CN102478759A - 一种空间相机波前畸变与光轴抖动的集成测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学波前测量技术领域，提出了一种空间相机波前畸变与光轴抖动的集成测量方法。该方法通过对相关哈特曼-夏克波前传感方法在系统组成和使用模式上的改进和优化设计，使其既可测量具有高空间分辨率特征的波前畸变，亦可测量具有高频特征的光轴抖动，从而实现了空间相机波前畸变测量和光轴抖动测量的一体化。本发明对其进行的改造和优化设计主要包括：采用具有块读出功能的图像探测器以便在光轴抖动测量时提高帧频、进行波前畸变测量和光轴抖动测量时采用不同的参考子图像、对阵列透镜焦距进行优化使其满足光轴抖动探测精度要求。该方法可用于解决空间相机波前畸变与光轴抖动误差传感问题，用于实时或后续补偿，以提高系统成像质量。

Description

一种空间相机波前畸变与光轴抖动的集成测量方法

技术领域

本发明属于光学波前测量技术领域，用于空间相机波前畸变误差与光轴抖动的在轨集成探测。

背景技术

高分辨率空间相机通常具备大口径、长焦距光学系统的特征，对力、热等环境变化更为敏感。星上活动部件运动等引起的高频颤振(光轴抖动)会造成图像模糊、微观尺度上的几何畸变以及测绘精度下降，而受热不均、材料退化等低频环境因素变化会造成光学系统结构及面形变化，从而产生波前畸变并降低像质；这两类扰动往往同时作用并影响系统成像质量的，并且随着系统成像分辨率和几何定位精度的提高，影响愈发明显。

如果采用适当的在轨测量和估计手段，获取两类扰动下的成像系统状态(包括光学系统结构及面形变化、离焦、光轴指向抖动等信息)，并根据主要扰动源的特性，选择适当的方式进行在线或离线的补偿，即可获得高质量的高分辨率图像。

由于颤振与环境变化两类扰动因素分别具有“高时频、低空频”和“低时频、高空频”特性，对测量手段和补偿手段的选择具有不同的要求。基于这一特点，现有空间相机应用中一般分别针对两类扰动，采用相应的传感装置和补偿装置对两类扰动误差进行在轨实时测量和校正：

(1)在空间相机波前畸变的在线补偿校正方面，通常采用的方法是利用空间自适应光学方法的波前传感器和波前校正器共同实现波前畸变的实时校正。但该方法对成像光路改动大，尤其是波前校正器串联于成像光路中，若波前校正器或其个别致动器出现故障，将导致空间相机无法正常工作。

(2)在空间相机光轴抖动的在线补偿校正方面，通常采用微机械稳像技术来补偿高频颤振对成像质量的影响。由于要针对高频率颤振完成图像帧内的稳像，因此需要光轴偏移探测精度达到微弧度的量级；而且，为了探测较宽频率范围的颤振扰动，探测频率和补偿带宽都需要达到数百赫兹，对补偿驱动装置的动态性能要求极高，同时也使成像系统变得极其复杂。

为了减少在空间相机加入各类补偿校正装置对空间成像任务带来的不利影响，近年来国内外研究者也提出了将“测量环节与补偿环节”分离的“星上误差测量、地面图像后处理”的离线补偿方法。该方法根据在轨获得的波前畸变和光轴抖动实时测量数据，计算空间相机成像的点扩展函数，然后采用图像解卷积的方法，对图像进行复原处理。相比空间自适应光学方法和微机械稳像方法，该方法大大降低了补偿装置带来的复杂性，提高了系统可靠性。

相关哈特曼-夏克波前传感方法由于测量速度快，动态范围大，精度较高，抗噪声能力强，可靠性好，适合于波前畸变的在轨测量。近年来，国内外均有将哈特曼-夏克波前传感方法应用于空间对地观测光学系统的研究，如，美国洛伦兹国家实验室(Lisa A.Poyneer，Kai La Fortune and Carri Chan.Scene-basedwave-front sensing for remote imaging.Proc.SPIE，5162：91-102，2003.)，国内北京理工大学(胡新奇，俞信，赵达尊.目标图像结构和噪声对相关哈特曼-夏克波前传感精度的影响.光学学报，Vol.27，No.8，2007)等。

