·L，179.1·L)点；第九十八星点98坐标系上(139.3·L，179.1·L)点；第九十九星点99坐标系上(159.2·L，179.1·L)点；第一百星点100坐标系上(179.1·L，179.1·L)点； 

本发明一种利用上述测量装置的面阵CCD相机点扩散函数的测量方法，分为测量步骤和对靶标图像进行逐帧处理，步骤具体如下： 

一、测量步骤： 

(1)将靶标104安装在平行光管105的焦平面上(定标线101和定标线102均垂直于平行光管的光轴，且靶标104平行于探测器平面)，调整好靶标照明系统103的位置； 

(2)将面阵CCD相机106摆放在平行光管105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105的出光口对准，平行光管105的有效口径充满相机入瞳； 

(3)连接好面阵CCD相机106与图像采集系统107之间的电缆，并通电检查，确保工作正常； 

(4)打开光源系统103； 

(5)观察图像采集系统107采集靶标104的图像，根据定标线宽度变化在x方向和y方向上移动靶标104，直至定标线101出现在图像矩阵的同一列上，同时定标线102出现在图像矩阵的同一行上，并固定靶标104的位置； 

(6)设置面阵CCD相机106的曝光时间，使得第一星点1至第一百星点100在图像中灰度值的范围为：[0.5K，0.6K]；利用图像采集系统107采集得到P帧当前曝光时间下的靶标104的图像，所述K为饱和灰度值，P为大于100的正整数； 

(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100； 

二、对靶标104的图像进行逐帧处理步骤： 

(1)逐点对第X帧靶标104图像上的星点i的相邻像素点进行采样，具体为： 

令该星点i在图像矩阵中的坐标为(x，y)，则对其相邻像素点(x+n，y)和(x，y+n)进行采样，所述n为整数，且-N≤n≤N；所述i为整数，且 1<＝i<＝100；所述N为正整数，且N≥10； 

采样得到的序列长度为2N+1,其中，与星点i的y坐标相同的采样点灰度值序列为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，与星点i的x坐标相同的采样点灰度值序列为y_i-N,y_i-N+1,y_i-N+2,…,y_i,y_i+1,y_i+2,…,y_i+N-1,y_i+N；若关于星点i点对称的采样点的灰度值相同，即x_i-1＝x_i+1,x_i-2＝x_i+2,x_i-3＝x_i+3…,x_i-N＝x_i+N，且y_i-1＝y_i+1,y_i-2＝y_i+2,y_i-3＝y_i+3…,y_i-N＝y_i+N，则选取该点序列为目标点序列，进入步骤(2)；否则返回步骤(1)对下一帧图像进行处理； 

(2)根据面阵CCD相机106的满阱电子数M以及图像量化位数bs将步骤(1)中得到的目标点序列转换为电子数序列，所述电子书序列为 所述转换过程具体由公式： 

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

给出，其中x为采样点的灰度值，x^e为电子数； 

(3)对步骤(2)中得到的电子数序列进行归一化处理，得到归一化电子数序列后利用高斯函数N(μ₁,μ₂,σ₁,σ₂)进行拟合，得到第X帧图像高斯分布点扩散函数方差σ₁和σ₂； 

所述归一化电子数序列由公式： 

$x^{\prime }=\frac{x^e}{E_s}$

给出，式中x′为归一化的电子数序列，

(4)对前曝光时间下P帧图像中的每一帧图像按照步骤(2)～步骤(3)的方法进行处理，得到每一帧图像的高斯分布点扩散函数方差，最终得到高斯分布点扩散函数方差序列σ_p1和σ_p2，对σ_p1和σ_p2作直方图分布统计，得到直方 图序列，并将该直方图序列拟合得到高斯分布函数N(μ_h1,μ_h2,σ_h1,σ_h2)，N(0,0,σ_h1,σ_h2)即为面阵CCD相机106的点扩散函数； 

(5)利用步骤(4)中得到的面阵CCD相机106的点扩散函数对面阵CCD相机106的成像数据进行图像复原。 

我国某型号遥感卫星的面阵CCD相机首次采用了本发明设计的面阵CCD相机点扩散函数测量装置及方法进行了测试获得了该相机的点扩散函数，并进行二维傅里叶变换获得相机的调制传递函数，同时使用除靶标以外同样的测量装置直接进行了该相机的调制传递函数的测试，与本发明设计的方法测试得到的调制传递函数结果进行了对比，误差在5％以内；使用地面测试得到的点扩散函数对地面图像进行复原处理，图像的清晰度、MTF都有较大幅度提升，处理前后参数对比见表1，表1为使用本发明测试得到的点扩散函数进行图像复原的参数对比。 

表1 

参数 相对值 灰度共生矩阵角二阶矩 降低50％ 灰度共生矩阵熵 增加30％ MTF 提高50％

本发明设计了新的靶标和靶标图像数据处理方法，实现了面阵CCD相机PSF函数的测试，可以直观地描述相机性能，可应用于星载和机载可见光/多光谱面阵凝视型CCD相机或CMOS相机的点扩散函数测试。 

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。