一种测试刃边倾角对调制传递函数影响的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于航天光学遥感技术领域，涉及一种测试刃边倾角对调制传递函数影响的装置及方法，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PSF。为了简化处理，假设PSF各向同性，因此可以不考虑相位信息，只考虑PSF的幅值，称作调制传递函数(MTF) ,MTF是评价光学系统成像质量的重要客观指标，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，发射之后还要进行在轨MTF测试。Becker等人2005年在ISPRS文章中总结提出了四种MTF测试方法，第一种是点脉冲法，第二种基于线脉冲法，第三种是刃边法，第四种是辐射状靶标法，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测试技术研宄》一文中还给出了第五种方法，高对比度矩形靶标测试方法。卫星发射后，基于可以使用的靶标一一实际地面特征物的可及性，刃边法测试MTF应用最为广泛，但是目前尚无直观描述刃边角度影响变化规律的实验方法。
【发明内容】
[0003]本发明解决的技术问题是:克服现有技术的不足，提供一种测试刃边倾角对调制传递函数影响的装置及方法，通过靶标设计和数据处理方法可同时研宄多个刃边角度的变化，刻画相机静态调制传递函数的变化规律。
[0004]本发明的技术方案是:一种测试刃边倾角对调制传递函数影响的装置，包括光源系统、靶标、平行光管、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，经过平行光管和相机，成像在相机的焦面上，形成靶标的图像，图像采集系统对图像进行采集和处理；
[0005]所述的靶标整体为矩形，长宽比为2:1 ;内部分解为2行共16个同样大小的矩形单元，每行8个矩形单元，每个矩形单元长宽比为2: 1，均为黑白刃边单元；各矩形单元内部，刃边与短边方向夹角为α ;从第一行第一个矩形单元开始至第一行最后一个矩形单元，α以Γ为步长依次取值为74° -81° ;从第二行第一个矩形单元开始至第二行最后一个矩形单元，α以1°为步长依次取值为82° -89° ;所述的靶标上所有矩形单元内部刃边一侧透光另一侧不透光，两部分对比度不低于100:1。
[0006]一种利用上述装置进行测试的方法，步骤如下:
[0007]I)将靶标放置在相机视场的中心位置，并固定靶标的位置；
[0008]2)利用图像采集系统采集得到某帧靶标图像；
[0009]3)在靶标图像上，按照上述靶标的内部构成分割出全部16个刃边单元；
[0010]4)从第一个刃边单元开始，根据图像灰度提取该刃边单元内刃边点的亚像元位置；
[0011]5)依据步骤4)获得的刃边点的亚像元位置提取采样数据，拟合边缘扩展函数曲线；
[0012]6)对步骤5)求得的边缘扩展函数曲线一次求导，得出线扩展函数；
[0013]7)对步骤6)得到的线扩展函数曲线做傅立叶变换得到该刃边单元的调制传递函数；
[0014]8)重复步骤4)-步骤7)，得到该帧靶标图像的16个刃边单元的调制传递函数；
[0015]9)根据步骤8)得出的调制传递函数，得出调制传递函数随角度α的变化曲线。
[0016]本发明与现有技术相比的优点在于:
[0017](I)本发明克服星载相机地面测试阶段刃边靶标角度单一导致测量样本不足的缺陷，通过具有连续角度的刃边靶标进行MTF测试，可以同时获得多个角度的MTF ;
[0018](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16个角度靶标，基本覆盖了常用的刃边角度范围；
[0019](3)本发明可以利用现有MTF测试系统设备，易于工程实现。
【附图说明】
[0020]图1为本发明MTF测试靶标设计图；
[0021]图2为本发明MTF实验装置示意图；
[0022]图3为本发明数据处理流程图。
【具体实施方式】
[0023]本发明涉及的实验装置如图2所示，包括光源系统1、靶标2、平行光管3、相机4、图像采集系统5 ;靶标2放置在平行光管3的焦面上，平行光管3与相机4的光轴共轴放置，靶标2被光源系统I产生的均匀光照亮，经过平行光管3和相机4，成像在相机4的焦面上，形成靶标2的图像，图像采集系统5对成像结果进行采集和处理；
[0024]如图1所示，靶标2整体为正方形。内部分解为16个同样大小的黑白刃边单元，均为矩形，每个矩形长宽比为2:1。各矩形内部，刃边与短边方向夹角为α，α以1°为步长依次在74° -89°之间取值。