相关哈特曼-夏克波前传感方法的工作原理如图1所示。空间相机1将被观测目标成像在其焦面上，焦面图像经中继透镜3和阵列透镜4成像在图像探测器5上，阵列透镜由几十至几百个子透镜组成，在CCD上可产生几十至几百个子图像(如图2所示)，每个子图像在结构上相似，但位置上有相对偏移。空间相机焦面处放置的视场光阑2可避免子图像间的相互交叠。波前处理器6将完成CCD输出图像的处理，给出波前测量结果。

由于波前畸变探测需要较高的图像分辨率，相关哈特曼-夏克波前传感方法由于图像探测器帧频和波前处理速度的限制，都难以实现较高的测量速度，因而仅适合于具有测量慢变特征的波前畸变，而不适于测量具有快变特征的光轴抖动。

发明内容

本发明目的是：针对波前畸变误差和光轴抖动的星上测量问题，提出一种空间相机波前畸变与光轴抖动的集成测量方法(包括集成测量系统和集成测量模式)，利用一路传感器即可实现两种扰动误差的测量功能。

本发明是这样实现的：一种空间相机波前畸变与光轴抖动的集成测量方法，其中，使用了由视场光阑、中继透镜、阵列透镜、块读出型图像探测器和多功能处理器构成的探测设备；

在进行波前畸变探测时，块读出型图像探测器全帧读出，选取接近阵列图像中心位置的一子图像为参考子图像，计算各子图像相对于参考子图像的相对偏移，用于重构波前；

在进行光轴抖动探测时，利用块读出型图像探测器的块读出功能，读出部分子图像，计算各子图像在前后两个时刻内的相对位移，用于估计各时刻的光轴抖动；

如上所述的一种空间相机波前畸变与光轴抖动的集成测量方法，其中，

具体实现步骤如下：

步骤1：在地面用标准平面波对传感器零位进行标定；包括：

步骤1.1：采集一幅阵列光斑图像；

步骤1.2：计算各光斑的中心位置；

步骤2：传感器一直进行光轴抖动探测；包括：

步骤2.1：采集一幅阵列子图像；输出图像时，利用探测器的块读出功能，提高帧频；

步骤2.2：采集下一副阵列子图像，子图像的输出格式同步骤2.1；

步骤2.3：计算当前采集的一幅阵列子图像与上一副阵列子图像间的相对平移量；

步骤2.4：将子图像平移量换算为空间相机焦面图像的抖动量；

步骤2.5：重复步骤2.2、2.3、2.4，至设定时间间隔；

步骤3：步骤2进行设定时间间隔后，探测器输出一幅完整的阵列子图像，用于波前畸变信息的提取；包括：

步骤3.1：采集一幅完整的阵列子图像；

步骤3.2：选定靠近中心位置的某一子图像作为参考子图像；

步骤3.3：计算每一子图像与参考子图像间的相对位置偏差；

步骤3.4：将步骤3.3中的结果减去平面波标定时相应子图像间的位置差；

步骤3.5：将子图像偏移量换算为局部波前斜率；

步骤3.6：根据局部波前斜率拟合完整波前。

如上所述的一种空间相机波前畸变与光轴抖动的集成测量方法，其中，利用块读出型图像探测器(5)的块读出功能进行光轴抖动探测时，根据以下原则选择读出的子图像块：

A.根据光轴抖动探测速度要求，确定读出的子图像数目，探测速度要求越高，读出的子图像数目越少；

B.在满足帧频要求的条件下，读出的子图像数目尽可能多，以提高光轴抖动探测的精度；

C.由于探测器的帧频与输出图像的行数有关，与列数无关，因此，选择输出一行或多行子图像的方式。

如上所述的一种空间相机波前畸变与光轴抖动的集成测量方法，其中，兼顾探测精度要求和子图像成像系统的MTF，优化确定阵列透镜的F^#，并根据以下原则设计阵列透镜的参数：

