專利名稱：一種空間相機(jī)波前畸變與光軸抖動(dòng)的集成測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)波前測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，用于空間相機(jī)波前畸變誤差與光軸抖動(dòng)的在軌集成探測(cè)。
背景技術(shù)：
高分辨率空間相機(jī)通常具備大口徑、長(zhǎng)焦距光學(xué)系統(tǒng)的特征，對(duì)力、熱等環(huán)境變化更為敏感。星上活動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)等引起的高頻顫振(光軸抖動(dòng))會(huì)造成圖像模糊、微觀尺度上的幾何畸變以及測(cè)繪精度下降，而受熱不均、材料退化等低頻環(huán)境因素變化會(huì)造成光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及面形變化，從而產(chǎn)生波前畸變并降低像質(zhì)；這兩類擾動(dòng)往往同時(shí)作用并影響系統(tǒng)成像質(zhì)量的，并且隨著系統(tǒng)成像分辨率和幾何定位精度的提高，影響愈發(fā)明顯。如果采用適當(dāng)?shù)脑谲墱y(cè)量和估計(jì)手段，獲取兩類擾動(dòng)下的成像系統(tǒng)狀態(tài)(包括光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及面形變化、離焦、光軸指向抖動(dòng)等信息)，并根據(jù)主要擾動(dòng)源的特性，選擇適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行在線或離線的補(bǔ)償，即可獲得高質(zhì)量的高分辨率圖像。由于顫振與環(huán)境變化兩類擾動(dòng)因素分別具有“高時(shí)頻、低空頻”和“低時(shí)頻、高空頻”特性，對(duì)測(cè)量手段和補(bǔ)償手段的選擇具有不同的要求?；谶@一特點(diǎn)，現(xiàn)有空間相機(jī)應(yīng)用中一般分別針對(duì)兩類擾動(dòng)，采用相應(yīng)的傳感裝置和補(bǔ)償裝置對(duì)兩類擾動(dòng)誤差進(jìn)行在軌實(shí)時(shí)測(cè)量和校正(1)在空間相機(jī)波前畸變的在線補(bǔ)償校正方面，通常采用的方法是利用空間自適應(yīng)光學(xué)方法的波前傳感器和波前校正器共同實(shí)現(xiàn)波前畸變的實(shí)時(shí)校正。但該方法對(duì)成像光路改動(dòng)大，尤其是波前校正器串聯(lián)于成像光路中，若波前校正器或其個(gè)別致動(dòng)器出現(xiàn)故障， 將導(dǎo)致空間相機(jī)無法正常工作。(2)在空間相機(jī)光軸抖動(dòng)的在線補(bǔ)償校正方面，通常采用微機(jī)械穩(wěn)像技術(shù)來補(bǔ)償高頻顫振對(duì)成像質(zhì)量的影響。由于要針對(duì)高頻率顫振完成圖像幀內(nèi)的穩(wěn)像，因此需要光軸偏移探測(cè)精度達(dá)到微弧度的量級(jí)；而且，為了探測(cè)較寬頻率范圍的顫振擾動(dòng)，探測(cè)頻率和補(bǔ)償帶寬都需要達(dá)到數(shù)百赫茲，對(duì)補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)裝置的動(dòng)態(tài)性能要求極高，同時(shí)也使成像系統(tǒng)變得極其復(fù)雜。為了減少在空間相機(jī)加入各類補(bǔ)償校正裝置對(duì)空間成像任務(wù)帶來的不利影響，近年來國內(nèi)外研究者也提出了將“測(cè)量環(huán)節(jié)與補(bǔ)償環(huán)節(jié)”分離的“星上誤差測(cè)量、地面圖像后處理”的離線補(bǔ)償方法。該方法根據(jù)在軌獲得的波前畸變和光軸抖動(dòng)實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算空間相機(jī)成像的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)，然后采用圖像解卷積的方法，對(duì)圖像進(jìn)行復(fù)原處理。