CN104796689A - 一种ccd像素位置偏差计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种CCD像素位置偏差计算方法，包括：在CCD表面产生一组纵向动态干涉条纹，CCD在一段时间内以固定帧频曝光产生多组纵向动态干涉条纹图像；对纵向动态干涉条纹图像进行处理，得到每个像素的输出在同一时刻所处的相位；结合纵向动态干涉条纹的移动方向计算同一时刻每个像素与第一个像素之间的相位差；利用相位差，结合CCD像素的尺寸计算得到纵向动态干涉条纹的波矢量以及所有像素的横向位置偏差；求所有像素的纵向位置偏差。本发明的方法有效地利用了动态干涉条纹数据，可以精确的计算出所有像素同一时刻的相位，从而得到高精度的像素位置偏差。

Description

一种CCD像素位置偏差计算方法

技术领域

本发明涉及星敏感器领域，特别涉及一种CCD像素位置偏差计算方法。

背景技术

星敏感器是卫星姿态测量领域的一种重要仪器，它是以恒星为参考物进行姿态测量的敏感器件，以光敏感元件为核心的光电转换测量系统。它通过测量星点像之间的角距来进行星图识别，从而根据自己相对天球上恒星的位置来确定卫星姿态。而星点像的质心定位精度是决定姿态测量精度的关键因素。

当前星敏感器中质心定位多采用高斯拟合或者直接计算重心方法完成。目前人们研究星敏感器只考虑CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)像素的量子效率和噪声的不均匀性，而没有研究CCD像素位置的不均匀性，事实上CCD像素的位置偏差对星像质心定位的精度影响较大。仿真显示，如果将CCD像素位置偏差加入到星敏感器的星点像质心计算过程中，质心定位精度能够有几倍到一个数量级的提升。因此如果能够计算出CCD像素的位置偏差，就可以在不增加星敏感器硬件资源的前提下使得其姿态测量精度提升数倍甚至一个量级，所以测量CCD像素位置偏差对于开发先进的星敏感器有着迫切需求，现有技术中还没有行之有效的方法。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术中的缺陷，从而提供一种能够得到高精度的像素位置偏差的计算方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种CCD像素位置偏差计算方法，包括：

步骤1)、在CCD表面产生一组纵向动态干涉条纹，CCD在一段时间内以固定帧频曝光产生多组纵向动态干涉条纹图像；

步骤2)、对步骤1)获得的纵向动态干涉条纹图像进行处理，得到每个像素的输出在同一时刻所处的相位；

步骤3)、利用步骤2)所得到的同一时刻所有像素的相位，结合纵向动态干涉条纹的移动方向计算同一时刻每个像素与第一个像素之间的相位差；

步骤4)、利用步骤3)所得到的相位差，结合CCD像素的尺寸计算得到纵向动态干涉条纹的波矢量以及所有像素的横向位置偏差；

步骤5)、在CCD表面产生一组横向动态干涉条纹，CCD在一段时间内以固定帧频曝光产生多组横向动态干涉条纹图像；

步骤6)、对步骤5)获得的横向动态干涉条纹图像进行处理，得到每个像素的输出在同一时刻所处的相位；

步骤7)、利用步骤6)所得到的同一时刻所有像素的相位，结合横向动态干涉条纹的移动方向计算同一时刻每个像素与第一个像素之间的相位差；

步骤8)、利用步骤7)所得到的相位差，结合CCD像素的尺寸计算得到横向干涉条纹的波矢量以及所有像素的纵向位置偏差。

上述技术方案中，所述纵向动态干涉条纹的条纹间距至少大于两倍像素间距，纵向动态干涉条纹的对比度大于0.7；纵向动态干涉条纹在CCD表面的移动速率v1，像素尺寸d，帧频f，应满足以下关系：

$\frac{2v1}{d}<f;$

所述横向动态干涉条纹的条纹间距至少大于两倍像素间距，纵向动态干涉条纹的对比度大于0.7；横向动态干涉条纹在CCD表面的移动速率v2，像素尺寸d，帧频f，应满足以下关系：

