低轨TDICCD相机像质地面模拟测试技术研究 下载: 620次
1 引 言
近年来,遥感技术作为一种重要的地球观测手段,在各个领域愈发起着重要的作用。为了保证特定遥感器在轨工作性能与预期指标相符,需要对其进行充分的地面测试。为此,需要一套时间延迟积分电荷耦合器件(TDICCD)相机地面模拟测试设备。
长春光机所的何煦等[1-2]研制了一套调制传递函数(MTF)测试系统,能够对成像系统的动、静态的传递函数进行测量,其使用的测量方法是鉴别率法,虽然这种方法较为简单、容易实现,但一次只能测量有限点处的MTF,而且需要根据不同的被测系统更换靶标;北京空间机电所的杨沐等[3]搭建了一套面向动中成像工作模式的地面成像试验系统,研究了光强、积分级次等因素对MTF的影响,但该系统没有实现偏流角模拟的功能,且靶标同样是鉴别率靶,具有一定的局限性;西安应用光学研究所的姜昌录等[4]研制了一套光电成像系统动态传递函数测量装置,动态MTF测量范围为 0.10~0.99,测量不确定度为 U=0.05(k=2),但是,在这套系统中没有增加对偏流角的模拟功能。
针对以上不足,本文提出了一种用于空间TDICCD相机地面模拟测试的装置,可以对相机在轨时的速高比v/h、偏流角
1 理论基础
1.1 TDICCD成像原理
TDICCD成像原理是在相机运动过程中,不同的积分级次分别对同一景物进行成像,最后将各级次的结果累加起来并输出。这种方式相当于增加了积分时间,从而提高了成像质量[5]。从该原理可知,需要不同级次所拍摄的景物保持一致才能保证输出图像的质量。诸如振动、姿态变化等因素都会对这种相机的像质造成影响。本文针对速高比v/h和偏流角
图 1. 速高比(v /h )及偏流角(θ )示意图
Fig. 1. Schematic diagram of velocity height ratio (v /h ) and deflection angle (θ )
1.2 刃边法测量原理
MTF是当前最常用、最核心的相机性能指标。成像系统可以被看作是一个空间低通滤波器,MTF则表征了该滤波器对不同空间频率的衰减程度,如图2所示。
图 2. MTF表征系统对不同频率的衰减作用
Fig. 2. MTF characterizes the attenuation effect of the system on different frequencies
刃边法是一种常用的MTF测量方法,如图3所示。该方法测量条件简单、能够较为完整地获得系统的MTF曲线,对噪声有一定的容忍度,其关键在于垂直于刃边方向的灰度变化情况的提取。
2 装置的系统组成及工作原理
所提出装置的测试系统针对一个TDICCD相机展开设计。整个系统由目标生成装置、运动装置及平行光管组成。设备工作在可见光波段,要求相机工作积分级次为32级时,测试系统在奈奎斯特频率fN处测量精度达到±0.05。整个系统的结构如图4所示。
在测试时,将被测系统置于光管前的合适位置,根据需要设置动态目标发生器的运动状态。运动的靶标经过准直系统后由被测系统成像,对成像结果进行分析,从而实现对相机性能的评估。整套系统处于大理石平台上,以减少外界对测试结果的影响。
多个光学子系统的整体传递函数满足相乘律原则[2],整个系统的MTF可以表示为各部分MTF的乘积:
由式(1)可见,任意一个环节均会对设备的MTF测量造成影响,而各个部分的影响都不可能从原理上进行消除,因此需要严格控制各个部分MTF对系统测试的贡献。为了达到精度要求,需要将总的测量精度分解到各个部分。
2.1 目标生成装置
照明系统同靶标一起构成目标生成装置,其作用是提供一个理想的目标。照明系统是用来对靶标进行均匀、明亮照明的装置,它的照明均匀性会直接影响系统MTF的测量。综合考虑常用的照明方式之后,本文选择了双排复眼照明系统[6],该方法是目前最有效的匀光手段,通常可以实现很高的照明均匀性[7]。
照明系统的结构如图5所示。采用Tracepro软件的10000万条光线仿真结果如图6所示。照明均匀度公式为:
式中:
靶标是被测光学系统成像的目标。根据所采用的测量方法不同,靶标的图案也不同。本文主要使用刃边靶进行测试。刃边靶标如图7所示,这种靶标制作简单、使用方便。为了提高测量精度,在测量时通常采用倾斜刃边法的方法[8-12]。由于靶标的加工工艺成熟,且所需的图案简单,故可忽略靶标对测量结果的影响。
2.2 四维运动平台
为了实现TDICCD的成像及目标生成装置与准直系统光轴的对准,本文设计了一个四维运动平台,其结构如图8所示。
在图8中,位移台1是一个水平位移台,靶标固定在这个平台上。位移台1可以在垂直于光轴方向的水平面内匀速运动,实现被摄目标与相机之间的相对运动。相机像面处TDICCD的扫描速度在某行频下为
式中:
在TDI方向,速度不匹配所造成的MTF可以由下式计算[13-15]:
式中:
图 9. 不同级数、速度失配时引起的TDI方向的MTF
Fig. 9. MTF in TDI direction caused by different stages and speed mismatch
