CN102914320B - 线阵ccd相机双向调制传递函数测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种线阵CCD相机双向调制传递函数测试装置及方法，线阵CCD相机双向调制传递函数测试装置包括光源、目标板、平行光管以及高精度角速率转台；待测试相机设置在高精度角速率转台上；目标板、平行光管以及待测试相机依次设置在光源的出射光路上；目标板上设置有目标板横条纹以及与目标板横条纹相互垂直的目标板竖条纹。本发明提供了一种可直接同时测得全系统MTF两个方向的系统传函数、适用范围广以及便于操作的线阵CCD相机双向调制传递函数测试装置及方法。

Description

线阵CCD相机双向调制传递函数测试装置及方法

技术领域

本发明属于光学领域，涉及一种光学相机双向调制传递函数测试装置及方法，尤其涉及一种线阵CCD相机双向调制传递函数测试装置及方法。

背景技术

线阵CCD是光学遥感中广泛应用的一种传感器，通过相机与目标的相对推扫获得目标的图像，是高分辨率光学遥感观测的重要的技术方案。线阵探测器由于只在一个方向上采集光学信号，传统的线阵CCD相机的整机系统调制传递函数（MTF）是采用带有条纹板的平行光管进行测试，通过手动精密调节条纹板的方位使条纹垂直于线阵探测器，并保证条纹大小刚好压在一个像元上，测得的只是线阵探测器方向MTF，无法测得推扫方向上的MTF，以此作为整机系统MTF，这对系统像质的评价是不全面的，特别是对存在一定像散的光学系统（子午方向和弧矢方向焦面有一定错位的系统），当线阵方向MTF最大时，推扫方向上MTF已下降较为严重。

发明内容

为了解决背景技术中在实验室不能直接测量CCD相机的推扫方向调制传递函数的不足及需手动精调才能获得线阵方向调制传递函数的不便等技术问题，本发明提供了一种可直接同时测得全系统MTF两个方向的系统传函数、适用范围广以及便于操作的线阵CCD相机双向调制传递函数测试装置及方法。

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种线阵CCD相机双向调制传递函数测试装置，其特殊之处在于：所述线阵CCD相机双向调制传递函数测试装置包括光源、目标板、平行光管以及高精度角速率转台；待测试相机设置在高精度角速率转台上；所述目标板、平行光管以及待测试相机依次设置在光源的出射光路上；所述目标板上设置有目标板横条纹以及与目标板横条纹相互垂直的目标板竖条纹。

