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
【专利摘要】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。
【专利说明】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【技术领域】
[0001] 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】
[0002]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】
[0003]本发明解决的技术问题是:针对国内现有星载TDIC⑶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。
[0004]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 CXD相机，成像在TDI CXD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；
[0005]所述的靶标上包括第一星点至第η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η等于待测积分级数个数；第一星点至第η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O级积分级数线之间；
[0006]所述的第一星点至第η星点为正方形，边长为标准长度L的0.9倍；所述L= (fcol/fjd，其中fcol为平行光管的焦距，fcam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 ；
[0007]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；在所述祀标上沿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^--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-kl).L)点，其中kl为第I个待测的积分级数，第η星点位于坐标系上的((220+40.(η-1)).L, (K_kn).L)点，其中kn为第η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.(η-1)).L，K.L)点，第十定标点位于坐标系上的((360+40.(η-l)).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.(η-1)).L，L)点，第四定标点位于坐标系上的((420+40.(η-1)).L，0.5.L)点，第二定标点位于坐标系上的((440+40.(η-1)).L，0))。
[0008]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。
[0009]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:
[0010]I)将TDI C⑶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O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CXD像元严格对准，并固定靶标的位置；
[0011]2)设置TDI CXD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；
[0012]3)选取第X帧靶标图像上，当前积分级数对应的星点i，X e P ;沿线阵方向对该星点i进帧逐点米样，米样序列长度为2N+1,则该星点米样灰度序列为Xi, Χ?-Ν+1, Χ?-Ν+2,…，X” Xi+l，Xi+2，…，Xi+N-1，Xi+N, N ^ 10 ;ξ!ξ|7Κ样灰度值 X1-1 — Xi+l，X1-2 — Xi+2，-^1-3 — Xi+3…X1-N —Xi+N时，进入步骤4);否则返回步骤3)对下一帧图像进帧处理；
[0013]4)根据TDI C⑶相机的满阱电子数M以及图像量化位数bs，利用如下公式:
[0014]? = 2&/_ i X M
[0015]将灰度序列转换为电子数序列X X ^ W，…，XX +1，X …，气.+ p，Xi + A,;其中 X 为灰度值，X6 为电子数；
i+iV
[0016]5)利用公式A - Σ 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|r，对归一化后的电子数序列进帧一维高斯分布Ν(μ，σ )拟合，得到第X帧图像高斯
S分布点扩散函数方差σ ;
[0017]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σρ，对σρ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Ν( μ h，(^)，则叭0，Uh)即为该积分级数下的点扩散函数。
[0018]本发明与现有技术相比的优点在于:
[0019](I)本发明克服星载TDI CXD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 ；
[0020](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；[0021](3)本发明考虑TDI CXD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；
[0022](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。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为本发明PSF测试靶标设计图；
[0024]图2为本发明PSF实验装置示意图；
[0025]图3为本发明数据处理流程图。
【具体实施方式】
[0026]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、TDICXD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TDICXD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 CXD相机25，成像在TDICXD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；
[0027]如图1所示，靶标23上包括第一星点I至第η星点5 (星点的个数η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I至第η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O级积分级数20之间。
[0028]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。
[0029]TDI CXD相机25是面阵器件，行数为最高积分级数，列数为CXD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，O级积分级数基准线20为TDI CCD相机25的O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。[0030]定义标准长度L，L = (fcol/fcJ d，fcol为平行光管24的焦距，fcam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。
[0031]第一星点I至第η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。