位移台2用于实现偏流角的产生,均匀光源被固定在位移台2上。位移台2可以围绕着平行光管的光轴所在直线旋转,其作用是实现实际成像过程中偏流角的模拟。卫星在特定轨道飞行时,偏流的变化范围大概在在±3°,同时考虑到未来增加其适用范围,将转台角度的变化范围选择为±14°。
偏流角在垂直于TDI方向上造成的MTF可表示为[13, 16]:
偏流角在TDI方向上造成的MTF可被表示为:
图10为根据式(5)、(6)所得的仿真结果。由图10可见,偏流角θ主要影响的是垂直TDI方向上的MTF,在TDI方向上虽然也有影响,但一般可以忽略。
图 10. 不同积分级次、不同偏流角对TDI方向及垂直TDI方向MTF的影响
Fig. 10. Effects of different integration levels and different bias angles on MTF in TDI direction and vertical TDI direction
位移台3可以沿着光轴方向运动,从而将靶标移动到平行光管的焦面位置。在实际场景中,只需要移动到允许的焦深范围ΔZ内即可,焦深范围ΔZ可被表示为:
式中
位移台4是一个升降台,可以实现靶标上下位置的调整,并且需要在相机装调时对靶标的条纹与TDICCD进行像素级对准,可表示为:
式中:
根据以上分析、测量精度要求及现有条件,对各位移台的精度选择如表1所示。
表 1. 四维位移台的参数选择
Table 1. Parameter selection of 4D translation stage
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2.3 光学准直系统
光学准直系统是用来产生无穷远目标的设备。为了测量的准确性,平行光管的焦距至少应为被测系统的2~5倍[17]。考虑到被测系统的焦距,本文选择了一个焦距值为7500 mm,口径为400 mm的离轴抛物平行光管,其结构如图11所示。
图12为实测的平行光管在的轴上及轴外波前图像,其RMS小于
图 12. 平行光管波前测试结果(轴上、轴外)
Fig. 12. Wavefront test results of collimator tube (on-axis, off-axis)
图13为平行光管实际轴上MTF与理论MTF。可以看到,该平行光管的MTF曲线已经接近衍射极限,修正后在系统奈奎斯特频率fN处对测试结果的MTF影响大概在0.98左右。
2.4 精度分析
对以上各部分的影响做一个总结,如表2所示。
表 2. TDI级数为32时系统各部分在奈奎斯特频率fN处对结果的影响
Table 2. The influence of each part of the system over the result at the Nyquist frequency when the TDI level is 32
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可见其在奈奎斯特频率fN处的影响在0.95左右,精度满足了设计要求。
3 实验结果及分析
在实验测量过程中,首先将被测相机放置在平行光管前的合适位置,调节四维调整台使得靶标处于恰当的位置。调节位移台1速度使之与TDI速度相匹配,使用被测系统进行图像采集。受限于测试条件,本次实验主要在行频为1000 Hz、积分级次为8级时进行,采集到的图像如图14所示。
对刃边图样进行MTF计算,在其奈奎斯特频率fN范围内得到的曲线如图15所示。
在
图16是TDI级次为8级时、速度失配分别为±10%、±20%时所获得的图像。
此时由于实际的采样间隔的变化,获得的图像相对于速度匹配图像存在明显的几何畸变,在计算MTF时要加以修正。计算所得的MTF曲线如图17所示。
不同情况下8级TDI时在空间频率f为27.71 lp/mm处的MTF值以及由速度失配引起的MTF及其理论值如以表3所示, 可见其实测值与理论值相符。
表 3. 8级TDI时速度失配引起的MTF与理论值的对比
Table 3. Comparison of MTF theoretical value and actual value caused by velocity mismatch at 8-level TDI
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图18显示了无偏流角θ时与存在偏流角θ时TDI方向上的MTF,两者保持一致,与之前的理论分析结果一致。偏流角θ对TDI方向上的像质影响不大。
图 18. 有无偏流角时获得的图像及TDI方向的MTF
Fig. 18. The image obtained with or without drift angle and the MTF in the TDI direction
4 结 论
本文提出了一种对微结构TDICCD相机动态MTF地面模拟的测试装置,针对TDICCD的成像特点,设计了相应的结构,实现了对相机在轨运行时速高比v/h及偏流角θ这两个主要因素的模拟。其中照明系统采用双排复眼的结构,靶面处照明不均匀度优于2%。四维位移台各方向均根据需求选定了对应的精度。平行光管轴上波前小于
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