一種星載面陣ccd相機(jī)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)測量裝置及方法
【專利摘要】一種星載面陣CCD相機(jī)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)測量裝置及方法，裝置包括光源系統(tǒng)、靶標(biāo)、平行光管、面陣CCD相機(jī)和圖像采集系統(tǒng)；靶標(biāo)放置在平行光管的焦面上，平行光管與面陣CCD相機(jī)的光軸共軸放置，靶標(biāo)被光源系統(tǒng)產(chǎn)生的均勻光照亮，經(jīng)過平行光管和面陣相機(jī)，成像在面陣CCD相機(jī)的焦面上，形成靶標(biāo)的圖像，圖像采集系統(tǒng)對成像結(jié)果進(jìn)行采集和處理。本發(fā)明在靶標(biāo)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理中考慮了相位對準(zhǔn)，能夠保證PSF測量精度，填補(bǔ)了星載面陣CCD相機(jī)的PSF測試方法空白。
【專利說明】-種星載面陣CCD相機(jī)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)測量裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的測量裝置及方法，特別是一種星載面陣CCD相機(jī)點(diǎn)擴(kuò)散 函數(shù)的測量裝置及方法，適用于面陣凝視型CCD相機(jī)或CMOS相機(jī)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)測試，屬于 航天光學(xué)遙感【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 光學(xué)系統(tǒng)在理想狀態(tài)下，物空間一點(diǎn)發(fā)出的光能量在像空間也集中在一點(diǎn)上，但 是實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)成像時(shí)，由于衍射和像差以及其它因素的影響，物空間一點(diǎn)發(fā)出的光在 像空間是分布在一定的區(qū)域內(nèi)，其分布曲線稱為點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)PSF。調(diào)制傳遞函數(shù)MTF是客 觀評價(jià)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的重要指標(biāo)，目前國內(nèi)為了定量化評價(jià)相機(jī)成像質(zhì)量，發(fā)射之前 都進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(biāo)法，可以用于面陣或推掃相機(jī)MTF 測試，黃巧林等人2006年在《航天返回與遙感》上發(fā)表的《航天光學(xué)遙感器MTF測試技術(shù)研 究》一文中給出兩種測試方法，一種是高對比度矩形靶標(biāo)測試方法，該方法受采樣相位的影 響，測試誤差較大，另一種低頻靶標(biāo)法對相位不敏感，但易受噪聲影響；第二種是斜刃邊靶 標(biāo)法，適用于面陣CCD的MTF地面測試，張孝弘等人2006年在中國空間科學(xué)學(xué)會空間探測 專業(yè)委員會第十九次學(xué)術(shù)會議上發(fā)表的《面陣CCD相機(jī)的MTF測試技術(shù)》一文介紹了實(shí)驗(yàn) 方法和數(shù)據(jù)處理算法，該處理方法增加了采樣點(diǎn)，但無法準(zhǔn)確定位初始相位；第三種是點(diǎn)源 或狹縫測試法，適用于面陣CCD的MTF測試，吳海平碩士學(xué)位論文《點(diǎn)源法MTF測試技術(shù)研 究》中詳細(xì)介紹了點(diǎn)源法實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)方法是對點(diǎn)光源成像，該方法計(jì)算精度較高，但對 準(zhǔn)直顯微物鏡的對準(zhǔn)精度要求較高，必須保證點(diǎn)光源在一個(gè)像素內(nèi)成像。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：針對國內(nèi)現(xiàn)有星載面陣CCD相機(jī)地面只測MTF的現(xiàn)狀， 提出一種星載面陣CCD相機(jī)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的實(shí)驗(yàn)室測量裝置及方法，本發(fā)明通過靶標(biāo)設(shè)計(jì)和 數(shù)據(jù)處理方法解決相位對準(zhǔn)問題，保證面陣CCD相機(jī)PSF的測試準(zhǔn)確性，最大程度上滿足了 面陣C⑶相機(jī)PSF測試的需求。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0005] -種星載面陣CCD相機(jī)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的測量裝置，其特征在于：包括光源系統(tǒng)、靶 標(biāo)、平行光管、面陣CCD相機(jī)和圖像采集系統(tǒng)；