[0032] 祀标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^ 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).?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I位于坐标系上的(220.L, (K-kl).L)点(kl为第I个待测的积分级数)，第η星点5位于坐标系上的((220+40.(η-1)).L, (K_kn).L)点(kn为第η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.(η-1)).L，第八定标点15位于坐标系上的((340+40.(η-l)).L, K.L)点，第十定标点17位于坐标系上的((360+40.(η-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, O))。
[0033]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:
[0034]一、测量步骤:
[0035](I)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；
[0036](2)将TDI CXD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
ρμ?ι
瞳；
[0037](3)连接好TDI CXD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；
[0038](4)打开光源系统22 ；
[0039](5)将TDI CXD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I星点至第η星点全部正好落入O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；
[0040](6)设置TDI CXD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；
[0041](7)调整相机焦面至最佳焦面位置；[0042](8)重复测试并存储图像，图像采集帧数大于10000 ；
[0043]二、对靶标23的图像进帧逐帧处理步骤:
[0044]I)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 Xi, X1-N+1，X1-N+2，…，-^i) Xi+l，Xi+2，…，Xi+N-1，Xi+N, N ^ 10 ; ξ!ξ|7Κ样灰度值 X1-1 — Xi+l，X1-2 —xi+2, X1-S = XiV X1-N = xi+N时，进入步骤2);否则返回步骤I)对下一帧进帧处理；
[0045]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:
[0046]
【权利要求】
1.一种星载推扫式相机点扩散函数的实验室测量装置，其特征在于:包括光源系统(22)、靶标(23)、平行光管(24),TDICCD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 C⑶相机(25)，成像在TDICCD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； 所述的靶标(23)上包括第一星点(I)至第η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);其中星点的个数η等于待测积分级数个数；第一星点(I)至第η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)均在最高积分级数线(21)与O级积分级数线(20)之间； 所述的第一星 点(I)至第η星点(5)为正方形，边长为标准长度L的0.9倍；所述L =(fCQl/feam)d，其中fcol为平行光管(24)的焦距，fcam为TDI CCD相机(25)的焦距，d为TDICCD相机(25)中探测器单元间距；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K倍，其中K为最高积分级数；第一定标点(8)至第十二定标点(19)为正方形,边长均为L; 在所述靶标(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TDI C⑶相机(25)的推扫方向；在所述靶标(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，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⑴位于坐标系上的(220.L, (K-kl).L)点，其中kl为第I个待测的积分级数，第η星点(5)位于坐标系上的((220+40.(n_l)) -L, (K_kn).L)点，其中kn为第η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.(η-1)).L，第八定标点(15)位于坐标系上的((340+40.(η-1)).L，K.L)点，第十定标点(17)位于坐标系上的((360+40.(η-1)).L, (Κ-0.5).L)点，第十二定标点(19)位于坐标系上的((380+40.(η-1)).L, (K-1).L)点，第六定标点(13)位于坐标系上的((400+40.(η-1)).L, L)点，第四定标点(11)位于坐标系上的((420+40.(η-l)).L, 0.5.L)点，第二定标点(9)位于坐标系上的((440+40.(η-1)).L, O))。
2.根据权利要求1所述的一种星载推扫式相机点扩散函数的实验室测量装置，其特征在于:所述的靶标(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。
3.一种利用权利要求1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，其特征在于步骤如下: I)将TDI CCD相机(25)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(23)，直至第七定标点(14)与第八定标点(15)同时位于O级积分基准线(20)上，第一定标点(8)与第二定标点(9)同时位于最高积分基准线(21)上；在X轴方向上移动靶标(23)，图像采集系统(26)采集靶标(23)的图像，直至第一定标点(4)至第十二定标点(19)均与CCD像元严格对准，并固定靶标(23)的位置； 2)设置TDICCD相机(25)的积分级数，利用图像采集系统(26)采集得到P帧当前积分级数下的靶标(23)的图像，其中P为大于1000的正整数； 3)选取第X帧靶标(23)图像上，当前积分级数对应的星点i，Xe P ;沿线阵方向对该星点i进帧逐点米样，米样序列长度为2N+1,则该星点米样灰度序列为Xi, Χ?-Ν+1, Χ?-Ν+2,…，X” Xi+l，Xi+2，…，Xi+N-1，Xi+N, N ^ 10 ;ξ!ξ|7Κ样灰度值 X1-1 — ^i+l) X1-2 — -^i+2) -^1-3 — Xi+3…X1-N —Xi+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TDIC⑶相机(25)的满阱电子数M以及图像量化位数bs，利用如下公式:
【文档编号】G01M11/02GK103957404SQ201410163217
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月22日 优先权日:2014年4月22日
【发明者】高慧婷, 刘薇, 何红艳, 鲍云飞, 王治强, 邢坤, 齐文雯, 李方琦, 岳春宇, 周楠 申请人:北京空间机电研究所