[0025]靶标2上所有矩形单元内部刃边一侧透光另一侧不透光，两部分对比度不低于
100:1ο
[0026]本发明一种实验室中利用上述测量装置测量相机系统MTF的方法，分为测量步骤和对靶标图像进行处理步骤，具体如下:
[0027]—、测量步骤:
[0028](一 )将靶标2安装在平行光管3的焦平面上，调整好光源系统I的位置；
[0029]( 二)将相机4摆放在平行光管3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3的出光口对准，平行光管3的有效口径充满相机入瞳；
[0030](三)连接好相机4与图像采集系统5之间的电缆，并通电检查，确保工作正常；
[0031](四)打开光源系统I;
[0032](五)固定靶标2的位置；
[0033](六)调整光源系统I亮度，使靶标图像亮区输出灰度值不饱和且不低于饱和值的
0.6 倍;
[0034](七)调整相机焦面至最佳焦面位置；
[0035]利用图像采集系统5采集得到靶标2的图像采集并存储图像并处理，如图3步骤如下:
[0036](一 )在靶标图像上，按照上述靶标2的内部构成分割出全部16个刃边单元；
[0037]( 二 )从第一个刃边单元开始，根据图像灰度提取该刃边单元内刃边点的亚像元位置；
[0038](三)依据步骤(二)获得的刃边点的亚像元位置提取采样数据，拟合边缘扩展函数曲线；
[0039](四)对步骤(三)求得的边缘扩展函数曲线一次求导，得出线扩展函数；
[0040](五)对步骤(四)得到的线扩展函数曲线做傅立叶变换得到该刃边单元的调制传递函数；
[0041](六)重复步骤(一)_步骤(四)，得到该帧靶标图像的16个刃边单元的调制传递函数；
[0042](七)根据步骤(六)得出的调制传递函数，得出调制传递函数随角度α的变化曲线。
[0043]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。
【主权项】
1.一种测试刃边倾角对调制传递函数影响的装置，其特征在于:包括光源系统(1)、靶标(2)、平行光管(3)、相机(4)、图像采集系统(5);靶标(2)放置在平行光管(3)的焦面上，平行光管(3)与相机(4)的光轴共轴放置，靶标(2)被光源系统(I)产生的均匀光照亮，经过平行光管(3)和相机(4)，成像在相机(4)的焦面上，形成靶标(2)的图像，图像采集系统(5)对图像进行采集和处理； 所述的靶标(2)整体为矩形，长宽比为2:1 ;内部分解为2行共16个同样大小的矩形单元，每行8个矩形单元，每个矩形单元长宽比为2:1，均为黑白刃边单元；各矩形单元内部，刃边与短边方向夹角为α ;从第一行第一个矩形单元开始至第一行最后一个矩形单元，α以1°为步长依次取值为74° -81° ;从第二行第一个矩形单元开始至第二行最后一个矩形单元，α以1°为步长依次取值为82° -89° ;所述的靶标(2)上所有矩形单元内部刃边一侧透光另一侧不透光，两部分对比度不低于100:1。
2.一种利用权利要求1所述装置进行测试的方法，其特征在于步骤如下: 1)将靶标(2)放置在相机(4)视场的中心位置，并固定靶标(2)的位置； 2)利用图像采集系统(5)采集得到某帧靶标图像； 3)在靶标图像上，按照上述靶标(2)的内部构成分割出全部16个刃边单元； 4)从第一个刃边单元开始，根据图像灰度提取该刃边单元内刃边点的亚像元位置； 5)依据步骤4)获得的刃边点的亚像元位置提取采样数据，拟合边缘扩展函数曲线； 6)对步骤5)求得的边缘扩展函数曲线一次求导，得出线扩展函数； 7)对步骤6)得到的线扩展函数曲线做傅立叶变换得到该刃边单元的调制传递函数； 8)重复步骤4)-步骤7)，得到该帧靶标图像的16个刃边单元的调制传递函数； 9)根据步骤8)得出的调制传递函数，得出调制传递函数随角度α的变化曲线。
【专利摘要】本发明一种测试刃边倾角对调制传递函数影响的装置及方法，装置包括光源系统、靶标、平行光管、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，经过平行光管和相机，在相机的焦面上成像，形成靶标的图像，图像采集系统对图像进行采集和处理。由于在设计中考虑了使不同倾斜角度的刃边真值具有较好的一致性，从而使各角度MTF测量值差异能够反映刃边角度的变化。本发明可用于相机MTF测量和靶标角度优选，填补MTF测试方法相关空白。
【IPC分类】G01M11-00
【公开号】CN104833480
【申请号】CN201510205022
【发明人】王殿中
【申请人】北京空间机电研究所
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年4月27日