[0006] 靶標(biāo)放置在平行光管的焦面上，平行光管與面陣CCD相機(jī)的光軸共軸放置；
[0007] 光源系統(tǒng)產(chǎn)生均勻光后照射在靶標(biāo)上，然后經(jīng)過平行光管和面陣C⑶相機(jī)，成像 在面陣CCD相機(jī)的焦面上，形成靶標(biāo)的圖像，圖像采集系統(tǒng)對面陣CCD相機(jī)的成像結(jié)果進(jìn)行 采集和處理；
[0008] 靶標(biāo)包括一百個(gè)星點(diǎn)、第一定標(biāo)線和第二定標(biāo)線，所述一百個(gè)星點(diǎn)分別為第一星 點(diǎn)至第一百星點(diǎn)；
[0009] 第一星點(diǎn)至第一百星點(diǎn)形狀和尺寸均相同，且均為正方形透光孔，正方形透光孔 的邊長為標(biāo)準(zhǔn)長度L的0. 9倍；所述L = (?·Μ?/〇 d，其中fMl為平行光管的焦距，feam為面 陣CCD相機(jī)的焦距，d為面陣CCD相機(jī)中探測器單元間距；第一定標(biāo)線和第二定標(biāo)線均為長 方形透光孔，長方形透光孔的寬度為標(biāo)準(zhǔn)長度L的0. 9倍，長度大于標(biāo)準(zhǔn)長度L的5倍；
[0010] 第一星點(diǎn)至第一百星點(diǎn)、第一定標(biāo)線和第二定標(biāo)線在靶標(biāo)平面直角坐標(biāo)系XOY中 的坐標(biāo)分別為：
[0011] 第一定標(biāo)線長方形結(jié)構(gòu)左上角的頂點(diǎn)坐標(biāo)為（-20 · L，80 · L);第二定標(biāo)線長方形 結(jié)構(gòu)左上角的頂點(diǎn)坐標(biāo)為（80 · L, 200 · L);第一星點(diǎn)的坐標(biāo)為（0,0);第i星點(diǎn)的坐標(biāo)為 (a · 19. 9 · L，b · 19. 9 · L)，其中a為i除以10的余數(shù)部分減1，b為i除以10的整數(shù)部 分，l〈i〈100 ;第一百星點(diǎn)的坐標(biāo)為（179. I *L, 179. 1噸）點(diǎn)；所述星點(diǎn)坐標(biāo)為星點(diǎn)正方形結(jié) 構(gòu)左上角的坐標(biāo)；
[0012] 所述靶標(biāo)平面直角坐標(biāo)系XOY的坐標(biāo)原點(diǎn)0為第一星點(diǎn)正方形結(jié)構(gòu)位于左上角的 頂點(diǎn)，X軸的正方向?yàn)榈谝恍屈c(diǎn)指向第二星點(diǎn)，Y軸的正方向?yàn)榈谝恍屈c(diǎn)指向第十一星點(diǎn)；
[0013] 所述的靶標(biāo)大小長度和寬度均大于300 · L。
[0014] 所述的靶標(biāo)中的第一星點(diǎn)至第一百星點(diǎn)、第一定標(biāo)線和第二定標(biāo)線透光，其余部 分不透光，透光部分與不透光部分對比度不低于100:1。
[0015] 一種利用權(quán)利要求1所述測量裝置的面陣CCD相機(jī)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的測量方法，步驟 如下：
[0016] (1)圖像采集系統(tǒng)采集靶標(biāo)圖像的同時(shí)不斷調(diào)整靶標(biāo)的位置，直至靶標(biāo)的第一定 標(biāo)線位于圖像矩陣同一列上，同時(shí)第二定標(biāo)線位于圖像矩陣同一行上，固定此時(shí)靶標(biāo)的位 置；
[0017] (2)設(shè)置面陣C⑶相機(jī)的曝光時(shí)間，使得第一星點(diǎn)至第一百星點(diǎn)在圖像中灰度值 的范圍為：[0. 5Κ，0. 6Κ];利用圖像采集系統(tǒng)采集得到P幀當(dāng)前曝光時(shí)間下的靶標(biāo)的圖像， 所述K為飽和灰度值，P為大于100的正整數(shù)；
[0018] (3)逐點(diǎn)對第X幀靶標(biāo)圖像上的星點(diǎn)i的相鄰像素點(diǎn)進(jìn)行采樣，具體為：
[0019] 令該星點(diǎn)i在圖像矩陣中的坐標(biāo)為（x，y)，則對其相鄰像素點(diǎn)（x+n，y)和（x，y+n) 進(jìn)行采樣，所述η為整數(shù)，且-N彡η彡N ;所述i為正整數(shù)，且1〈 = i〈 = 100 ;所述N為正 整數(shù)，且N彡10 ;