相比空間自適應(yīng)光學(xué)方法和微機(jī)械穩(wěn)像方法，該方法大大降低了補(bǔ)償裝置帶來的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)可靠性。相關(guān)哈特曼-夏克波前傳感方法由于測(cè)量速度快，動(dòng)態(tài)范圍大，精度較高，抗噪聲能力強(qiáng)，可靠性好，適合于波前畸變的在軌測(cè)量。近年來，國內(nèi)外均有將哈特曼-夏克波前傳感方法應(yīng)用于空間對(duì)地觀測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的研究，如，美國洛倫茲國家實(shí)驗(yàn)室(Lisa A.Poyneer, Kai La Fortune and Carri Chan. Scene-based wave-front sensing forremote imaging. Proc. SPIE，5162 =91-102, 2003.)，國內(nèi)北京理工大學(xué)(胡新奇，俞信，趙達(dá)尊.目標(biāo)圖像結(jié)構(gòu)和噪聲對(duì)相關(guān)哈特曼-夏克波前傳感精度的影響.光學(xué)學(xué)報(bào)，Vol. 27， No. 8,2007)等。相關(guān)哈特曼-夏克波前傳感方法的工作原理如圖1所示。空間相機(jī)1將被觀測(cè)目標(biāo)成像在其焦面上，焦面圖像經(jīng)中繼透鏡3和陣列透鏡4成像在圖像探測(cè)器5上，陣列透鏡由幾十至幾百個(gè)子透鏡組成，在CXD上可產(chǎn)生幾十至幾百個(gè)子圖像(如圖2所示)，每個(gè)子圖像在結(jié)構(gòu)上相似，但位置上有相對(duì)偏移。空間相機(jī)焦面處放置的視場(chǎng)光闌2可避免子圖像間的相互交疊。波前處理器6將完成CXD輸出圖像的處理，給出波前測(cè)量結(jié)果。由于波前畸變探測(cè)需要較高的圖像分辨率，相關(guān)哈特曼-夏克波前傳感方法由于圖像探測(cè)器幀頻和波前處理速度的限制，都難以實(shí)現(xiàn)較高的測(cè)量速度，因而僅適合于具有測(cè)量慢變特征的波前畸變，而不適于測(cè)量具有快變特征的光軸抖動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對(duì)波前畸變誤差和光軸抖動(dòng)的星上測(cè)量問題，提出一種空間相機(jī)波前畸變與光軸抖動(dòng)的集成測(cè)量方法(包括集成測(cè)量系統(tǒng)和集成測(cè)量模式)，利用一路傳感器即可實(shí)現(xiàn)兩種擾動(dòng)誤差的測(cè)量功能。本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的一種空間相機(jī)波前畸變與光軸抖動(dòng)的集成測(cè)量方法，其中， 使用了由視場(chǎng)光闌、中繼透鏡、陣列透鏡、塊讀出型圖像探測(cè)器和多功能處理器構(gòu)成的探測(cè)設(shè)備；在進(jìn)行波前畸變探測(cè)時(shí)，塊讀出型圖像探測(cè)器全幀讀出，選取接近陣列圖像中心位置的一子圖像為參考子圖像，計(jì)算各子圖像相對(duì)于參考子圖像的相對(duì)偏移，用于重構(gòu)波
、r -
IlJ ；在進(jìn)行光軸抖動(dòng)探測(cè)時(shí)，利用塊讀出型圖像探測(cè)器的塊讀出功能，讀出部分子圖像，計(jì)算各子圖像在前后兩個(gè)時(shí)刻內(nèi)的相對(duì)位移，用于估計(jì)各時(shí)刻的光軸抖動(dòng)；如上所述的一種空間相機(jī)波前畸變與光軸抖動(dòng)的集成測(cè)量方法，其中，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下步驟1 在地面用標(biāo)準(zhǔn)平面波對(duì)傳感器零位進(jìn)行標(biāo)定；包括步驟1. 1 采集一幅陣列光斑圖像；步驟1.2:計(jì)算各光斑的中心位置；步驟2 傳感器一直進(jìn)行光軸抖動(dòng)探測(cè)；包括步驟2. 1 采集一幅陣列子圖像；輸出圖像時(shí)，利用探測(cè)器的塊讀出功能，提高幀頻；步驟2. 2 采集下一副陣列子圖像，子圖像的輸出格式同步驟2. 1 ；步驟2.3 計(jì)算當(dāng)前采集的一幅陣列子圖像與上一副陣列子圖像間的相對(duì)平移量；步驟2. 4 將子圖像平移量換算為空間相機(jī)焦面圖像的抖動(dòng)量；步驟2. 5 重復(fù)步驟2. 2、2. 3、2. 4，至設(shè)定時(shí)間間隔；步驟3 步驟2進(jìn)行設(shè)定時(shí)間間隔后，探測(cè)器輸出一幅完整的陣列子圖像，用于波前畸變信息的提??；包括
