CN107796595A - 低温光学系统能量集中度测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温光学系统能量集中度测试系统及方法，该系统包括：真空低温模拟设备：包括真空罐、真空平行光管和光学窗口，关罐后抽真空充液氮，为试验提供真空低温环境；光学系统：包含低温镜头、支撑结构、冷屏及工装底板和背景冷屏等产品和设备，含各产品和设备的热控实施设备；探测器组件：含探测器杜瓦组件、视频处理器及制冷机组件，并配套相应控制单位及数据采集设备；面源黑体及针孔靶标：置于真空罐外，提供了点目标的辐射信号等。本发明有效解决了低温下光学系统能量集中度测试问题，取得了方法合理、操作可行、简单方便、适应性强、可推广应用的有益效果。

Description

低温光学系统能量集中度测试系统及方法

技术领域

本发明涉及一种测试系统及方法，特别是涉及一种低温光学系统能量集中度测试系统及方法。

背景技术

光学遥感器是卫星等航天器的重要组成部分，航天光学遥感器采用光学系统将收集的地球或空间电磁辐射聚焦到探测器上，为进一步提升光学遥感器探测性能，目前先进的光学系统将采用低温光学技术，将光学镜头制冷到更低的温度水平，以降低光机辐射，提高遥感器探测灵敏度和动态范围，能量集中度是衡量光学系统成像质量的重要指标，能量集中度越大，表明光学系统对入射光的聚焦能力越强，像质越高，对设计生产的低温光学系统，需要通过真空低温下的镜头像质测试来验证成像性能，常温常压下的光学系统能量集中度测试一般采用干涉仪设备直接进行测量，方法成熟，但真空低温下的光学系统能量集中度测试存在困难：首先测试仪器和设备必须能耐受真空低温环境，常温常压下的测试仪器设备须进行改造；真空低温测试时，制冷设备工作引起的微振动会引起成像质量降低，导致图像模糊影响指标测试结果；此外，光学系统能量集中度需要配合光学遥感器的探测器展开试验，在工程实践中，探测器作为长周期产品，其研制进度往往落后于光学镜头，导致光学系统指标测试时参试的探测器并非最终状态的探测器，需研究提出一种低温条件下的光学系统能量集中度测试方法，如何实现对低温下光学系统能量集中度测试，目前未发现公开发表的类似技术的说明或报告，也尚未收集到国内外类似的资料。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种低温光学系统能量集中度测试系统及方法，其有效解决了低温下光学系统能量集中度测试问题，取得了方法合理、操作可行、简单方便、适应性强、可推广应用的有益效果。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种低温光学系统能量集中度测试系统，低温光学系统能量集中度测试系统包括：

真空低温模拟设备：包括真空罐、真空平行光管和光学窗口，关罐后抽真空充液氮，为试验提供真空低温环境；

光学系统：包含低温镜头、支撑结构、冷屏及工装底板与背景冷屏产品和设备，含各产品和设备的热控实施设备；

探测器组件：含探测器杜瓦组件、视频处理器及制冷机组件，并配套相应控制单位及数据采集设备；

面源黑体及针孔靶标：置于真空罐外，提供了点目标的辐射信号，通过平行光管准直进入真空罐低温光学镜头聚焦到探测器焦面上；

多维调整台：对位置和方位进行微调，用于控制点目标信号落于探测器像元中心形成清晰像。

本发明目的的另一方面，提供一种低温光学系统能量集中度测试方法，低温光学系统能量集中度测试方法包括以下步骤：

步骤一，常温常压环境下，调整固定真空罐内各产品、设备和工装相对位置，安装探测器在多维调整台上；

步骤二，常温常压环境下，调整测试光学系统光路，测试并记录平行光管焦面理论位置；

步骤三，常温常压环境下，对各设备和产品上电测试，确认工作状态正常；

步骤四，常温常压环境下，面源黑体加温并使用针孔靶标，开启探测器测试，调整焦面位置，利用转台轴向移动调整探测器轴向位置，并径向调整探测器位置将点像调整到面阵居中位置，至使成像最为清晰，记录常温常压下最佳焦面位置和调整台三个平移轴的坐标；

步骤五，关闭各测试设备电源，关罐抽真空充液氮，降温至低温镜头温度稳定至预设温度；

步骤六，面源黑体加温并使用针孔靶标，开启探测器成像测试，控制多维调整台微调探测器轴向位置和径向相位，将点像调整到探测器像元中心位置附近，至使成像最为清晰，采集图像，同时遮住针孔靶标辐射信号，收集背景图像；

步骤七，按步骤六重复收集多组成像数据，每次测试时，采集针孔靶标信号在像平面上不同投影位置处的图像；

步骤八，对采集的各组图像数据，进行基于最小二乘准则粒子群优化的数据处理，计算能量集中度，统计真空低温光学系统能量集中度测试结果；

步骤九，测试设备断电，真空罐回温。

优选地，所述真空低温模拟设备模拟真空低温环境，光学系统固定置放于真空罐内，调试光路使其光轴与真空平行光管的光轴重合，采取热控措施将低温镜头维持在预设温度范围，采用面源黑体和针孔靶标提供点目标辐射信号，采用小尺寸像元的探测器组件接收点目标辐射信号通过光学系统后的能量并形成图像。

优选地，所述探测器组件固定置放于真空罐的多维调整台上，测试时，通过微调多维调整台的位置和方位，当探测器组件获得的点目标成像最为清晰时采集图像，直接从点源靶标图像粗略计算中心像元能量集中度。