上述目标板横条纹至少是5组；所述每组至少包括3对条纹；所述横条纹组之间的间隔是lni＝(p+i/n)×(l+l′)；其中：

所述p是任意整数；

所述i是大于等于1小于等于n的整数；

所述n是目标板横条纹的组数；

所述l是目标板上每条条纹的宽度；

所述l′是目标板上条纹与条纹之间的间隔。

上述目标板竖条纹至少是5组；所述每组至少包括3对条纹；所述横条纹组之间的间隔是lmj＝(k+j/m)×(l+l′)；

所述k是任意整数；

所述j是大于等于1小于等于m的整数；

所述m是目标板竖条纹的组数；

所述l是目标板上每条条纹的宽度；

所述l′是目标板上条纹与条纹之间的间隔。

上述目标板上每条条纹的宽度l满足

其中：

所述是平行光管的焦距；

所述是被测相机的焦距；

所述d是被测相机中的CCD像元尺寸。

上述目标板上每条条纹的宽度l与目标板上条纹与条纹之间的间隔l′是相等的。

一种线阵CCD相机双向调制传递函数测试方法，其特殊之处在于：所述测试方法包括以下步骤：

1）安置高精度角速率转台在一个隔震地基上，调节转台台面水平，旋转轴与大地垂直；

2）将被测相机安装在高精度角速率转台上，待测试相机水平安装，线阵CCD方向与转台旋转轴平行，保证前节点及重心靠近转台旋转轴；

3）将平行光管水平安置，高度与待测试相机光轴高度一致，出口方向对准转台轴线；

4）目标板安放在平行光管的焦面上，目标板的条纹方向与待测试相机探测器方向匹配，并应用光源照明；

5）高精度角速率转台及待测试相机开机工作，设置高精度角速率转台角速度及相机行频，记录图像；

6）分别选取图像中横竖两个方向最清晰的明暗条纹，分别读取明条纹的平均值及暗条纹的平均值计算得到线阵方向MTF_h和推扫方向MTF_s；

所述 ${\mathrm{MTF}}_h=\frac{\mathrm{\π}}{4}\·\frac{{\stackrel{\‾}{\mathrm{DN}}}_{\mathrm{mh}}-{\stackrel{\‾}{\mathrm{DN}}}_{\mathrm{ah}}}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{DN}}}_{\mathrm{mh}}+{\stackrel{\‾}{\mathrm{DN}}}_{\mathrm{ah}}}$

所述 ${\mathrm{MTF}}_s=\frac{1}{0.637}\·\frac{\mathrm{\π}}{4}\·\frac{{\stackrel{\‾}{\mathrm{DN}}}_{\mathrm{ms}}-{\stackrel{\‾}{\mathrm{DN}}}_{\mathrm{as}}}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{DN}}}_{\mathrm{ms}}+{\stackrel{\‾}{\mathrm{DN}}}_{\mathrm{as}}}.$

本发明提供了一种线阵CCD相机双向调制传递函数测试装置及方法，被测线阵相机安放在高精密角速率转台上，对平行光管焦面上的条纹目标板推扫成像，分别读取图像横竖两个方向上最清晰的一组明暗条纹的DN值，计算即得到整机系统双向调制传递函数。本发明解决了背景技术中推扫方向调制传递函数不能测量以及线阵方向需手动精调测量的技术问题，具有以下优点：

1、采用本发明方法后，可以直接同时测得全系统MTF两个方向的系统传函；2、本发明适用于单线阵CCD相机系统、多线阵CCD相机、单线阵TDI-CCD相机系统、多线阵TDI-CCD相机、单线阵CMOS传感器相机、多线阵CMOS传感器相机以及以其他类型单线阵探测器的相机的整机系统MTF测试；3、本发明通过更换条纹板后，适用于不同焦距和不同像元大小的光学相机整机系统MTF测试；4、本测试方法实现简单、方便，省时省力。

附图说明

图1是本发明所提供的测试装置的结构示意图；

图2是本发明所采用的目标板的结构的示意图；

图3是本发明所采用的目标板上所设置的竖条纹的结构示意图；

图4是本发明所采用的目标板上所设置的横条纹的结构示意图；

其中：

1-光源；2-目标板；3-平行光管；4-被测试相机；5-高精度角速率/位置转台；2.1-目标板竖条纹；2.2-目标板横条纹；2.1.1-第i组竖条纹组；2.1.2-第i+1竖组竖条纹组；2.2.1-第i组横条纹组；2.2.2-第i+1组横条纹组。

具体实施方式

本发明原理：采用线阵CCD推扫成像的技术方案的线阵CCD相机单帧获得的是目标一行或一列的图像，对目标推扫拍摄多帧后才能得到目标二维图像。设置一个同时具有横条纹和竖条纹的条纹板置换传统方法中的目标板，将线阵相机系统安置在转台上，通过转台的转动使目标和相机形成相对运动，保持相机的行转移周期（行频的倒数）与目标运动速率匹配，通过读取条纹像中的横竖两个方向明暗条纹的DN值，分别计算得到两个方向的MTF。

