高慧婷,劉 薇,何紅艷,吳 枚
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TDI CCD靜態(tài)點擴散函數(shù)多相位刃邊測量
高慧婷1,劉 薇1,何紅艷1,吳 枚2
( 1. 北京空間機電研究所,北京 100094;2. 中國科學(xué)院高能物理研究所,北京 100076 )
點擴散函數(shù)(PSF)能夠完整表征物空間一點發(fā)出的光經(jīng)過相機系統(tǒng)在像空間的分布特性,是反映相機性能的關(guān)鍵參數(shù),也是進行圖像復(fù)原的重要依據(jù)。針對星載TDI CCD靜態(tài)PSF單一刃邊法測量時初始相位無法確定、采樣點少的問題,提出一套多相位刃邊靶標設(shè)計及數(shù)據(jù)處理方法。對多相位刃邊法和矩形靶標刃邊法靜態(tài)PSF測量進行蒙特卡洛仿真,結(jié)果表明本文提出的方法測量相對誤差小于2%,且結(jié)果穩(wěn)定,而矩形靶標單一刃邊法測量相對誤差約10%。將該方法用于高分二號全色相機的靜態(tài)PSF測試,利用雙星點靶標對結(jié)果進行驗證,證明了該方法在星載TDI CCD靜態(tài)PSF測試工程應(yīng)用中的可行性。
推掃式相機;點擴散函數(shù);多相位刃邊法
0 引 言
光學(xué)系統(tǒng)在理想狀態(tài)下,物空間一點發(fā)出的光能量在像空間也集中在一點上,但是實際的光學(xué)系統(tǒng)成像時,由于衍射和像差以及其它工藝的影響,物空間一點發(fā)出的光在像空間是分布在一定的區(qū)域內(nèi),其分布的情況稱為點擴散函數(shù)(Point Spread Function,PSF)。調(diào)制傳遞函數(shù)(Modulation Transfer Function,MTF)是PSF傅里葉變換后模值隨空間頻率的函數(shù)表達,隨著空間頻率的升高逐漸下降。MTF是反應(yīng)星載TDI CCD成像性能的重要參數(shù),但PSF更能夠完整描述相機系統(tǒng)成像性能,是空域圖像復(fù)原的根本依據(jù)[1]。
目前國內(nèi)外遙感相機實驗室性能測試主要是進行MTF測試,常用的測試方法包括有:
1) 高對比度矩形靶標法、低頻靶標法[2]:采用CTF法測量MTF,只能測量若干個頻率點對應(yīng)的MTF值,采樣點少導(dǎo)致PSF測量精度不高。優(yōu)點是測試直觀、數(shù)據(jù)處理簡單,缺點是結(jié)果依賴于靶標的位置,即靶標和CCD之間的相位關(guān)系對測量結(jié)果影響較大。
2) 斜邊刃邊靶標法[3-4]:斜邊刃邊靶標法在實驗室測試中常用于面陣CCD的實驗室MTF測試,用于TDI CCD的靜態(tài)MTF測試時需要模擬相機在軌推掃工作模式,對電機控制精度要求很高。試驗過程對于一個相對于列(或行)有微小傾角的刃邊成像,處理時沿刃邊方向逐行進行采樣,根據(jù)傾角確定相對相位信息,通過增加擬合點提高PSF測試精度??梢詼y量PSF和MTF,但初始相位無法確定。
3) 點源測試[5-7]:測量方法基于PSF的定義,相機對點光源成像,目前多用于面陣CCD的實驗室MTF測試。實驗室測試需要搭建一套復(fù)雜的測試系統(tǒng),包括點光源、準直儀、平面反射鏡、離軸拋物面反射鏡、光學(xué)隔振平臺、精密調(diào)節(jié)支架等,與其他方法相比,測試難度較大,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(nèi)成像。
本文提出一種多相位刃邊TDI CCD靜態(tài)PSF測量方法,建立了多相位刃邊法PSF測量模型,對測試精度和穩(wěn)定性進行仿真分析,通過高分二號全色TDI CCD進行了方法應(yīng)用驗證,驗證該測量方法的可靠性。
1 多相位刃邊法模型分析
相位定義為亮條刃邊在像素中的歸一化位置,則相位取值區(qū)間為[0,1],通過刃邊寬度設(shè)計控制相位,通常0.1 pixels的PSF測量精度要求刃邊條數(shù)不少于10,即刃邊條數(shù)至少為測量精度的倒數(shù)。
