一種空間面陣相機亞像元點擴散函數測量裝置及方法與流程

2023-10-09 08:57:09 3

本發明涉及航天光學遙感技術領域，特別是一種空間面陣相機亞像元點擴散函數測量裝置及方法。

背景技術：

光學系統在理想狀態下，物空間一點發出的光能量在像空間也集中在一點上，但是實際的光學系統成像時，由於衍射和像差以及其它因素的影響，物空間一點發出的光在像空間是分布在一定的區域內，其分布曲線稱為點擴散函數PSF。調製傳遞函數MTF是客觀評價光學系統成像質量的重要指標，目前國內為了定量化評價相機成像質量，發射之前都進行實驗室的MTF測試，但MTF只是PSF在頻域的幅值信息，不包含相位信息。目前常用的MTF測試方法包括以下三種，第一種是對比度矩形靶標法，可以用於面陣或推掃相機MTF測試，黃巧林等人2006年在《航天返回與遙感》上發表的《航天光學遙感器MTF測試技術研究》一文中給出兩種測試方法，一種是高對比度矩形靶標測試方法，該方法受採樣相位的影響，測試誤差較大，另一種低頻靶標法對相位不敏感，但易受噪聲影響；第二種是斜刃邊靶標法，適用於面陣CCD的MTF地面測試，張孝弘等人2006年在中國空間科學學會空間探測專業委員會第十九次學術會議上發表的《面陣CCD相機的MTF測試技術》一文介紹了實驗方法和數據處理算法，該處理方法增加了採樣點，但無法準確定位初始相位；第三種是點源或狹縫測試法，適用於面陣CCD的MTF測試，吳海平碩士學位論文《點源法MTF測試技術研究》中詳細介紹了點源法實驗系統，實驗方法是對點光源成像，該方法計算精度較高，但對準直顯微物鏡的對準精度要求較高，必須保證點光源在一個像素內成像。

技術實現要素：

本發明解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供了一種空間面陣相機亞像元點擴散函數測量裝置及方法，通過靶標設計和數據處理方法解決一個像素內相位問題，可以準確定位到0.1像素，保證空間面陣相機亞像元PSF的測試準確性，進一步提高了空間面陣相機PSF地面測試精度，並可用於提高遙感圖像的空間解析度。

本發明的技術解決方案是：一種空間面陣相機亞像元點擴散函數測量裝置，其特徵在於包括光源系統、靶標、平行光管、面陣相機、圖像採集系統，其中

靶標放置在平行光管的焦面上，平行光管與面陣相機的光軸共軸放置；

光源系統產生均勻光後照射在靶標上，然後經過平行光管和面陣CCD相機，成像在面陣相機的焦面上，形成靶標的圖像，圖像採集系統對面陣相機的成像結果進行採集和處理；

靶標包括第一定標線，第二定標線，第三定標線…第十二定標線和定標星點；

第一定標線至第十二定標線形狀和尺寸相同，均為長方形透光孔，長方形透光孔的寬度為標準長度L的1倍，長度為標準長度L的20.1倍；第一星點為正方形透光孔，正方形透光孔的邊長為標準長度L的0.9倍；所述L＝(fcol/fcam)d，其中，fcol為平行光管的焦距，fcam為面陣相機的焦距，d為面陣CCD相機中探測器單元間距；