线阵CCD相机双向调制传递函数测试装置包括光源1、目标板2、平行光管3以及高精度角速率转台5；待测试相机4设置在高精度角速率转台5上；目标板2、平行光管3以及待测试相机4依次设置在光源1的出射光路上；目标板2上设置有目标板横条纹2.2以及与目标板横条纹2.2相互垂直的目标板竖条纹2.1。

参见图2、图3以及图4，目标板横条纹2.2至少是5组；每组至少包括3对条纹；例如，第i组横条纹组2.2.1以及第i+1组横条纹组2.2.2。目标板竖条纹至少是5组；每组至少包括3对条纹；例如第i组竖条纹组2.1.1以及第i+1竖组竖条纹组2.1.2。

待测试相机4安装在高精度角速率转台5上，高精度角速率转台5旋转轴线与大地垂直，安装面与大地平行，待测试相机4探测器线阵方向与高精度角速率转台5旋转轴平行，前节点及重心尽可能靠近转台旋转轴；

目标板安装在平行光管的焦面上，平行光管的轴线与相机光轴平行且在一个高度上，口径是相机口径2～5倍，焦距是相机焦距的5～10倍，目标板的竖条纹与探测器的线阵方向平行，横条纹与探测器线阵方向垂直。

转台速度角速度不确定度优于0.5%，转台速度ω与相机行频hp，满足 $\mathrm{hp}=d/(f_c^{\′}\·\mathrm{\ω});$

设平行光管的焦距被测相机的焦距CCD像元尺寸d，研制目标板，条纹板条纹宽度为

$l=\frac{f_p^{\′}}{f_c^{\′}}\·d$

横条纹设置n（≥5）组，竖条纹设置m（≥5）组，每组设置k（≥3）对条纹，条纹间隔l′＝l，横条纹组之间间隔（其中p为整数），竖条纹组之间间隔（其中k为整数）。

设转台速度ω，则相机行频hp为，

$\mathrm{hp}=\frac{d}{f_c^{\′}\·\mathrm{\ω}}$

该方法包括以下实现步骤：

获取带有横竖条纹的目标板的二维清晰图像

（ⅰ）安置高精度角速率转台在一个隔震地基上，调节转台台面水平，旋转轴与大地垂直；

（ⅱ）将被测相机安装在转台上，相机水平安装，线阵CCD方向与转台旋转轴平行，并尽量保证前节点及重心靠近转台旋转轴；

（ⅲ）将平行光管水平安置，高度与相机光轴高度一致，出口方向对准转台轴线；

（ⅳ）目标板安放在平行光管的焦面上，目标板的条纹方向与相机探测器方向匹配，并应用光源照明；

（ⅴ）转台及相机开机工作，设置转台角速度及相机行频，记录图像；

分别计算线阵方向和推扫方向的MTF

（ⅰ）选取图像中横条纹方向最清晰的明暗条纹，读取明条纹的平均值及暗条纹的平均值计算得到线阵方向MTF_h

${\mathrm{MTF}}_h=\frac{\mathrm{\π}}{4}\·\frac{{\stackrel{\‾}{\mathrm{DN}}}_{\mathrm{mh}}-{\stackrel{\‾}{\mathrm{DN}}}_{\mathrm{ah}}}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{DN}}}_{\mathrm{mh}}+{\stackrel{\‾}{\mathrm{DN}}}_{\mathrm{ah}}}$

注：调制传递函数MTF与对比传递函数CTF之间是π/4的倍率关系

（ⅱ）选取图像中竖条纹方向最清晰的明暗条纹，读取明条纹的平均值及暗条纹的平均值计算得到推扫方向MTF_s

${\mathrm{MTF}}_s=\frac{1}{0.637}\·\frac{\mathrm{\π}}{4}\·\frac{{\stackrel{\‾}{\mathrm{DN}}}_{\mathrm{ms}}-{\stackrel{\‾}{\mathrm{DN}}}_{\mathrm{as}}}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{DN}}}_{\mathrm{ms}}+{\stackrel{\‾}{\mathrm{DN}}}_{\mathrm{as}}}$

