金超 閆偉

摘 要：隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)不斷的發(fā)展進(jìn)步，也在很大程度上推動(dòng)了我國(guó)光電成像領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)程，人們也逐漸增強(qiáng)對(duì)其的重視度，所以本文主要立足于光電成像系統(tǒng)當(dāng)中的性能優(yōu)化，展開(kāi)了深入的研究與分析，以此期望為我國(guó)今后在對(duì)于光電成像系統(tǒng)當(dāng)中的性能優(yōu)化問(wèn)題上，提供一些參考性的建議。

關(guān)鍵詞：光電成像；系統(tǒng)性能；實(shí)時(shí)優(yōu)化；分析總結(jié)

光電成像系統(tǒng)性能的評(píng)價(jià)所涉及的范圍是非常廣泛的，其主要涉及了：光學(xué)系統(tǒng)以及陣列探測(cè)器構(gòu)成的光電成像系統(tǒng)，而下文則主要針對(duì)于這兩個(gè)系統(tǒng)的整體性能上進(jìn)有效的優(yōu)化設(shè)計(jì)。通常來(lái)講，光電成像鏈路主要是包含了：目標(biāo)以及背景、大氣傳輸、光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器、電子線路、圖像處理、籌夠等等多方面，這些環(huán)節(jié)上也包含了光學(xué)、材料以及機(jī)械學(xué)、圖像處理等多種領(lǐng)域。

1 光電成像系統(tǒng)的物像關(guān)系概述

在基于一般的CCD相機(jī)成像系統(tǒng)的物面光強(qiáng)分布當(dāng)中，對(duì)于以及與著像面光強(qiáng)分布的之間的關(guān)系則備定義為：=。那么在此公式當(dāng)中，對(duì)于當(dāng)中，則是將其作為光學(xué)系統(tǒng)當(dāng)中的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，而則是代表著整個(gè)CCD像元間距在x，y方向的數(shù)值。那么*則是代表著整個(gè)卷積[1]。

在對(duì)于此種公式進(jìn)行傅里葉變換的過(guò)程當(dāng)中，就能夠很好的到處了像與物空間頻譜之間所存在的某種關(guān)系則公式為：那么，在此公式當(dāng)中，H則是代表著為光學(xué)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，在對(duì)于則主要是代表著CCD像元尺寸決定的CCD幾何光學(xué)的傳遞函數(shù)。針對(duì)于這兩種的乘積上，則主要是代表著光學(xué)系統(tǒng)與CCD接收器總的光電成像系統(tǒng)的傳遞函數(shù)[2]。

2 取樣定律概述

在這里設(shè)函數(shù)的截止空間頻率上為uc那么在當(dāng)像面的取樣間隔為d<1/2uc的過(guò)程當(dāng)中，站在空間頻譜的角度上來(lái)看，就沒(méi)有發(fā)生混疊的現(xiàn)象，那么也就意味著像不失真。而在當(dāng)像面的取樣間隔上為d>1/2uc的過(guò)程當(dāng)中，也是站在空間頻譜的角度上來(lái)看，就發(fā)生了一定程度上的混疊現(xiàn)象，從而導(dǎo)致了像失真問(wèn)題的發(fā)生。而這里的uc也是被稱(chēng)之為帶極限空間頻率，也稱(chēng)作奈奎斯特頻率，uc=1/2天的[3]。

3 理想光電成像系統(tǒng)的傳遞函數(shù)概述

像元尺寸主要設(shè)置為dxd的、陣列探測(cè)器，自身所形成尺寸大約為dxd的方形點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，在這針對(duì)于這點(diǎn)上來(lái)看，光學(xué)的傳遞函數(shù)，從本質(zhì)上來(lái)講也就是點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的傅里葉變化，本文將對(duì)于歸一化的空間頻率上具體設(shè)定是：為整個(gè)像元的尺寸，而探測(cè)器所自身截止空間的頻率上則是設(shè)定為1/d，u，將其黨作為沒(méi)有歸一化空間自身的頻率。那么此時(shí)探測(cè)器的集合傳遞函數(shù)則是為：

光電成像系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，也是在整個(gè)探測(cè)器以及光學(xué)系統(tǒng)當(dāng)中，占據(jù)著非常重要的地位，也是兩者在傳遞函數(shù)的主要乘積。如果探測(cè)器的傳遞函數(shù)上，將其歸一化為，那么針對(duì)于理想化的光學(xué)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的歸一化上則是為的過(guò)程當(dāng)中，那么不管是對(duì)于探測(cè)器上，還是針對(duì)于理想光學(xué)系統(tǒng)上，兩者都是具有一定程度上的相同歸一化頻率的[4]。

4 光電成像系統(tǒng)的性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

在本文當(dāng)中，所提出的主要光電成像系統(tǒng)的性能優(yōu)化目標(biāo)上，是為了能夠在最大限度上滿(mǎn)足于日常使用過(guò)程當(dāng)中所對(duì)其提出的各種要求，在此基礎(chǔ)之上，將光學(xué)與電學(xué)設(shè)計(jì)上進(jìn)行折中，從而使得整個(gè)光電成像系統(tǒng)對(duì)于自身的投資成本上以及完成的時(shí)間上得到最低的標(biāo)準(zhǔn)。