第一定標線至第十二定標線、定標星點在靶標平面直角坐標系XOY中的坐標分別為：第一定標線長方形結構左上角的頂點坐標為(0，0)；第二定標線長方形結構左上角的頂點坐標為(40.2·L，0)；第三定標線長方形結構左上角的頂點坐標為(80.4·L，0)；第四定標線長方形結構左上角的頂點坐標為(120.6·L，0)；第五定標線長方形結構左上角的頂點坐標為(160.8·L，0)；第六定標線長方形結構左上角的頂點坐標為(201·L，0)；第七定標線長方形結構左上角的頂點坐標為(100·L，50·L)；第八定標線長方形結構左上角的頂點坐標為(100·L，90.2·L)；第九定標線長方形結構左上角的頂點坐標為(100·L，130.4·L)；第十定標線長方形結構左上角的頂點坐標為(100·L，170.6·L)；第十一定標線長方形結構左上角的頂點坐標為(100·L，210.8·L)；第十二定標線長方形結構左上角的頂點坐標為(100·L，251.0·L)；定標星點正方形結構左上角的頂點坐標為(0，50·L)；其中，第一定標線，第二定標線，第三定標線…第六定標線的長方形結構的長均與x軸平行，第七定標線，第八定標線，第九定標線…第十二定標線的長方形結構的長均與y軸平行，定標星點(13)正方形的至少一條邊與y軸平行；所述靶標平面直角坐標系XOY的坐標原點O為第一定標線長方形結構位於左上角的頂點，X軸的正方向為第一定標線指向第二定標線，Y軸的正方向為第一定標線指向第一定標星點；所述的靶標大小長度和寬度均大於300·L；所述的靶標中的第一定標線至第十二定標線(12)、第一定標星點透光，其餘部分不透光，透光部分與不透光部分對比度不低於100:1。

2、根據權利要求1所述的一種空間面陣相機亞像元點擴散函數測量方法，包括如下步驟：

(1)使用圖像採集系統採集靶標在面陣相機焦面上的圖像，同時調整靶標的位置，直至靶標的第一定標線位於面陣相機產生圖像的某一行、第七定標線位於面陣相機圖像某一列，固定此時靶標的位置；

(2)設置面陣相機的曝光時間，使得定標星點在面陣相機產生圖像中灰度值的範圍為[0.5K，0.6K]；利用圖像採集系統採集得到P幀當前曝光時間下的靶標的圖像；所述的K為面陣相機的飽和灰度值，P為大於100的正整數；

(3)分別對步驟(2)採集得到的第X幀靶標圖像上的第一定標線所在行進行採樣得到圖像序列灰度值A、第七定標線所在列進行採樣得到圖像序列灰度值B，X＝1,2,3…P；

(4)根據面陣相機的滿阱電子數M以及圖像量化位數bs將步驟(3)中得到的圖像灰度值序列A和圖像灰度值序列B轉換為電子數序列，轉換過程由公式

給出，其中，x為圖像灰度值序列中採樣點的灰度值，xe為電子數序列中採樣點灰度值的電子數；進而得到電子數序列數組C和電子數序列數組D；

(5)定義二維數組E，數組E大小為10行*222列，其中，二維數組E中前10行的1-20列、42-60列、82-100列、122-140列、162-180列、202-222列中所有元素為1，前10行的22-40列、62–80列、102-120列、142-160列、182-200列中所有元素為0，E(1,21)＝0.1，E(1,41)＝0.8，E(1,61)＝0.3，E(1,81)＝0.6，E(1,101)＝0.5，E(1,121)＝0.4，E(1,141)＝0.7，E(1,161)＝0.2，E(1,181)＝0.9，E(1,201)＝0，E(2,21)＝0.2，E(2,41)＝0.7，E(2,61)＝0.4，E(2,81)＝0.5，E(2,101)＝0.6，E(2,121)＝0.3，E(2,141)＝0.8，E(2,161)＝0.1，E(2,181)＝0，E(2,201)＝0.9，E(3,21)＝0.3，E(3,41)＝0.6，E(3,61)＝0.5，E(3,81)＝0.4，E(3,101)＝0.7，E(3,121)＝0.2，E(3,141)＝0.9，E(3,161)＝0，E(3,181)＝0.1，E(3,201)＝0.8，E(4,21)＝0.4，E(4,41)＝0.5，E(4,61)＝0.6，E(4,81)＝0.3，E(4,101)＝0.8，E(4,121)＝0.1，E(4,141)＝0，E(4,161)＝0.9，E(4,181)＝0.2，E(4,201)＝0.7，E(5,21)＝0.5，E(5,41)＝0.4，E(5,61)＝0.7，E(5,81)＝0.2，E(5,101)＝0.9，E(5,121)＝0，E(5,141)＝0.1，E(5,161)＝0.8，E(5,181)＝0.3，E(5,201)＝0.6，E(6,21)＝0.6，E(6,41)＝0.3，E(6,61)＝0.8，E(6,81)＝0.1，E(6,101)＝0，E(6,121)＝0.9，E(6,141)＝0.2，E(6,161)＝0.7，E(6,181)＝0.4，E(6,201)＝0.5，E(7,21)＝0.7，E(7,41)＝0.2，E(7,61)＝0.9，E(7,81)＝0，E(7,101)＝0.1，E(7,121)＝0.8，E(7,141)＝0.3，E(7,161)＝0.6，E(7,181)＝0.5，E(7,201)＝0.4，E(8,21)＝0.8，E(8,41)＝0.1，E(8,61)＝0，E(8,81)＝0.9，E(8,101)＝0.2，E(8,121)＝0.7，E(8,141)＝0.4，E(8,161)＝0.5，E(8,181)＝0.6，E(8,201)＝0.3，E(9,21)＝0.9，E(9,41)＝0，E(9,61)＝0.1，E(9,81)＝0.8，E(9,101)＝0.3，E(9,121)＝0.6，E(9,141)＝0.5，E(9,161)＝0.4，E(9,181)＝0.7，E(9,201)＝0.2，E(10,21)＝0，E(10,41)＝0.9，E(10,61)＝0.2，E(10,81)＝0.7，E(10,101)＝0.4，E(10,121)＝0.5，E(10,141)＝0.6，E(10,161)＝0.3，E(10,181)＝0.8，E(10,201)＝0.1；其中，E(i，j)為二維數組E中第i行第j列元素的取值，i、j均為正整數；