TDI CCD陣列方向PSF測試10刃邊多相位靶標設(shè)計如圖1所示,其中白色代表亮條,灰色代表暗條,實驗室測試TDI CCD像元陣列方向像元間距對應(yīng)在靶標處的實際寬度為。刃邊為,相鄰刃邊間距離為,設(shè)計要求是能夠相鄰兩條刃邊之間的擴散不能互相影響。設(shè)相位,則刃邊在陣列中位置為
圖1 多相位刃邊示意圖
圖2 多相位刃邊PSF原理圖
2 多相位刃邊法蒙特卡洛仿真
TDI CCD相機多相位刃邊法PSF實驗室測試影響因素有:相機衰減、擴散和圖像信噪比。靶標出射光子經(jīng)過相機衰減和PSF擴散,同時根據(jù)相機信噪比疊加光子噪聲,得到模擬觀測數(shù)據(jù),分別采用多相位刃邊法和單一刃邊法測量PSF,并與設(shè)定的真實PSF對比。
模擬實驗選取的參數(shù)如下:亮區(qū)發(fā)光強度均值為40 000個光子,暗區(qū)發(fā)光強度為800個光子,對比度50 :1,TCI CCD探測效率0.4,PSF為半高寬4.0的高斯分布,低端和高端信噪比分別為20 dB和40 dB,相關(guān)積分搜索初始相位時將像元10等分。靶標亮度剖面如圖3所示。模擬計算流程如圖4所示。
圖3 靶標亮度剖面圖
圖4 模擬計算流程圖
圖5 多相位刃邊法與單刃邊法標定ESF和PSF的模擬結(jié)果
表1 不同方法標定PSF半高寬均值和相對誤差
表1后面部分是模擬實驗的其余參數(shù)不變,低端和高端信噪比降至10 dB和20 dB的仿真結(jié)果。從表1的結(jié)果可以看出,當(dāng)噪聲增加時,多相位刃邊法標定的結(jié)果仍與設(shè)定的PSF較符合;傳統(tǒng)刃邊法標定的PSF,其擴散中心和寬度均與設(shè)定的PSF存在較大偏差。當(dāng)噪聲增加時,多相位刃邊法更具優(yōu)越性。
為了驗證多相位刃邊法的穩(wěn)定性,模擬參數(shù)不變下進行200次仿真,對PSF計算結(jié)果直方圖統(tǒng)計分析,PSF半高寬均值為3.982,置信度為95%的置信區(qū)間為(3.975 4,4.038 6),與設(shè)定PSF相對誤差優(yōu)于±1%。
多相位刃邊法和傳統(tǒng)刃邊法PSF測量精度對比模擬實驗表明,多相位刃邊法采用相關(guān)積分法可將邊界擴散區(qū)數(shù)據(jù)采樣點的位置和相位定位精度提高到亞像元,且抗噪聲干擾性較強,具有較好的穩(wěn)定性。
3 高分二號全色相機PSF地面測試試驗
3.1 試驗設(shè)備
靜態(tài)PSF測試對象為GF-2全色相機,星下點空間分辨力1 m,實驗裝置還包括氣浮平臺、1.6 m積分球、靶標、12 m平行光管、環(huán)境模擬器和圖像采集系統(tǒng)。靶標放置在平行光管的焦面上,平行光管與相機的光軸共軸放置,靶標被積分球系統(tǒng)產(chǎn)生的均勻光照亮,經(jīng)過平行光管和相機,成像在相機的焦面上,形成靶標的圖像,圖像采集系統(tǒng)對成像結(jié)果進行采集和處理。
3.2 靶標設(shè)計
試驗靶標包括多刃邊靶標和雙星點靶標。首先定義探測器單元間距對應(yīng)在靶標處的實際長度:
靶標設(shè)計圖中黑色代表透光的部分,白色代表不透光部分,透光與不透光部分對比度不低于100:1。
1) 多相位刃邊靶標:如圖6所示。多相位刃邊靶標主體由寬度為20.1、高度120的五組亮暗線對組成,滿足不同積分時間PSF測試需求。
圖6 多相位刃邊靶標設(shè)計圖
2) 雙星點靶標:如圖7所示。雙星點靶標主體由兩個正方形星點組成,邊長0.9,兩個星點之間距離1.1。雙星點共7對,對積分基線的偏移距離分別為:6、12、24、48、68、78、88,用于對相應(yīng)積分級數(shù)下的PSF計算結(jié)果進行驗證。
圖7 雙星點靶標設(shè)計圖
多相位刃邊和雙星點靶標都包含左右兩組定標線點,定標線為等腰三角形,頂角2°,底邊5,則高度為140,定標點均為長為1.8′0.9的長方形,線陣方向間距20,位于定標線外側(cè),對積分基線的偏移距離分別為、1.5和2,定標線點可以確保試驗過程中的推掃和線陣方向相位對準。
3.3 數(shù)據(jù)處理方法
數(shù)據(jù)處理中需采取以下措施消除時間和空間測量不確定性,提高測量精度:
1) 噪聲去除,消除暗電流引起的背景噪聲;
2) 非均勻校正,根據(jù)實驗室輻射定標系數(shù)消除由于探測器響應(yīng)不一致引起的條帶噪聲;
3) 多次統(tǒng)計分析,消除試驗時間誤差引入的測量不確定性;