步驟3. 1 采集一幅完整的陣列子圖像；步驟3. 2 選定靠近中心位置的某一子圖像作為參考子圖像；步驟3. 3 計(jì)算每一子圖像與參考子圖像間的相對(duì)位置偏差；步驟3. 4 將步驟3. 3中的結(jié)果減去平面波標(biāo)定時(shí)相應(yīng)子圖像間的位置差；步驟3. 5 將子圖像偏移量換算為局部波前斜率；步驟3. 6 根據(jù)局部波前斜率擬合完整波前。如上所述的一種空間相機(jī)波前畸變與光軸抖動(dòng)的集成測(cè)量方法，其中，利用塊讀出型圖像探測(cè)器(5)的塊讀出功能進(jìn)行光軸抖動(dòng)探測(cè)時(shí)，根據(jù)以下原則選擇讀出的子圖像塊A.根據(jù)光軸抖動(dòng)探測(cè)速度要求，確定讀出的子圖像數(shù)目，探測(cè)速度要求越高，讀出的子圖像數(shù)目越少；B.在滿足幀頻要求的條件下，讀出的子圖像數(shù)目盡可能多，以提高光軸抖動(dòng)探測(cè)的精度；C.由于探測(cè)器的幀頻與輸出圖像的行數(shù)有關(guān)，與列數(shù)無關(guān)，因此，選擇輸出一行或多行子圖像的方式。如上所述的一種空間相機(jī)波前畸變與光軸抖動(dòng)的集成測(cè)量方法，其中，兼顧探測(cè)精度要求和子圖像成像系統(tǒng)的MTF，優(yōu)化確定陣列透鏡的F#，并根據(jù)以下原則設(shè)計(jì)陣列透鏡的參數(shù)A.陣列透鏡的Fh#滿足公式，式中Nq為總子圖像數(shù)目，N為讀出
■sjN Δχ
的子圖像數(shù)目，F(xiàn)j為空間相機(jī)的F#，Δ χ為要求的抖動(dòng)探測(cè)精度(單位是像元數(shù))，δ χ為相關(guān)函數(shù)插值精度；B.陣列透鏡的F/不易太大，需考慮子透鏡成像的MTF要求，使子圖像有較好的對(duì)比度和足夠的視場(chǎng)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)本發(fā)明的集成測(cè)量裝置僅利用空間相機(jī)的分光光路或成像焦面邊緣視場(chǎng)即可實(shí)現(xiàn)高分辨率波前畸變測(cè)量；(2)本發(fā)明的集成測(cè)量裝置利用塊讀出型圖像探測(cè)器的塊讀出功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)寬頻帶范圍內(nèi)的光軸抖動(dòng)的高精度探測(cè)，探測(cè)精度可達(dá)0. 1像元rms，可探測(cè)到300Hz以內(nèi)的高頻光軸抖動(dòng)；(3)本發(fā)明的集成測(cè)量裝置充分利用了兩類誤差的空間頻率特性和時(shí)間頻率特性，僅利用一路探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了空間相機(jī)波前畸變與光軸抖動(dòng)的分時(shí)集成測(cè)量，測(cè)量結(jié)果可用于實(shí)時(shí)或后續(xù)補(bǔ)償，以提高系統(tǒng)成像質(zhì)量；(4)本發(fā)明的集成測(cè)量裝置由于僅采用了一路傳感器，且標(biāo)定方便，因而測(cè)量結(jié)果一致性好，適合于“基于波前和抖動(dòng)測(cè)量的地面圖像后處理方法”，大大降低了系統(tǒng)復(fù)雜性。


圖1為空間相機(jī)波前誤差與光軸抖動(dòng)集成測(cè)量方法的原理示意圖；圖2為塊讀出型圖像探測(cè)器5上得到的陣列圖像示例；