A.阵列透镜的F_H ^#满足公式

式中N₀为总子图像数目，N为读出的子图像数目，F₀ ^#为空间相机的F^#，Δx为要求的抖动探测精度(单位是像元数)，δx为相关函数插值精度；

B.阵列透镜的F_H ^#不易太大，需考虑子透镜成像的MTF要求，使子图像有较好的对比度和足够的视场。

本发明的优点在于：

(1)本发明的集成测量装置仅利用空间相机的分光光路或成像焦面边缘视场即可实现高分辨率波前畸变测量；

(2)本发明的集成测量装置利用块读出型图像探测器的块读出功能，实现对宽频带范围内的光轴抖动的高精度探测，探测精度可达0.1像元rms，可探测到300Hz以内的高频光轴抖动；

(3)本发明的集成测量装置充分利用了两类误差的空间频率特性和时间频率特性，仅利用一路探测器，实现了空间相机波前畸变与光轴抖动的分时集成测量，测量结果可用于实时或后续补偿，以提高系统成像质量；

(4)本发明的集成测量装置由于仅采用了一路传感器，且标定方便，因而测量结果一致性好，适合于“基于波前和抖动测量的地面图像后处理方法”，大大降低了系统复杂性。

附图说明

图1为空间相机波前误差与光轴抖动集成测量方法的原理示意图；

图2为块读出型图像探测器5上得到的阵列图像示例；

图3为集成测量方法用于线阵推扫型空间相机时的相机焦面布置示意图；

图4为集成测量方法用于面阵空间相机时的相机焦面布置示意图。

其中，1.空间相机，2.视场光阑，3.中继透镜，4.阵列透镜，5.块读出型集成探测器，6.多功能处理器，7.用于光轴抖动探测时块读出的部分子图像示例，8.线阵推扫型图像探测器，9.面阵图像探测器，10.波前畸变和光轴抖动集成探测器。

具体实施方式

以下结合具体实施方式和附图对本发明做进一步的说明；

本发明是这样实现的：通过对相关哈特曼-夏克波前传感方法在系统组成和使用模式上的改进和优化设计，得到波前畸变和光轴抖动的一体化测量装置，该装置既可用于高分辨率波前畸变测量，亦可用于高频光轴抖动测量，从而可省去一路探测器，实现空间相机波前畸变与光轴抖动误差的集成测量。

本发明所指的集成测量方法在测量系统组成方面对相关哈特曼-夏克波前传感方法的改进和优化设计包括：

1.本发明的集成测量系统中的图像探测器5是具有“块读出”和“全帧读出”两种输出模式的图像探测器。许多CMOS图像探测器和部分CCD探测器具有块读出功能，其帧频与读出行数成反比。

2.本发明的集成测量系统中的波前处理器6是具有波前处理和光轴抖动处理的双重处理模式的多功能处理器，采用市场上通用的用于图像处理的处理器即可。

3.兼顾探测精度要求和子图像成像系统的MTF，优化确定阵列透镜的F^#。

(a)综合考虑遥感器口径D₀和波前传感器子孔径D_H的差别、两者成像F^#的不同、参与运算的子孔径数目N、总子孔径数目N₀以及相关处理误差δx(以波前探测器像元为单位)等因素，光轴抖动探测误差Δx(以光学遥感器像元为单位)可表示为：

$\mathrm{\Δx}=\frac{D_0}{D_H}\·\frac{{F_0}^{\#}}{{F_H}^{\#}}\·\frac{1}{\sqrt{N}}\·{\mathrm{\δ}}_x$

(1)

$=\frac{\sqrt{N_0}}{\sqrt{N}}\·\frac{{F_0}^{\#}}{{F_H}^{\#}}\·{\mathrm{\δ}}_x$

从(1)式可以看出，在其他参数确定的情况下，阵列透镜的F数F_H ^#应尽可能大，以提高光轴抖动探测精度，即：

${F_H}^{\#}\≥\frac{\sqrt{N_0}}{\sqrt{N}}\·\frac{{F_0}^{\#}}{\mathrm{\Δx}}\·{\mathrm{\δ}}_x---\left(2\right)$

(b)当阵列透镜F^#增大时，由中继透镜3、阵列透镜4、成像探测器5构成的子图像成像系统的MTF在奈奎斯特频率处会有所降低，从而降低图像对比度，不利于图像相关处理。因此在满足光轴抖动探测精度的条件下，阵列透镜的F^#不应过大。因此应兼顾探测精度要求和子图像成像系统的MTF来确定阵列透镜的F^#。