$\frac{2v2}{d}<f.$

上述技术方案中，在步骤2)与步骤6)中，采用最小二乘法拟合求得每个像素的输出在同一时刻所处的相位。

上述技术方案中，所述步骤3)包括：

用p_mn表示CCD第m行第n列的像素，表示步骤2)中得到的CCD第m行第n列像素的相位，表示CCD第m行第n列像素的实际相位；设为像素p₁₁的实际相位，即对于像素p₁₁的相邻像素p₁₂，若条纹传播方向是从p₁₁传到p₁₂的，那么由于已知与有数个周期的偏差，即结合这两个式子求出若条纹传播方向是从p₁₂传到p₁₁的，那么结合求出

求出所有像素的实际相位；

计算像素p_mn与第一个像素p₁₁间的相位差即

上述技术方案中，所述步骤4)进一步包括：

步骤4-1)、像素的相位由下面的公式决定：

其中，为像素p_mn的实际相位，分别为纵向干涉条纹波矢量的横向和纵向分量，为相位初始值，(m,n)为像素p_mn的行列值，(x_mn,y_mn)为第m行第n列的像素的实际位置坐标值；

两个像素之间的相位差与它们沿波矢量方向的距离成正比；

步骤4-2)、对于纵向干涉条纹由公式(4)得到下式：

由于(m,n)与(x_mn,y_mn)的差值很小，暂且忽略，用(m,n)来替代上式中的(x_mn,y_mn)，由公式(5)得到下式：

利用公式(6)得：

根据上式，利用步骤3)中得到的以及它的坐标(m,n)，使用最小二乘法拟合得到干涉条纹的波矢量

步骤4-3)、设像素p₁₁的位置没有偏差，即(x₁₁,y₁₁)＝(1，1)，则由公式(5)有：

由上式求得：

上式中的Δy_mn就是所要求的像素的横向位置偏差。

上述技术方案中，所述步骤8)进一步包括：

步骤8-1)、像素的相位由下面的公式决定：

其中，为像素p_mn的实际相位，分别为纵向干涉条纹波矢量的横向和纵向分量，为相位初始值，(m,n)为像素p_mn的行列值，(x_mn,y_mn)为第m行第n列的像素的实际位置坐标值；

两个像素之间的相位差与它们沿波矢量方向的距离成正比；

步骤8-2)、对于横向干涉条纹由公式(4)得到下式：

由于(m,n)与(x_mn,y_mn)的差值很小，暂且忽略，用(m,n)来替代上式中的(x_mn,y_mn)；由公式(10)得到下式：

利用公式(11)得：

根据上式，利用步骤7)中得到的横向干涉条纹每个像素与第一个像素之间的相位差以及它的坐标(m,n)，使用最小二乘法拟合得到干涉条纹的波矢量

步骤8-3)、设像素p₁₁的位置没有偏差，即(x₁₁,y₁₁)＝(1，1)，则由公式(10)有：

由上式求得：

上式中的Δx_mn就是所要求的像素的纵向位置偏差。

本发明的优点在于：

本发明的方法有效地利用了动态干涉条纹数据，可以精确的计算出所有像素同一时刻的相位，从而得到高精度的像素位置偏差，方法简单，适用于各类CCD或者图像传感器的像素位置偏差测量。利用计算出的CCD像素位置偏差，可以在不增加星敏感器硬件资源的前提下使得其姿态测量精度提升数倍到一个量级。