(6)對二維數組E的每一行一維數組分別與C數組進行相關積分，得到

其中，C(j)為C數組中的第j個數值；

尋找最大的J(i)，令t＝最大的J(i)對應的i，然後將二維數組E中的第t行作為電子數序列數組C的準確相位序列，得到二維數組E第t行數組中第k個數值的非整數數值為電子數序列數組C中第k個數值對應的準確相位，使用準確相位對電子數序列數組C的數值按照從小到大進行重新排列，得到電子數序列數組C1，k＝1,2,3…222；

對二維數組E的每一行一維數組分別與D數組進行相關積分，得到

其中，D(j)為D數組中的第j個數值；

尋找最大的J'(i)，令t』＝最大的J'(i)對應的i，然後將二維數組E中的第t』行作為電子數序列數組D的準確相位序列，得到二維數組E第t』行數組中第k個數值的非整數數值為電子數序列數組D中第k個數值對應的準確相位，使用準確相位對電子數序列數組D的數值按照從小到大進行重新排列，得到電子數序列數組D1，k＝1,2,3…222；

(7)使用費米函數對電子數序列數組C1進行擬合，得到邊緣擴散函數F1，使用費米函數對電子數序列數組D1進行擬合，得到邊緣擴散函數F2，其中，邊緣擴散函數F1包含M個數值，邊緣擴散函數F2包含N個數值，M、N為小於222的正整數；

(8)對邊緣擴散函數F1使用離散差分函數進行離散點差分得到線擴散函數L1，對邊緣擴散函數F2使用離散差分函數進行離散點差分得到線擴散函數L2；

(9)對當前曝光時間下P幀圖像中的每一幀圖像按照步驟(3)～步驟(8)的方法進行處理，得到每一幀圖像的L1、L2，然後計算每一幀圖像的L1、L2的方差，並分別記為σp1、σp2，最終得到P幀圖像線擴散函數方差序列σp1和σp2，對σp1和σp2作直方圖分布統計，得到直方圖序列，並將該直方圖序列擬合得到高斯分布函數N(uh1,σp1)、N(uh2,σp2)，進而得到面陣CCD相機的亞像元點擴散函數N(0，0，uh1,uh2)；

(10)利用步驟(9)中得到的面陣相機的亞像元點擴散函數對面陣CCD相機的成像數據進行亞像元重建，得到提高空間解析度的成像數據。

本發明與現有技術相比的優點在於：

(1)本發明克服了空間面陣相機地面主要測MTF的缺陷，開展亞像元PSF地面測試，對PSF做傅立葉變換可以同時獲得MTF，測試亞像元PSF可以直接描述相機的成像性能，同時對提高遙感圖像的空間解析度也起到重要的作用；