本发明所指的集成测量方法在测量模式方面对相关哈特曼-夏克波前传感方法的改进和优化设计包括：

1.根据波前畸变探测对图像分辨率要求高、对探测速度要求相对较低的特点，在进行波前畸变探测时，图像探测器5工作于全帧图像输出模式；选取接近阵列图像中心位置的某一子图像为参考子图像，计算其余各子图像相对于参考子图像的相对偏移，用于重构波前。

2.根据光轴抖动探测对探测速度要求高、对图像分辨率要求相对较低的特点，在进行光轴抖动探测时，图像探测器5工作于块图像输出模式，仅读出部分子图像(如图2中的用于光轴抖动探测时块读出的部分子图像示例7所示的一行子图像)；计算各子图像在前后两个时刻内的相对位移，用于估计各时刻的光轴抖动。

3.根据光轴抖动探测对帧频和精度的要求，选择设定图像探测器5的块读出大小。在进行图像抖动探测时，每个子图像的实际抖动量是一样的，更多的子图像参与运算时，抖动测量的误差可减少，误差与参与运算的子图像个数的开方成反比。因此，在满足帧频要求的情况下，应读出尽可能多的子图像进行运算，以提高光轴抖动探测的精度。

4.空间相机波前畸变与光轴抖动的集成测量步骤为：

步骤1：在地面用标准平面波对传感器零位进行标定。

步骤1.1：采集一幅阵列光斑图像；

步骤1.2：计算各光斑的中心位置。

步骤2：传感器一直进行光轴抖动探测。(每隔一段时间，如20分钟，插入一次波前畸变探测)。

步骤2.1：采集一幅阵列子图像。输出图像时，利用探测器的块读出功能，提高帧频。

步骤2.2：采集下一副阵列子图像，子图像的输出格式同步骤2.1；

步骤2.3：计算当前采集的一幅阵列子图像与上一副阵列子图像间的相对平移量；

步骤2.4：将子图像平移量换算为空间相机焦面图像的抖动量；

步骤2.5：重复步骤2.2、2.3、2.4，至一定时间间隔，如20分钟。

步骤3：步骤2进行一定时间后，如20分钟后，探测器输出一幅完整的阵列子图像，用于波前畸变信息的提取。

步骤3.1：采集一幅完整的阵列子图像；

步骤3.2：选定靠近中心位置的某一子图像作为参考子图像；

步骤3.3：计算每一子图像与参考子图像间的相对位置偏差；

步骤3.4：将步骤3.3中的结果减去平面波标定时相应子图像间的位置差；

步骤3.5：将子图像偏移量换算为局部波前斜率；

步骤3.6：根据局部波前斜率拟合完整波前。

步骤4：重复步骤2、步骤3。

具体应用示例1-线阵推扫型空间相机的波前畸变和光轴抖动的集成探测

推扫型空间相机的视场为线视场，焦面器件采用TDI(Time DelayIntegration)线阵图像探测器，并需多片拼接，如图3中的线阵推扫型图像探测器8所示。相机通过相对地面的快速运动，实现对地扫描成像。波前畸变及光轴抖动集成探测器器可利用其中未被用于成像探测的视场，如图3中的波前畸变和光轴抖动集成探测器10所示。

假如空间相机的F^#为10，波前畸变测量精度要求λ/20rms，光轴抖动测量精度要求0.2遥感器像元rms，光轴抖动探测帧频大于1000帧/秒，经计算，并考虑元器件的易获得性，波前畸变及光轴抖动集成探测器可采用如下参数：