附图说明

图1是本发明的CCD像素位置偏差计算方法的流程图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

参考图1，本发明的CCD像素位置偏差计算方法包括以下步骤：

步骤1)、利用CCD像素位置偏差测量装置在CCD表面产生一组纵向动态干涉条纹，CCD在一段时间内以固定帧频曝光产生多组纵向动态干涉条纹图像；

步骤2)、对步骤1)获得的纵向动态干涉条纹图像进行处理，得到每个像素的输出在同一时刻所处的相位；

步骤3)、利用步骤2)所得到的同一时刻所有像素的相位，结合纵向动态干涉条纹的移动方向计算同一时刻每个像素与第一个像素之间的相位差；

步骤4)、利用步骤3)所得到的相位差，结合CCD像素的尺寸计算得到纵向动态干涉条纹的波矢量以及所有像素的横向位置偏差；

步骤5)、利用CCD像素位置偏差测量装置在CCD表面产生一组横向动态干涉条纹，CCD在一段时间内以固定帧频曝光产生多组横向动态干涉条纹图像；

步骤6)、对步骤5)获得的横向动态干涉条纹图像进行处理，得到每个像素的输出在同一时刻所处的相位；

步骤7)、利用步骤6)所得到的同一时刻所有像素的相位，结合横向动态干涉条纹的移动方向计算同一时刻每个像素与第一个像素之间的相位差；

步骤8)、利用步骤7)所得到的相位差，结合CCD像素的尺寸计算得到横向干涉条纹的波矢量以及所有像素的纵向位置偏差。

步骤4)所得到的像素的横向位置偏差与步骤8)所得到的像素的纵向位置偏差就是本发明所要计算的CCD像素位置偏差。

下面对本发明方法中的各个步骤做进一步的说明。

在步骤1)中所涉及的纵向动态干涉条纹的条纹间距至少大于两倍像素间距，纵向动态干涉条纹的对比度大于0.7。同时纵向动态干涉条纹在CCD表面的移动速率v1，像素尺寸d，帧频f，应满足以下关系：

$\frac{2v1}{d}<f$

在步骤5)中所涉及的横向动态干涉条纹的条纹间距至少大于两倍像素间距，横向动态干涉条纹的对比度大于0.7；横向动态干涉条纹在CCD表面的移动速率v2，像素尺寸d，帧频f，应满足以下关系：

$\frac{2v2}{d}<f.$

在步骤2)中，所述的对获得的动态干涉条纹数据进行处理，得到每个像素的输出在同一时刻所处的相位的步骤包括：

动态干涉条纹的强度可用如下公式描述：

$I(x,y,t)=I_1^{\mathrm{met}}+I_2^{\mathrm{met}}+2\sqrt{I_1^{\mathrm{met}}{I}_2^{\mathrm{met}}}\mathrm{Re}\left\{e^{i(k_x^{\mathrm{met}}x+k_y^{\mathrm{met}}y+\mathrm{\&Delta;\&omega;t})}\right\}---\left(1\right)$

其中I(x,y,t)为探测器平面上坐标为(x,y)的点在t时刻的光强值，分别为两根光纤在探测器平面上的光强。分别为干涉条纹波矢量的横向和纵向分量，Δω为两根光纤输出的频差。

根据上式，可以推导出如下CCD像素在动态干涉条纹照射下的输出公式：

$\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{mn}}\left(t\right)=(I_1^{\mathrm{met}}+I_2^{\mathrm{met}}){\tilde{Q}}_{\mathrm{mn}}\left(\mathrm{0,0}\right)+\\ 2\sqrt{I_1^{\mathrm{met}}{I}_2^{\mathrm{met}}}\mathrm{Re}\left\{{\tilde{Q}}_{\mathrm{mn}}(k_x^{\mathrm{met}},k_y^{\mathrm{met}})e^{i(k_x^{\mathrm{met}}{x}_{\mathrm{mn}}+k_y^{\mathrm{met}}{y}_{\mathrm{mn}}+\mathrm{\&Delta;\&omega;t})}\right\}\end{array}---\left(2\right)$

其中I_mn(t)为CCD第m行第n列的像素在t时刻的输出值，为干涉条纹波矢量的横向和纵向分量，和分别为CCD第m行第n列的像素的响应函数的傅立叶变换在(0,0)和处的值。(x_mn,y_mn)为第m行第n列的像素的实际位置坐标值。

由公式(2)可以知道：两个像素之间的相位差与它们沿波矢量方向的距离成正比。

根据上述公式，可以看出在CCD上的任一像素在动态干涉条纹的照射下输出均呈正弦曲线分布。

因此步骤2)在具体实现时，对某一个像素的输出值，由于已知输出值呈正弦曲线形状，用最小二乘法拟合求得其在某一个时刻的相位。

所述的步骤3)进一步包括：

步骤2)拟合求得的像素的相位可能与实际有数个周期的偏差，由于空间上每一点的相位是沿着波矢量方向逐渐线性递减的，可以根据条纹的移动方向对步骤2)得到的像素的相位进行校准。