(2)本發明通過靶標中的定標線位置和形狀的設計，使得靶標的第一定標線位於圖像矩陣同一行上，同時第七定標線位於圖像矩陣同一列上，保證了靶標平面與面陣探測器平行，從而保證了測量精度；

(3)本發明通過定標線長度的設計，使得靶標中第一定標線到第六定標線(第七定標線到第十二定標線)的邊緣落在一個像元內的不同相位，並使用相關積分的方法找到準確相位，從而得到準確的亞像元PSF函數，增加了測試裝置和方法的準確性；

(4)本發明通過統計方法對多次測量結果進行了平差處理，降低了噪聲影響，減小了測量誤差；

(5)本發明可以完全利用現有MTF測試系統設備，易於工程實現。

附圖說明

圖1為本發明PSF測試靶標設計圖；

圖2為本發明PSF實驗裝置示意圖；

圖3為本發明測試方法流程圖；

圖4為本發明數據處理流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的具體實施方式進行詳細地闡述。

本發明涉及的實驗裝置如圖2所示，包括：光源系統14、靶標15、平行光管16、面陣CCD相機17和圖像採集系統18。

靶標15放置在平行光管16的焦面上，平行光管16與面陣相機17的光軸共軸放置，靶標15被光源系統14產生的均勻光照亮，經過平行光管16和面陣CCD相機17，成像在面陣相機17的焦面上，形成靶標15的圖像，圖像採集系統18對成像結果進行採集和處理。

如圖1所示為本發明PSF實驗裝置示意圖，由圖1可知，靶標15上包括第一定標線1至第十二定標線12、第一定標星點13。

靶標15上所有星點和定標線透光，其餘部分不透光，透光與不透光部分對比度不低於100:1。

定義標準長度L，L＝(fcol/fcam)d，其中fcol為平行光管16的焦距，fcam為面陣CCD相機17的焦距，d為面陣相機17中探測器單元間距；L表示探測器單元間距對應在靶標15位置的實際長度。

第一定標線1至第十二定標線12形狀和尺寸相同，均為長方形透光孔，長方形透光孔的寬度為標準長度L的0.9倍，長度為標準長度L的20.1倍；第一星點13為正方形透光孔，正方形透光孔的邊長為標準長度L的1倍；所述L＝(fcol/fcam)d，其中fcol為平行光管16的焦距，fcam為面陣相機17的焦距，d為面陣CCD相機17中探測器單元間距；

在靶標15上建立直角坐標系x-y，x軸為第一定標線1的上邊沿，y軸為第一定標線1的左邊沿，x軸的正方向為第一定標線1指向第二定標線2，y軸的正方向為第一定標線指向第一星點13；

在靶標15上定標線和定標點的位置依次為：第一定標線1長方形結構左上角的頂點坐標為(0，0)；第二定標線2長方形結構左上角的頂點坐標為(40.2·L，0)；第三定標線3長方形結構左上角的頂點坐標為(80.4·L，0)；第四定標線4長方形結構左上角的頂點坐標為(120.6·L，0)；第五定標線5長方形結構左上角的頂點坐標為(160.8·L，0)；第六定標線6長方形結構左上角的頂點坐標為(201·L，0)；第七定標線7長方形結構左上角的頂點坐標為(100·L，50·L)；第八定標線8長方形結構左上角的頂點坐標為(100·L，90.2·L)；第九定標線9長方形結構左上角的頂點坐標為(100·L，130.4·L)；第十定標線10長方形結構左上角的頂點坐標為(100·L，170.6·L)；第十一定標線11長方形結構左上角的頂點坐標為(100·L，210.8·L)；第十二定標線12長方形結構左上角的頂點坐標為(100·L，251.0·L)；第一定標星點13正方形結構左上角的頂點坐標為(0，50·L)。