圖3為集成測(cè)量方法用于線陣推掃型空間相機(jī)時(shí)的相機(jī)焦面布置示意圖；圖4為集成測(cè)量方法用于面陣空間相機(jī)時(shí)的相機(jī)焦面布置示意圖。其中，1.空間相機(jī)，2.視場(chǎng)光闌，3.中繼透鏡，4.陣列透鏡，5.塊讀出型集成探測(cè)器，6.多功能處理器，7.用于光軸抖動(dòng)探測(cè)時(shí)塊讀出的部分子圖像示例，8.線陣推掃型圖像探測(cè)器，9.面陣圖像探測(cè)器，10.波前畸變和光軸抖動(dòng)集成探測(cè)器。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合具體實(shí)施方式
和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明；本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的通過對(duì)相關(guān)哈特曼-夏克波前傳感方法在系統(tǒng)組成和使用模式上的改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到波前畸變和光軸抖動(dòng)的一體化測(cè)量裝置，該裝置既可用于高分辨率波前畸變測(cè)量，亦可用于高頻光軸抖動(dòng)測(cè)量，從而可省去一路探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)空間相機(jī)波前畸變與光軸抖動(dòng)誤差的集成測(cè)量。本發(fā)明所指的集成測(cè)量方法在測(cè)量系統(tǒng)組成方面對(duì)相關(guān)哈特曼-夏克波前傳感方法的改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)包括1.本發(fā)明的集成測(cè)量系統(tǒng)中的圖像探測(cè)器5是具有“塊讀出”和“全幀讀出”兩種輸出模式的圖像探測(cè)器。許多CMOS圖像探測(cè)器和部分CCD探測(cè)器具有塊讀出功能，其幀頻與讀出行數(shù)成反比。2.本發(fā)明的集成測(cè)量系統(tǒng)中的波前處理器6是具有波前處理和光軸抖動(dòng)處理的雙重處理模式的多功能處理器，采用市場(chǎng)上通用的用于圖像處理的處理器即可。3.兼顧探測(cè)精度要求和子圖像成像系統(tǒng)的MTF，優(yōu)化確定陣列透鏡的F#。(a)綜合考慮遙感器口徑Dtl和波前傳感器子孔徑 的差別、兩者成像Fs的不同、 參與運(yùn)算的子孔徑數(shù)目N、總子孔徑數(shù)目Ntl以及相關(guān)處理誤差δ χ (以波前探測(cè)器像元為單位)等因素，光軸抖動(dòng)探測(cè)誤差ΔΧ(以光學(xué)遙感器像元為單位)可表示為
權(quán)利要求
1.一種空間相機(jī)波前畸變與光軸抖動(dòng)的集成測(cè)量方法，其特征是使用了由視場(chǎng)光闌 O)、中繼透鏡(3)、陣列透鏡G)、塊讀出型圖像探測(cè)器(5)和多功能處理器(6)構(gòu)成的探測(cè)設(shè)備；在進(jìn)行波前畸變探測(cè)時(shí)，塊讀出型圖像探測(cè)器( 全幀讀出，選取接近陣列圖像中心位置的一子圖像為參考子圖像，計(jì)算各子圖像相對(duì)于參考子圖像的相對(duì)偏移，用于重構(gòu)波；在進(jìn)行光軸抖動(dòng)探測(cè)時(shí)，利用塊讀出型圖像探測(cè)器的塊讀出功能，讀出部分子圖像，計(jì)算各子圖像在前后兩個(gè)時(shí)刻內(nèi)的相對(duì)位移，用于估計(jì)各時(shí)刻的光軸抖動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間相機(jī)波前畸變與光軸抖動(dòng)的集成測(cè)量方法，其特征是具體實(shí)現(xiàn)步驟如下步驟1 在地面用標(biāo)準(zhǔn)平面波對(duì)傳感器零位進(jìn)行標(biāo)定；包括 步驟1. 1 采集一幅陣列光斑圖像； 步驟1. 2 計(jì)算各光斑的中心位置； 步驟2 傳感器一直進(jìn)行光軸抖動(dòng)探測(cè)；包括步驟2. 1 采集一幅陣列子圖像；輸出圖像時(shí)，利用探測(cè)器的塊讀出功能，提高幀頻； 步驟2. 2 采集下一副陣列子圖像，子圖像的輸出格式同步驟2. 1 ； 步驟2. 3 計(jì)算當(dāng)前采集的一幅陣列子圖像與上一副陣列子圖像間的相對(duì)平移量； 步驟2. 4 將子圖像平移量換算為空間相機(jī)焦面圖像的抖動(dòng)量； 步驟2. 