由于条纹间距大于两个像素间隔，任意两个相邻像素的实际相位差不大于π。用p_mn表示CCD第m行第n列的像素，表示步骤2)中得到的CCD第m行第n列像素的相位，表示CCD第m行第n列像素的实际相位。不妨设为像素p₁₁的实际相位，即对于像素p₁₁的相邻像素p₁₂，若条纹传播方向是从p₁₁传到p₁₂的，那么由于已知与有数个周期的偏差，即结合这两个式子(即与 )，就可以求出若条纹传播方向是从p₁₂传到p₁₁的，那么同样可以求出通过上述的方法我们可以求出所有像素的实际相位。

接下来计算像素p_mn与第一个像素p₁₁间的相位差只需要将像素p_mn与第一个像素p₁₁的实际相位相减就可以了，即为了以示区别，将纵向干涉条纹的表示为

在步骤4)中，所述的利用步骤3)所得到的相位差结合CCD像素的尺寸计算得到纵向动态干涉条纹的波矢量以及所有像素的横向位置偏差的步骤包括：

步骤4-1)、像素的相位由下面的公式决定：

其中，为像素p_mn的实际相位，分别为纵向干涉条纹波矢量的横向和纵向分量，为相位初始值，(m,n)为像素p_mn的行列值，(x_mn,y_mn)为第m行第n列的像素的实际位置坐标值。

由公式(3)我们知道两个像素之间的相位差与它们沿波矢量方向的距离成正比。

步骤4-2)、对于纵向干涉条纹可由公式(4)得到下式：

由于(m,n)与(x_mn,y_mn)的差值很小，这里可以暂且忽略，用(m,n)来替代上式中的(x_mn,y_mn)。可由公式(5)得到下式：

利用公式(6)可得：

根据上式，利用步骤3)中得到的以及它的坐标(m,n)，使用最小二乘法拟合可以得到干涉条纹的波矢量

步骤4-3)、不妨设像素p₁₁的位置没有偏差，即(x₁₁,y₁₁)＝(1，1)，则由公式(5)有：

可由上式求得：

上式中的Δy_mn就是我们所要求的像素的横向位置偏差。

在步骤7)中所涉及的处理除了干涉条纹为横向干涉条纹外与步骤4)完全相同，最终可以得到横向干涉条纹每个像素与第一个像素之间的相位差

在步骤8)中，所述的利用所有像素间的相位差结合CCD像素的尺寸计算得到纵向动态干涉条纹的波矢量以及所有像素的纵向位置偏差的步骤包括：

步骤8-1)、像素的相位由下面的公式决定：

其中，为像素p_mn的实际相位，分别为纵向干涉条纹波矢量的横向和纵向分量，为相位初始值，(m,n)为像素p_mn的行列值，(x_mn,y_mn)为第m行第n列的像素的实际位置坐标值；

两个像素之间的相位差与它们沿波矢量方向的距离成正比；

步骤8-2)、对于横向干涉条纹可由公式(4)得到下式：

由于(m,n)与(x_mn,y_mn)的差值很小，这里可以暂且忽略，用(m,n)来替代上式中的(x_mn,y_mn)。可由公式(10)得到下式：

利用公式(11)可得：

根据上式，利用步骤7)中得到的以及它的坐标(m,n)，使用最小二乘法拟合可以得到干涉条纹的波矢量

步骤8-3)、不妨设像素p₁₁的位置没有偏差，即(x₁₁,y₁₁)＝(1，1)，则由公式(10)有：

可由上式求得：

上式中的Δx_mn就是我们所要求的像素的纵向位置偏差。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种CCD像素位置偏差计算方法，包括：