本發明一種利用上述測量裝置的空間面陣相機亞像元點擴散函數的測量方法，分為測量步驟和對靶標圖像進行逐幀處理，如圖3為本發明測試方法流程圖，步驟具體如下：

一、測量步驟：

(1)將靶標15安裝在平行光管16的焦平面上(定標線1和定標線7均垂直於平行光管的光軸，且靶標15平行於探測器平面)，調整好光源系統14的位置；

(2)將面陣相機17擺放在平行光管16出口前，通過相機調整裝置調整好相機的位置，保證相機入光口與平行光管16的出光口對準，平行光管16的有效口徑充滿相機入瞳；

(3)連接好面陣相機17與圖像採集系統18之間的電纜，並通電檢查，確保工作正常；

(4)打開光源系統14；

(5)觀察圖像採集系統18採集靶標15的圖像，根據定標線寬度變化在x方向和y方向上移動靶標15，直至定標線1出現在圖像矩陣的同一行上，同時定標線7出現在圖像矩陣的同一列上，並固定靶標15的位置；

(6)設置面陣相機17的曝光時間，使得第一定標星點13在圖像中灰度值的範圍為：[0.5K，0.6K]；利用圖像採集系統18採集得到P幀當前曝光時間下的靶標15的圖像，所述K為飽和灰度值，P為大於100的正整數；

(7)調整相機焦面至最佳焦面位置；

(8)重複測試並存儲圖像，圖像採集幀數大於100；

二、對靶標15的圖像進行逐幀處理步驟，如圖4所示本發明數據處理流程圖，具體步驟如下：

(1)分別對第X幀靶標15圖像上的第一定標線1所在行和第七定標線7所在列進行採樣，得到圖像序列灰度值A和圖像序列灰度值B；

(2)根據面陣相機17的滿阱電子數M以及圖像量化位數bs將步驟(1)中得到的圖像灰度值序列A和B轉換為電子數序列，所述轉換過程具體由公式：

給出，其中x為採樣點的灰度值，xe為電子數，得到電子數序列數組C和D；

(3)定義二維數組E：數組E大小為10行*222列，其中，二維數組E中前10行的1-20列、42-60列、82-100列、122-140列、162-180列、202-222列中所有元素為1，前10行的22-40列、62–80列、102-120列、142-160列、182-200列中所有元素為0，E(1,21)＝0.1，E(1,41)＝0.8，E(1,61)＝0.3，E(1,81)＝0.6，E(1,101)＝0.5，E(1,121)＝0.4，E(1,141)＝0.7，E(1,161)＝0.2，E(1,181)＝0.9，E(1,201)＝0，E(2,21)＝0.2，E(2,41)＝0.7，E(2,61)＝0.4，E(2,81)＝0.5，E(2,101)＝0.6，E(2,121)＝0.3，E(2,141)＝0.8，E(2,161)＝0.1，E(2,181)＝0，E(2,201)＝0.9，E(3,21)＝0.3，E(3,41)＝0.6，E(3,61)＝0.5，E(3,81)＝0.4，E(3,101)＝0.7，E(3,121)＝0.2，E(3,141)＝0.9，E(3,161)＝0，E(3,181)＝0.1，E(3,201)＝0.8，E(4,21)＝0.4，E(4,41)＝0.5，E(4,61)＝0.6，E(4,81)＝0.3，E(4,101)＝0.8，E(4,121)＝0.1，E(4,141)＝0，E(4,161)＝0.9，E(4,181)＝0.2，E(4,201)＝0.7，E(5,21)＝0.5，E(5,41)＝0.4，E(5,61)＝0.7，E(5,81)＝0.2，E(5,101)＝0.9，E(5,121)＝0，E(5,141)＝0.1，E(5,161)＝0.8，E(5,181)＝0.3，E(5,201)＝0.6，E(6,21)＝0.6，E(6,41)＝0.3，E(6,61)＝0.8，E(6,81)＝0.1，E(6,101)＝0，E(6,121)＝0.9，E(6,141)＝0.2，E(6,161)＝0.7，E(6,181)＝0.4，E(6,201)＝0.5，E(7,21)＝0.7，E(7,41)＝0.2，E(7,61)＝0.9，E(7,81)＝0，E(7,101)＝0.1，E(7,121)＝0.8，E(7,141)＝0.3，E(7,161)＝0.6，E(7,181)＝0.5，E(7,201)＝0.4，E(8,21)＝0.8，E(8,41)＝0.1，E(8,61)＝0，E(8,81)＝0.9，E(8,101)＝0.2，E(8,121)＝0.7，E(8,141)＝0.4，E(8,161)＝0.5，E(8,181)＝0.6，E(8,201)＝0.3，E(9,21)＝0.9，E(9,41)＝0，E(9,61)＝0.1，E(9,81)＝0.8，E(9,101)＝0.3，E(9,121)＝0.6，E(9,141)＝0.5，E(9,161)＝0.4，E(9,181)＝0.7，E(9,201)＝0.2，E(10,21)＝0，E(10,41)＝0.9，E(10,61)＝0.2，E(10,81)＝0.7，E(10,101)＝0.4，E(10,121)＝0.5，E(10,141)＝0.6，E(10,161)＝0.3，E(10,181)＝0.8，E(10,201)＝0.1；其中，E(i，j)為二維數組E中第i行第j列元素的取值，i、j均為正整數。