[0020] 采樣得到的序列長度為2N+1，其中，與星點(diǎn)i的y坐標(biāo)相同的采樣點(diǎn)灰度值序列 為Xi-N，Xi-N+l，Xi-N+2，…，Xi，Xi+l，Xi+2，…，Xi+N-l，Xi+N，與生點(diǎn)?的X坐豐不相問的木樣點(diǎn)灰度值序 列為y^+i，yi^，…，yi，y i+i，yi+2,…，yi+N-i，yi+N ;若關(guān)于星點(diǎn)i點(diǎn)對稱的采樣點(diǎn)的灰度 值相問，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，則選取該點(diǎn)序列為目標(biāo)點(diǎn)序列，進(jìn)入步驟（4);否則返回步驟（3)對下一 幀圖像進(jìn)行處理；
[0021] (4)根據(jù)面陣C⑶相機(jī)的滿阱電子數(shù)M以及圖像量化位數(shù)bs將 步驟（3)中得到的目標(biāo)點(diǎn)序列轉(zhuǎn)換為電子數(shù)序列，所述電子書序列為 …"匕，所述轉(zhuǎn)換過程具體由公式：
[0022]

【權(quán)利要求】
1. 一種星載面陣CCD相機(jī)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的測量裝置，其特征在于：包括光源系統(tǒng)（103)、 靶標(biāo)（104)、平行光管（105)、面陣CCD相機(jī)（106)和圖像采集系統(tǒng)（107); 靶標(biāo)（104)放置在平行光管（105)的焦面上，平行光管（105)與面陣CCD相機(jī)（106) 的光軸共軸放置； 光源系統(tǒng)（103)產(chǎn)生均勻光后照射在靶標(biāo)（104)上，然后經(jīng)過平行光管（105)和面陣CCD相機(jī)（106)，成像在面陣CCD相機(jī)（106)的焦面上，形成靶標(biāo)（104)的圖像，圖像采集系 統(tǒng)（107)對面陣CCD相機(jī)（106)的成像結(jié)果進(jìn)行采集和處理； 靶標(biāo)（104)包括一百個(gè)星點(diǎn)、第一定標(biāo)線（101)和第二定標(biāo)線（102)，所述一百個(gè)星點(diǎn) 分別為第一星點(diǎn)（1)至第一百星點(diǎn)（100); 第一星點(diǎn)（1)至第一百星點(diǎn)（100)形狀和尺寸均相同，且均為正方形透光孔，正方形透 光孔的邊長為標(biāo)準(zhǔn)長度L的0. 9倍；所述L= (f^/Od，其中fMl為平行光管（105)的焦 距，f?！窞槊骊嘋⑶相機(jī)（106)的焦距，d為面陣C⑶相機(jī)（106)中探測器單元間距；第一定 標(biāo)線（101)和第二定標(biāo)線（102)均為長方形透光孔，長方形透光孔的寬度為標(biāo)準(zhǔn)長度L的 〇. 9倍，長度大于標(biāo)準(zhǔn)長度L的5倍； 第一星點(diǎn)（1)至第一百星點(diǎn)（100)、第一定標(biāo)線（101)和第二定標(biāo)線（102)在靶標(biāo) (104)平面直角坐標(biāo)系XOY中的坐標(biāo)分別為： 第一定標(biāo)線（101)長方形結(jié)構(gòu)左上角的頂點(diǎn)坐標(biāo)為（-20噸，80噸）；第二定標(biāo)線（102) 長方形結(jié)構(gòu)左上角的頂點(diǎn)坐標(biāo)為（80噸，200噸）；第一星點(diǎn)（1)的坐標(biāo)為（0,0);第i星點(diǎn) 的坐標(biāo)為（a· 19. 9 ·L，b· 19. 9 ·L)，其中a為i除以10的余數(shù)部分減1，b為i除以10 的整數(shù)部分，l〈i〈l〇〇 ;第一百星點(diǎn)（100)的坐標(biāo)為（179. 1噸，179. 1噸）點(diǎn)；所述星點(diǎn)坐標(biāo) 為星點(diǎn)正方形結(jié)構(gòu)左上角的坐標(biāo)； 所述靶標(biāo)（104)平面直角坐標(biāo)系XOY的坐標(biāo)原點(diǎn)0為第一星點(diǎn)（1)正方形結(jié)構(gòu)位于左 上角的頂點(diǎn)，X軸的正方向?yàn)榈谝恍屈c(diǎn)（1)指向第二星點(diǎn)（2)，Υ軸的正方向?yàn)榈谝恍屈c(diǎn)（1) 指向第十一星點(diǎn)（11); 所述的靶標(biāo)（104)大小長度和寬度均大于300 ·L。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面陣CCD相機(jī)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的測量裝置，其特征在于：所 述的靶標(biāo)（104)中的第一星點(diǎn)（1)至第一百星點(diǎn)（100)、第一定標(biāo)線（101)和第二定標(biāo)線 (102)透光，其余部分不透光，透光部分與不透光部分對比度不低于100:1。