视场光阑2：1.8mm×1.8mm

中继透镜3：口径8mm、焦距80mm

透镜阵列4：子透镜数目16×16、方形子透镜边长0.5mm，焦距20mm；

CCD或CMOS图像探测器5：像元数1024×1024，像元尺寸7μm×7μm，帧频100帧/秒；

波前处理器6：波前处理可由高速DSP器件实现；

抖动探测时仅读出1024×64像元(对应于16个子图像)，帧频1600帧/秒。

具体应用示例2-地球静止轨道空间相机的波前畸变和光轴抖动探测

位于地球静止轨道的卫星，仅需3颗即可实现全球覆盖，因此对于全球监视和侦察，意义显著。对于位于地球同步轨道的光学遥感卫星，由于卫星距离地面很远，要满足一定的地面分辨率，需较大口径的光学成像系统；同时，由于光轴指向的微小抖动可能产生图像的较大晃动，因此对光学系统波前畸变误差和光轴指向的稳定性都有很高的要求。

位于静止轨道的凝视型空间相机，采用面阵焦面探测器，如图4中的面阵图像探测器9所示，此时，波前畸变和光轴抖动集成探测器可利用边缘视场，如图4中的波前畸变和光轴抖动集成探测器10所示。波前传感及光轴抖动集成探测器的参数设计可参照示例1。

Claims (4)

1.一种空间相机波前畸变与光轴抖动的集成测量方法，其特征是：使用了由视场光阑(2)、中继透镜(3)、阵列透镜(4)、块读出型图像探测器(5)和多功能处理器(6)构成的探测设备；

在进行波前畸变探测时，块读出型图像探测器(5)全帧读出，选取接近阵列图像中心位置的一子图像为参考子图像，计算各子图像相对于参考子图像的相对偏移，用于重构波前；

在进行光轴抖动探测时，利用块读出型图像探测器的块读出功能，读出部分子图像，计算各子图像在前后两个时刻内的相对位移，用于估计各时刻的光轴抖动。

2.根据权利要求1所述的一种空间相机波前畸变与光轴抖动的集成测量方法，其特征是：

具体实现步骤如下：

步骤1：在地面用标准平面波对传感器零位进行标定；包括：

步骤1.1：采集一幅阵列光斑图像；

步骤1.2：计算各光斑的中心位置；

步骤2：传感器一直进行光轴抖动探测；包括：

步骤2.1：采集一幅阵列子图像；输出图像时，利用探测器的块读出功能，提高帧频；

步骤2.2：采集下一副阵列子图像，子图像的输出格式同步骤2.1；

步骤2.3：计算当前采集的一幅阵列子图像与上一副阵列子图像间的相对平移量；

步骤2.4：将子图像平移量换算为空间相机焦面图像的抖动量；

步骤2.5：重复步骤2.2、2.3、2.4，至设定时间间隔；

步骤3：步骤2进行设定时间间隔后，探测器输出一幅完整的阵列子图像，用于波前畸变信息的提取；包括：

步骤3.1：采集一幅完整的阵列子图像；

步骤3.2：选定靠近中心位置的某一子图像作为参考子图像；

步骤3.3：计算每一子图像与参考子图像间的相对位置偏差；

步骤3.4：将步骤3.3中的结果减去平面波标定时相应子图像间的位置差；

步骤3.5：将子图像偏移量换算为局部波前斜率；

步骤3.6：根据局部波前斜率拟合完整波前。

3.根据权利要求2所述的一种空间相机波前畸变与光轴抖动的集成测量方法，其特征是：利用块读出型图像探测器(5)的块读出功能进行光轴抖动探测时，根据以下原则选择读出的子图像块：

A.根据光轴抖动探测速度要求，确定读出的子图像数目，探测速度要求越高，读出的子图像数目越少；

B.在满足帧频要求的条件下，读出的子图像数目尽可能多，以提高光轴抖动探测的精度；

C.由于探测器的帧频与输出图像的行数有关，与列数无关，因此，选择输出一行或多行子图像的方式。

4.根据权利要求3所述的一种空间相机波前畸变与光轴抖动的集成测量方法，其特征是：兼顾探测精度要求和子图像成像系统的MTF，优化确定阵列透镜的F^#，并根据以下原则设计阵列透镜的参数：

A.阵列透镜的F_H ^#满足公式式中N₀为总子图像数目，N为读出的子图像数目，F₀ ^#为空间相机的F^#，Δx为要求的抖动探测精度，单位是像元数，δx为相关函数插值精度；

B.阵列透镜的F_H ^#不易太大，需考虑子透镜成像的MTF要求，使子图像有较好的对比度和足够的视场。

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