5 重復(fù)步驟2. 2,2. 3,2. 4，至設(shè)定時(shí)間間隔；步驟3 步驟2進(jìn)行設(shè)定時(shí)間間隔后，探測(cè)器輸出一幅完整的陣列子圖像，用于波前畸變信息的提取；包括步驟3. 1 采集一幅完整的陣列子圖像；步驟3. 2 選定靠近中心位置的某一子圖像作為參考子圖像；步驟3. 3 計(jì)算每一子圖像與參考子圖像間的相對(duì)位置偏差；步驟3. 4 將步驟3. 3中的結(jié)果減去平面波標(biāo)定時(shí)相應(yīng)子圖像間的位置差；步驟3. 5 將子圖像偏移量換算為局部波前斜率；步驟3. 6 根據(jù)局部波前斜率擬合完整波前。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種空間相機(jī)波前畸變與光軸抖動(dòng)的集成測(cè)量方法，其特征是利用塊讀出型圖像探測(cè)器(5)的塊讀出功能進(jìn)行光軸抖動(dòng)探測(cè)時(shí)，根據(jù)以下原則選擇讀出的子圖像塊A.根據(jù)光軸抖動(dòng)探測(cè)速度要求，確定讀出的子圖像數(shù)目，探測(cè)速度要求越高，讀出的子圖像數(shù)目越少；B.在滿足幀頻要求的條件下，讀出的子圖像數(shù)目盡可能多，以提高光軸抖動(dòng)探測(cè)的精度；C.由于探測(cè)器的幀頻與輸出圖像的行數(shù)有關(guān)，與列數(shù)無關(guān)，因此，選擇輸出一行或多行子圖像的方式。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種空間相機(jī)波前畸變與光軸抖動(dòng)的集成測(cè)量方法，其特征是兼顧探測(cè)精度要求和子圖像成像系統(tǒng)的MTF，優(yōu)化確定陣列透鏡的F#，并根據(jù)以下原則設(shè)計(jì)陣列透鏡的參數(shù)A.陣列透鏡的F/滿足公式F/，式中N。為總子圖像數(shù)目，N為讀出的子■sjN Δχ圖像數(shù)目，F(xiàn)j為空間相機(jī)的F#，Δ χ為要求的抖動(dòng)探測(cè)精度，單位是像元數(shù)，δ χ為相關(guān)函數(shù)插值精度；B.陣列透鏡的F/不易太大，需考慮子透鏡成像的MTF要求，使子圖像有較好的對(duì)比度和足夠的視場(chǎng)。
全文摘要
本發(fā)明屬于光學(xué)波前測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，提出了一種空間相機(jī)波前畸變與光軸抖動(dòng)的集成測(cè)量方法。該方法通過對(duì)相關(guān)哈特曼-夏克波前傳感方法在系統(tǒng)組成和使用模式上的改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其既可測(cè)量具有高空間分辨率特征的波前畸變，亦可測(cè)量具有高頻特征的光軸抖動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了空間相機(jī)波前畸變測(cè)量和光軸抖動(dòng)測(cè)量的一體化。本發(fā)明對(duì)其進(jìn)行的改造和優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括采用具有塊讀出功能的圖像探測(cè)器以便在光軸抖動(dòng)測(cè)量時(shí)提高幀頻、進(jìn)行波前畸變測(cè)量和光軸抖動(dòng)測(cè)量時(shí)采用不同的參考子圖像、對(duì)陣列透鏡焦距進(jìn)行優(yōu)化使其滿足光軸抖動(dòng)探測(cè)精度要求。該方法可用于解決空間相機(jī)波前畸變與光軸抖動(dòng)誤差傳感問題，用于實(shí)時(shí)或后續(xù)補(bǔ)償，以提高系統(tǒng)成像質(zhì)量。
文檔編號(hào)G03B43/00GK102478759SQ20101056426
公開日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2010年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月29日
發(fā)明者俞信, 和濤, 張曉芳, 王世濤, 王虎妹, 胡新奇 申請(qǐng)人:中國空間技術(shù)研究院