4) 幾何校正,消除邊緣視場光學(xué)系統(tǒng)畸變的影響。
3.4 測試結(jié)果
多相位刃邊法和單一刃邊法測試PSF半高寬分別為1.708和1.79,中間暗像元歸一化值分別為0.7496和0.818,多相位刃邊法和單一刃邊法測試PSF合成雙星點成像剖面分別如圖8虛線和點劃線所示,采樣值分別如圖8中“○”和“*”所示,雙星點圖像直接采樣如圖8中“D”所示,中間暗像元歸一化值0.764 9,采樣值與多相位刃邊法和單一刃邊法合成采樣值平均相對誤差分別為18.49%和4.19%。。
圖8 雙星點采樣與PSF合成對比圖
4 結(jié) 論
為了提高TDI CCD靜態(tài)PSF測試精度,本文提出一種多相位刃邊PSF測試方法,采用基于模板匹配的初始相位搜索方法定位刃邊法初始相位,利用多刃邊邊緣提取增加采樣點個數(shù),保證實驗室PSF測試精度,仿真結(jié)果驗證了方法的可靠性和穩(wěn)定性,高分二號全色TDI CCD靜態(tài)PSF測試為該方法的工程應(yīng)用提供了借鑒。
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Static PSF of TDI-CCD Measurement with Multi-phase-knife Method
GAO Huiting1,LIU Wei1,HE Hongyan1,WU Mei2
( 1. Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China; 2. Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100076, China )
Point Spread Function (PSF) is an important parameter indicating performance of camera and the important basis for image restoration. In order to solve the problem of uncertainty of initial phase and lack of sample points with single knife-edge, a new method named multi-phase-knife is proposed including design and data processing. Simulation result of two PSF measurement methods based on Monte-Carlo method show that relative measurement error of this method is steady and fewer than 2% by contrast, and relative measurement error of single knife-edge is only about 10%. This method is used in PSF measurement of GF-2 pan-chromatic camera, and the result is validated by double-point, which provides references of engineering application for TDI-CCD PSF measurement.
TDI CCD; point spread function; multi-phase-knife method
1003-501X(2016)06-0013-06
P236
A
10.3969/j.issn.1003-501X.2016.06.003
2015-09-25;
2015-12-10
高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項基金資助項目(50-Y20A08-0508-15/16)
高慧婷(1981-),女(漢族),內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)人。工程師,碩士,主要研究工作是星載相機實驗室輻射定標技術(shù)。 E-mail:gaohuiting_1100@126.com。