注：动态调制传递函数与静态调制传递函数之间是0.637倍率关系。

Claims (5)

1.一种线阵CCD相机双向调制传递函数测试装置，其特征在于：所述线阵CCD相机双向调制传递函数测试装置包括光源、目标板、平行光管以及高精度角速率转台；待测试相机设置在高精度角速率转台上；所述目标板、平行光管以及待测试相机依次设置在光源的出射光路上；所述目标板上设置有目标板横条纹以及与目标板横条纹相互垂直的目标板竖条纹；

所述目标板横条纹至少是5组；每组目标板横条纹至少包括3对条纹；横条纹组之间的间隔是lni＝(p+i/n)×(l+l′)；其中：

所述p是任意整数；

所述i大于等于1小于等于n的整数；

所述n是目标板横条纹的组数；

所述l是目标板上每条条纹的宽度；

所述l′是目标板上条纹与条纹之间的间隔。

2.根据权利要求1所述的线阵CCD相机双向调制传递函数测试装置，其特征在于：所述目标板竖条纹至少是5组；每组目标板竖条纹至少包括3对条纹；竖条纹组之间的间隔是lmj＝(k+j/m)×(l+l′)；

所述k是任意整数；

所述j大于等于1小于等于n的整数；

所述m是目标板竖条纹的组数；

所述l是目标板上每条条纹的宽度；

所述l′是目标板上条纹与条纹之间的间隔。

3.根据权利要求1或2所述的线阵CCD相机双向调制传递函数测试装置，其特征在于：所述目标板上每条条纹的宽度l满足l＝f′_p/f′_c·d；

其中：

所述f′_p是平行光管的焦距；

所述f′_c是被测相机的焦距；

所述d是被测相机中的CCD像元尺寸。

4.根据权利要求3所述的线阵CCD相机双向调制传递函数测试装置，其特征在于：所述目标板上每条条纹的宽度l与目标板上条纹与条纹之间的间隔l′是相等的。

5.一种基于权利要求4所述的线阵CCD相机双向调制传递函数测试装置的测试方法，其特征在于：所述测试方法包括以下步骤：

1)安置高精度角速率转台在一个隔震地基上，调节转台台面水平，旋转轴与大地垂直；

2)将被测相机安装在高精度角速率转台上，待测试相机水平安装，线阵CCD方向与转台旋转轴平行，保证前节点及重心靠近转台旋转轴；

3)将平行光管水平安置，高度与待测试相机光轴高度一致，出口方向对准转台轴线；

4)目标板安放在平行光管的焦面上，目标板的条纹方向与待测试相机探测器方向匹配，并应用光源照明；

5)高精度角速率转台及待测试相机开机工作，设置高精度角速率转台角速度及相机行频，记录图像；

6)分别选取图像中横竖两个方向最清晰的明暗条纹，分别读取明条纹的平均值 及暗条纹的平均值 计算得到线阵方向MTF_h和推扫方向MTF_s；

所述 ${\mathrm{MTF}}_h=\frac{\mathrm{\π}}{4}\·\frac{{\stackrel{\‾}{\mathrm{DN}}}_{\mathrm{mh}}-{\stackrel{\‾}{\mathrm{DN}}}_{\mathrm{ah}}}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{DN}}}_{\mathrm{mh}}+{\stackrel{\‾}{\mathrm{DN}}}_{\mathrm{ah}}}$

所述 ${\mathrm{MTF}}_s=\frac{1}{0.637}\·\frac{\mathrm{\π}}{4}\·\frac{{\stackrel{\‾}{\mathrm{DN}}}_{\mathrm{ms}}-{\stackrel{\‾}{\mathrm{DN}}}_{\mathrm{as}}}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{DN}}}_{\mathrm{ms}}+{\stackrel{\‾}{\mathrm{DN}}}_{\mathrm{as}}}.$