3. -種利用權(quán)利要求1所述測量裝置的面陣CCD相機(jī)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的測量方法，其特征 在于步驟如下： (1) 圖像采集系統(tǒng)（107)采集靶標(biāo)（104)圖像的同時(shí)不斷調(diào)整靶標(biāo)（104)的位置，直至 靶標(biāo)（104)的第一定標(biāo)線（101)位于圖像矩陣同一列上，同時(shí)第二定標(biāo)線（102)位于圖像 矩陣同一行上，固定此時(shí)靶標(biāo)（104)的位置； (2) 設(shè)置面陣CCD相機(jī)（106)的曝光時(shí)間，使得第一星點(diǎn)（1)至第一百星點(diǎn)（100)在圖 像中灰度值的范圍為：[〇. 5Κ，0. 6Κ];利用圖像采集系統(tǒng)（107)采集得到P幀當(dāng)前曝光時(shí)間 下的靶標(biāo)（104)的圖像，所述K為飽和灰度值，P為大于100的正整數(shù)； (3) 逐點(diǎn)對第X幀靶標(biāo)（104)圖像上的星點(diǎn)i的相鄰像素點(diǎn)進(jìn)行采樣，具體為： 令該星點(diǎn)i在圖像矩陣中的坐標(biāo)為（X，y)，則對其相鄰像素點(diǎn)（x+n，y)和（X，y+n)進(jìn) 行采樣，所述η為整數(shù)，且-N彡η彡N;所述i為正整數(shù)，且1〈 =i〈 = 100 ;所述N為正整 數(shù)，且N彡10; 采樣得到的序列長度為2N+1，其中，與星點(diǎn)i的y坐標(biāo)相同的采樣點(diǎn)灰度值序列為Xi,XiL1,Xi_N+2，…，Xi,xi+1,xi+2，…，Xm,xi+N，與星點(diǎn)i的X坐標(biāo)相同的采樣點(diǎn)灰度值序列為 yi_N，yi_N+i，yi-N+2,…，yi，yi+i，yi+2,…，yi+N-i，yi+N;若關(guān)于星點(diǎn)i點(diǎn)對稱的采樣點(diǎn)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，則選取該點(diǎn)序列為目標(biāo)點(diǎn)序列，進(jìn)入步驟（4);否則返回步驟（3)對下一幀圖像進(jìn)行 處理； (4) 根據(jù)面陣CCD相機(jī)（106)的滿阱電子數(shù)M以及圖像量化位數(shù)bs將 步驟（3)中得到的目標(biāo)點(diǎn)序列轉(zhuǎn)換為電子數(shù)序列，所述電子書序列為 -.C.，-C-…一-二，…，C ，=^^ XM2々s-1 給出，其中X為采樣點(diǎn)的灰度值，Xe為電子數(shù)； (5) 對步驟（4)中得到的電子數(shù)序列進(jìn)行歸一化處理，得到歸一化電子數(shù)序列后利用 高斯函數(shù)Ν(μpμ2,σσ2)進(jìn)行擬合，得到第X巾貞圖像高斯分布點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)方差σi和 0 2 ； 所述歸一化電子數(shù)序列由公式： 一Λ -瓦 / +Λ 給出，式中f為歸一化的電子數(shù)序列，^ =Σ<; -"Λ. (6) 對當(dāng)前曝光時(shí)間下P幀圖像中的每一幀圖像按照步驟（4)?步驟（5)的方法進(jìn)行 處理，得到每一幀圖像的高斯分布點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)方差，最終得到高斯分布點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)方差序 列％:和，對％:和作直方圖分布統(tǒng)計(jì)，得到直方圖序列，并將該直方圖序列擬合 得到高斯分布函數(shù)Ν(μhl,μκ，Ohl,Oh2),N(0,0,Ohl,Oh2)即為面陣CCD相機(jī)（106)的點(diǎn) 擴(kuò)散函數(shù)； (7) 利用步驟（6)中得到的面陣CCD相機(jī)（106)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)對面陣CCD相機(jī)（106) 的成像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像復(fù)原，提高遙感圖像質(zhì)量。
【文檔編號】G01M11/02GK104236859SQ201410484237
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月19日
【發(fā)明者】劉薇, 高慧婷, 何紅艷, 鮑云飛, 邢坤, 曹世翔, 江澄, 王殿中, 李巖, 李方琦 申請人:北京空間機(jī)電研究所