探測(cè)器的傳遞函數(shù)，通常都是會(huì)通過(guò)利用探測(cè)器自身的幾何尺寸以及電荷擴(kuò)散、轉(zhuǎn)移和位相始終等多方面的關(guān)鍵因素所決定的，光學(xué)系統(tǒng)的函數(shù)傳遞上，也主要是通過(guò)利用光學(xué)系統(tǒng)的有效設(shè)計(jì)、加工裝配、環(huán)境試驗(yàn)、像移、姿態(tài)穩(wěn)定等多方面的因素來(lái)進(jìn)行決定的。探測(cè)器影響到傳遞函數(shù)的因子上是與著光學(xué)系統(tǒng)影響傳遞函數(shù)的因子之間是不具有聯(lián)系性的，并且是各自獨(dú)立的。即兩者的系統(tǒng)上也是區(qū)分開(kāi)來(lái)的，兩者的系統(tǒng)上的傳遞函數(shù)之間相乘所得到傳遞函數(shù)，也是最終光電成像系統(tǒng)當(dāng)中的傳遞函數(shù)[5]。

本文主要先依照與理想化的光學(xué)系統(tǒng)當(dāng)中的直徑以及陣列探測(cè)器像元尺寸設(shè)置為d，那么對(duì)于理想化的光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的介質(zhì)頻率則是為1/λF，那么對(duì)于探測(cè)器自身的幾何傳遞函數(shù)的截止頻率上則顯示為1/d，一旦，直徑占據(jù)著一個(gè)像元尺寸的過(guò)程當(dāng)中，那么就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的欠采樣系統(tǒng)，也可以將其看做成為探測(cè)器受限制系統(tǒng)。在對(duì)于奈奎斯特頻率上，自身是具有較大的傳遞函數(shù)的，這樣就會(huì)在很大程度上導(dǎo)致出現(xiàn)頻譜混疊效應(yīng)的發(fā)生，這樣也會(huì)使得像失真的狀況。例如：立足于當(dāng)紅外大尺寸的像元陣列探測(cè)器自身的紅外光電成像系統(tǒng)，那么此時(shí)就能夠很好的通過(guò)增加空間采樣頻率的方式，來(lái)在很大程度上提升整個(gè)分辨率。

當(dāng)直徑是完全等同于2個(gè)像元時(shí)的傳遞函數(shù)過(guò)程當(dāng)中，也是作為一種欠采樣系統(tǒng)，這里一般的較大口徑長(zhǎng)焦距的光學(xué)系統(tǒng)當(dāng)中，主要包括了：空間心機(jī)、天文望遠(yuǎn)鏡、航空相機(jī)等一些較大口徑長(zhǎng)焦距的光學(xué)系統(tǒng)，因?yàn)樽陨聿还苁窃诩庸ぱb配方面上來(lái)看，還是在對(duì)于自身的使用環(huán)境上來(lái)看，都是受到了非常多因素條件的限制，這樣就意味著，在實(shí)際對(duì)其進(jìn)行使用的過(guò)程當(dāng)中，傳遞函數(shù)要比原本設(shè)計(jì)的數(shù)值上明顯的偏低，因此，通常都會(huì)采用這種設(shè)計(jì)方案。

當(dāng)直徑完全等同于3個(gè)像元時(shí)的傳遞函數(shù)過(guò)程當(dāng)中，通常情況來(lái)講，一些中小型的光點(diǎn)成像系統(tǒng)，是最能夠有效的滿(mǎn)足于當(dāng)直徑完全等同于3個(gè)像元時(shí)的傳遞函數(shù)過(guò)程時(shí)的采樣。那么此時(shí)的光電成像系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的位置上，就會(huì)處于在奈奎斯特頻率處，這樣的主要目的也是能夠很好的滿(mǎn)足實(shí)現(xiàn)達(dá)0.1標(biāo)準(zhǔn)所對(duì)其提出的各種要求。

當(dāng)直徑是完全等同于4個(gè)像元時(shí)的傳遞函數(shù)過(guò)程當(dāng)中，這也是作為采樣之間間隔足夠密的光學(xué)受限制系統(tǒng)，這里的光電成像系統(tǒng)自身的分辨率也在最大限度上滿(mǎn)足于達(dá)到的光學(xué)系統(tǒng)自身分辨率所對(duì)其提出的各種要求，那么在此時(shí)的奈奎斯特頻率之上的傳遞函數(shù)則明顯處于較低的狀態(tài)，完全可以忽視掉頻譜混疊效應(yīng)。在針對(duì)于一般的短焦距鏡頭配備陣列探測(cè)器的過(guò)程當(dāng)中，以及在某個(gè)實(shí)驗(yàn)室或者是一些較為良好的環(huán)境下來(lái)對(duì)光電成像系統(tǒng)進(jìn)行使用當(dāng)中，都是可以采用這種良好的設(shè)計(jì)，此外，在對(duì)于彈道相機(jī)以及星敏感器等實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程當(dāng)中，是不需要將分辨率考慮自其中的，而是要重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)于目標(biāo)的定位精度的重視度。具體做法：用目標(biāo)在不筒的像元當(dāng)中，所形成出來(lái)的灰度值，然后在合理的通過(guò)利用質(zhì)心計(jì)算，從而有效的確定好目標(biāo)自身的亞像元精度的確切位置。

5 結(jié)論

只有真正的增強(qiáng)對(duì)于光電成像系統(tǒng)的性能優(yōu)化的重視度，才能夠更好的推動(dòng)我國(guó)光電成像系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)

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[3]張發(fā)強(qiáng)，張玉發(fā)，鄧強(qiáng)，等.基于MTF的光電成像系統(tǒng)建模仿真[J].激光與紅外，2015，（5）：549-554.

[4]陳自寬，翟宏琛，母國(guó)光.光電成像系統(tǒng)中的光學(xué)傳遞函數(shù)[J].光學(xué)技術(shù)，1998，（1）：57-60，41.

[5]楊紅，康登魁，姜昌錄，等.可見(jiàn)光光電成像系統(tǒng)整機(jī)綜合參數(shù)校準(zhǔn)技術(shù)研究[J].應(yīng)用光學(xué)，2015，（2）：253-258.

（作者單位：長(zhǎng)春理工大學(xué)）