一种星载面阵ccd相机点扩散函数测量装置及方法
【专利摘要】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。
【专利说明】-种星载面阵CCD相机点扩散函数测量装置及方法
【技术领域】
[0001] 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】
[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】
[0003] 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C⑶相机PSF测试的需求。
[0004] 本发明的技术方案是：
[0005] -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；
[0006] 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；
[0007] 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C⑶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；
[0008] 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；
[0009] 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 = (?·Μ?/〇 d，其中fMl为平行光管的焦距，feam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；
[0010] 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：
[0011] 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，l〈i〈100 ;第一百星点的坐标为（179. I *L, 179. 1吨）点；所述星点坐标为星点正方形结 构左上角的坐标；
[0012] 所述靶标平面直角坐标系XOY的坐标原点0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；
[0013] 所述的靶标大小长度和宽度均大于300 · L。
[0014] 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。
[0015] 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：
[0016] (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；
[0017] (2)设置面阵C⑶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. 5Κ，0. 6Κ];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；
[0018] (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：
[0019] 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η为整数，且-N彡η彡N ;所述i为正整数，且1〈 = i〈 = 100 ;所述N为正 整数，且N彡10 ;
[0020] 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Xi-N，Xi-N+l，Xi-N+2，…，Xi，Xi+l，Xi+2，…，Xi+N-l，Xi+N，与生点?的X坐丰不相问的木样点灰度值序 列为y^+i，yi^，…，yi，y i+i，yi+2,…，yi+N-i，yi+N ;若关于星点i点对称的采样点的灰度 值相问，即 Xi-I - Xj+I, Xj-2 - Xi+2> Xi-3 - Xi+3…，Xi-N - Xi+N，且 Yi-I - Yi+l) Yi-2 - 5^1+2) 5^1-3 - yi+3…，yg = yi+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；
[0021] (4)根据面阵C⑶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 …"匕，所述转换过程具体由公式：
[0022]
【权利要求】
1. 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（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； 光源系统（103)产生均匀光后照射在靶标（104)上，然后经过平行光管（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)对面阵CCD相机（106)的成像结果进行采集和处理； 靶标（104)包括一百个星点、第一定标线（101)和第二定标线（102)，所述一百个星点 分别为第一星点（1)至第一百星点（100); 第一星点（1)至第一百星点（100)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^/Od，其中fMl为平行光管（105)的焦 距，f。》为面阵C⑶相机（106)的焦距，d为面阵C⑶相机（106)中探测器单元间距；第一定 标线（101)和第二定标线（102)均为长方形透光孔，长方形透光孔的宽度为标准长度L的 〇. 9倍，长度大于标准长度L的5倍； 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)在靶标 (104)平面直角坐标系XOY中的坐标分别为： 第一定标线（101)长方形结构左上角的顶点坐标为（-20吨，80吨）；第二定标线（102) 长方形结构左上角的顶点坐标为（80吨，200吨）；第一星点（1)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，l〈i〈l〇〇 ;第一百星点（100)的坐标为（179. 1吨，179. 1吨）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（104)平面直角坐标系XOY的坐标原点0为第一星点（1)正方形结构位于左 上角的顶点，X轴的正方向为第一星点（1)指向第二星点（2)，Υ轴的正方向为第一星点（1) 指向第十一星点（11); 所述的靶标（104)大小长度和宽度均大于300 ·L。
2. 根据权利要求1所述的一种面阵CCD相机点扩散函数的测量装置，其特征在于：所 述的靶标（104)中的第一星点（1)至第一百星点（100)、第一定标线（101)和第二定标线 (102)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。
3. -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，其特征 在于步骤如下： (1) 图像采集系统（107)采集靶标（104)图像的同时不断调整靶标（104)的位置，直至 靶标（104)的第一定标线（101)位于图像矩阵同一列上，同时第二定标线（102)位于图像 矩阵同一行上，固定此时靶标（104)的位置； (2) 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：[〇. 5Κ，0. 6Κ];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； (3) 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η为整数，且-N彡η彡N;所述i为正整数，且1〈 =i〈 = 100 ;所述N为正整 数，且N彡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Xi,XiL1,Xi_N+2，…，Xi,xi+1,xi+2，…，Xm,xi+N，与星点i的X坐标相同的采样点灰度值序列为 yi_N，yi_N+i，yi-N+2,…，yi，yi+i，yi+2,…，yi+N-i，yi+N;若关于星点i点对称的采样点的灰度值相同， 艮PXi-I - Xi+1) Xi-2 - Xi+2, Xi-3 - Xi+3...，Xi-N - Xi+N?-S-Yi-I - Yi+1) Yi-2 -Ii+2,h- 5^+3...，Yi-N =yi+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（106)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 -.C.，-C-…一-二，…，C ，=^^ XM2々s-1 给出，其中X为采样点的灰度值，Xe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Ν(μpμ2,σσ2)进行拟合，得到第X巾贞图像高斯分布点扩散函数方差σi和 0 2 ； 所述归一化电子数序列由公式： 一Λ -瓦 / +Λ 给出，式中f为归一化的电子数序列，^ =Σ<; -"Λ. (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％:和，对％:和作直方图分布统计，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Ν(μhl,μκ，Ohl,Oh2),N(0,0,Ohl,Oh2)即为面阵CCD相机（106)的点 扩散函数； (7) 利用步骤（6)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，提高遥感图像质量。
【文档编号】G01M11/02GK104236859SQ201410484237
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月19日 优先权日:2014年9月19日
【发明者】刘薇, 高慧婷, 何红艳, 鲍云飞, 邢坤, 曹世翔, 江澄, 王殿中, 李岩, 李方琦 申请人:北京空间机电研究所