(4)對二維數組E的每一行一維數組分別與C數組進行相關積分，得到

其中，C(j)為C數組中的第j個數值；

尋找最大的J(i)，令t＝最大的J(i)對應的i，然後將二維數組E中的第t行作為電子數序列數組C的準確相位序列，得到二維數組E第t行數組中第k個數值的非整數數值為電子數序列數組C中第k個數值對應的準確相位，使用準確相位對電子數序列數組C的數值按照從小到大進行重新排列，得到電子數序列數組C1，k＝1,2,3…222；

對二維數組E的每一行一維數組分別與D數組進行相關積分，得到

其中，D(j)為D數組中的第j個數值；

尋找最大的J'(i)，令t』＝最大的J'(i)對應的i，然後將二維數組E中的第t』行作為電子數序列數組D的準確相位序列，得到二維數組E第t』行數組中第k個數值的非整數數值為電子數序列數組D中第k個數值對應的準確相位，使用準確相位對電子數序列數組D的數值按照從小到大進行重新排列，得到電子數序列數組D1，k＝1,2,3…222；

(5)使用費米函數對電子數序列數組C1進行擬合，得到邊緣擴散函數F1，使用費米函數對電子數序列數組D1進行擬合，得到邊緣擴散函數F2，其中，邊緣擴散函數F1包含M個數值，邊緣擴散函數F2包含N個數值，M、N為小於222的正整數；

(6)對邊緣擴散函數F1使用離散差分函數進行離散點差分得到線擴散函數L1，對邊緣擴散函數F2使用離散差分函數進行離散點差分得到線擴散函數L2；

(7)對當前曝光時間下P幀圖像中的每一幀圖像按照步驟(1)～步驟(6)的方法進行處理，得到每一幀圖像的L1、L2，然後計算每一幀圖像的L1、L2的方差，並分別記為σp1、σp2，最終得到P幀圖像線擴散函數方差序列σp1和σp2，對σp1和σp2作直方圖分布統計，得到直方圖序列，並將該直方圖序列擬合得到高斯分布函數N(uh1,σp1)、N(uh2,σp2)，進而得到面陣CCD相機17的亞像元點擴散函數N(0，0，uh1,uh2)；

(8)利用步驟(7)中得到的面陣相機17的亞像元點擴散函數對面陣CCD相機17的成像數據進行亞像元重建，得到提高空間解析度的成像數據。

我國高分四號遙感衛星的面陣相機首次採用了本發明設計的面陣相機亞像元點擴散函數測量裝置及方法進行了測試獲得了該相機的亞像元點擴散函數；使用地面測試得到的點擴散函數對地面圖像進行超分辨復原處理，圖像的空間解析度提升1.2～1.3倍。

本發明設計了新的靶標和靶標圖像數據處理方法，實現了面陣相機亞像元PSF函數的測試，可以直觀地描述相機性能，可應用於星載和機載可見光/多光譜面陣凝視型CCD相機或CMOS相機的亞像元點擴散函數測試，可用於遙感圖像的空間解析度提高。

本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。