步骤1)、在CCD表面产生一组纵向动态干涉条纹，CCD在一段时间内以固定帧频曝光产生多组纵向动态干涉条纹图像；

步骤2)、对步骤1)获得的纵向动态干涉条纹图像进行处理，得到每个像素的输出在同一时刻所处的相位；

步骤3)、利用步骤2)所得到的同一时刻所有像素的相位，结合纵向动态干涉条纹的移动方向计算同一时刻每个像素与第一个像素之间的相位差；

步骤4)、利用步骤3)所得到的相位差，结合CCD像素的尺寸计算得到纵向动态干涉条纹的波矢量以及所有像素的横向位置偏差；

步骤5)、在CCD表面产生一组横向动态干涉条纹，CCD在一段时间内以固定帧频曝光产生多组横向动态干涉条纹图像；

步骤6)、对步骤5)获得的横向动态干涉条纹图像进行处理，得到每个像素的输出在同一时刻所处的相位；

步骤7)、利用步骤6)所得到的同一时刻所有像素的相位，结合横向动态干涉条纹的移动方向计算同一时刻每个像素与第一个像素之间的相位差；

步骤8)、利用步骤7)所得到的相位差，结合CCD像素的尺寸计算得到横向干涉条纹的波矢量以及所有像素的纵向位置偏差。

2.根据权利要求1所述的CCD像素位置偏差计算方法，其特征在于，所述纵向动态干涉条纹的条纹间距至少大于两倍像素间距，纵向动态干涉条纹的对比度大于0.7；纵向动态干涉条纹在CCD表面的移动速率v1，像素尺寸d，帧频f，应满足以下关系：

$\frac{2v1}{d}<f;$

所述横向动态干涉条纹的条纹间距至少大于两倍像素间距，纵向动态干涉条纹的对比度大于0.7；横向动态干涉条纹在CCD表面的移动速率v2，像素尺寸d，帧频f，应满足以下关系：

$\frac{2v2}{d}<f.$

3.根据权利要求1所述的CCD像素位置偏差计算方法，其特征在于，在步骤2)与步骤6)中，采用最小二乘法拟合求得每个像素的输出在同一时刻所处的相位。

4.根据权利要求1所述的CCD像素位置偏差计算方法，其特征在于，所述步骤3)包括：

用p_mn表示CCD第m行第n列的像素，表示步骤2)中得到的CCD第m行第n列像素的相位，表示CCD第m行第n列像素的实际相位；设为像素p₁₁的实际相位，即对于像素p₁₁的相邻像素p₁₂，若条纹传播方向是从p₁₁传到p₁₂的，那么由于已知与有数个周期的偏差，即结合这两个式子求出若条纹传播方向是从p₁₂传到p₁₁的，那么结合求出

求出所有像素的实际相位；

计算像素p_mn与第一个像素p₁₁间的相位差即

5.根据权利要求1所述的CCD像素位置偏差计算方法，其特征在于，所述步骤4)进一步包括：

步骤4-1)、像素的相位由下面的公式决定：

其中，为像素p_mn的实际相位，分别为纵向干涉条纹波矢量的横向和纵向分量，为相位初始值，(m,n)为像素p_mn的行列值，(x_mn,y_mn)为第m行第n列的像素的实际位置坐标值；

两个像素之间的相位差与它们沿波矢量方向的距离成正比；

步骤4-2)、对于纵向干涉条纹由公式(4)得到下式：

由于(m,n)与(x_mn,y_mn)的差值很小，暂且忽略，用(m,n)来替代上式中的(x_mn,y_mn)，由公式(5)得到下式：

利用公式(6)得：

根据上式，利用步骤3)中得到的以及它的坐标(m,n)，使用最小二乘法拟合得到干涉条纹的波矢量

步骤4-3)、设像素p₁₁的位置没有偏差，即(x₁₁,y₁₁)＝(1，1)，则由公式(5)有：

由上式求得：

上式中的Δy_mn就是所要求的像素的横向位置偏差。

6.根据权利要求1所述的CCD像素位置偏差计算方法，其特征在于，所述步骤8)进一步包括：

步骤8-1)、像素的相位由下面的公式决定：

其中，为像素p_mn的实际相位，分别为纵向干涉条纹波矢量的横向和纵向分量，为相位初始值，(m,n)为像素p_mn的行列值，(x_mn,y_mn)为第m行第n列的像素的实际位置坐标值；

两个像素之间的相位差与它们沿波矢量方向的距离成正比；

步骤8-2)、对于横向干涉条纹由公式(4)得到下式：

由于(m,n)与(x_mn,y_mn)的差值很小，暂且忽略，用(m,n)来替代上式中的(x_mn,y_mn)；由公式(10)得到下式：

利用公式(11)得：

根据上式，利用步骤7)中得到的横向干涉条纹每个像素与第一个像素之间的相位差以及它的坐标(m,n)，使用最小二乘法拟合得到干涉条纹的波矢量

步骤8-3)、设像素p₁₁的位置没有偏差，即(x₁₁,y₁₁)＝(1，1)，则由公式(10)有：

由上式求得：

上式中的Δx_mn就是所要求的像素的纵向位置偏差。