优选地，所述真空低温模拟设备采用二维高斯函数模拟光学系统点扩散函数，结合像元能量积分计算模型，基于最小二乘准则构建数据拟合目标函数，采用粒子群优化算法最小化目标函数，精确估计出点目标在像平面的亚像元位置和点扩散函数模型参数，进而计算光学系统在不同尺寸、不同布局探测器条件下的能量集中度。

本发明的积极进步效果在于：综上所述，本发明有效解决了低温下光学系统能量集中度测试问题，取得了方法合理、操作可行、简单方便、适应性强、可推广应用的有益效果。

附图说明

图1为本发明低温光学系统能量集中度测试系统的组成结构示意图。

图2为本发明低温光学系统能量集中度测试技术的流程图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明低温光学系统能量集中度测试系统包括：

真空低温模拟设备：包括真空罐、真空平行光管和光学窗口，关罐后抽真空充液氮，为试验提供真空低温环境；

光学系统：包含低温镜头、支撑结构、冷屏及工装底板与背景冷屏产品和设备，含各产品和设备的热控实施设备；

探测器组件：含探测器杜瓦组件、视频处理器及制冷机组件，并配套相应控制单位及数据采集设备；

面源黑体及针孔靶标：置于真空罐外，提供了点目标的辐射信号，通过平行光管准直进入真空罐低温光学镜头聚焦到探测器焦面上；

多维调整台：对位置和方位进行微调，用于控制点目标信号落于探测器像元中心形成清晰像。

如图2所示，本发明低温光学系统能量集中度测试方法包括以下步骤：

步骤一，常温常压环境下，调整固定真空罐内各产品、设备和工装相对位置，安装探测器在多维调整台上；

步骤二，常温常压环境下，调整测试光学系统光路，测试并记录平行光管焦面理论位置；

步骤三，常温常压环境下，对各设备和产品上电测试，确认工作状态正常；

步骤四，常温常压环境下，面源黑体加温并使用针孔靶标，开启探测器测试，调整焦面位置，利用转台轴向移动调整探测器轴向位置，并径向调整探测器位置将点像调整到面阵居中位置，至使成像最为清晰，记录常温常压下最佳焦面位置和调整台三个平移轴的坐标；

步骤五，关闭各测试设备电源，关罐抽真空充液氮，降温至低温镜头温度稳定至预设温度；

步骤六，面源黑体加温并使用针孔靶标，开启探测器成像测试，控制多维调整台微调探测器轴向位置和径向相位，将点像调整到探测器像元中心位置附近，至使成像最为清晰，采集图像，同时遮住针孔靶标辐射信号，收集背景图像；

步骤七，按步骤六重复收集多组成像数据，每次测试时，采集针孔靶标信号在像平面上不同投影位置处的图像；

步骤八，对采集的各组图像数据，进行基于最小二乘准则粒子群优化的数据处理，计算能量集中度，统计真空低温光学系统能量集中度测试结果；

步骤九，测试设备断电，真空罐回温。

所述真空低温模拟设备模拟真空低温环境，光学系统固定置放于真空罐内，调试光路使其光轴与真空平行光管的光轴重合，采取热控措施将低温镜头维持在预设温度范围，采用面源黑体和针孔靶标提供点目标辐射信号，采用小尺寸像元的探测器组件接收点目标辐射信号通过光学系统后的能量并形成图像。

所述探测器组件固定置放于真空罐的多维调整台上，测试时，通过微调多维调整台的位置和方位，当探测器组件获得的点目标成像最为清晰时采集图像，直接从点源靶标图像粗略计算中心像元能量集中度。

所述真空低温模拟设备采用二维高斯函数模拟光学系统点扩散函数，结合像元能量积分计算模型，基于最小二乘准则构建数据拟合目标函数，采用粒子群优化算法最小化目标函数，精确估计出点目标在像平面的亚像元位置和点扩散函数模型参数，进而计算光学系统在不同尺寸、不同布局探测器条件下的能量集中度。

本发明的工作原理如下：采用真空低温模拟设备模拟真空低温环境，光学系统置放于罐内的测试转台上，调试光路其光轴与真空平行光管光轴重合，采取热控措施使低温镜头维持在预设温度范围，采用面源黑体及点靶标提供点目标辐射信号，采用小尺寸像元面阵探测器接收点目标辐射信号通过光学系统后的能量并形成图像，从图像数据粗略计算出中心像元能量集中度，面阵探测器置固定放于罐内的精密多维调整台，测试时，调整探测器轴向位置，并微调径向相位，使点目标辐射信号落于像元中心附近，当点目标成像最为清晰时，采集图像，根据点源靶标图像粗略计算中心像元能量集中度，为抑制噪声、克服测试过程微振动及目视点目标投影位置误差的影响，采用二维高斯函数模拟光学系统点扩散函数，结合像元能量积分计算模型，基于最小二乘准则构建图像数据拟合目标函数，采用收集的图像数据，以粒子群优化算法最小化目标函数，精确估计出点目标在像平面的亚像元位置和点扩散函数模型参数，并推广到对不同尺寸、不同布局的面阵探测器条件下光学系统能量集中度测试应用中，由于测试中存在充液氮、制冷机等振动源和噪声影响，且目视的点目标成像最为清晰时存在位置误差，直接采用中心像元亮度值除于邻域内各像元亮度值总和的方法，难以精确测试能量集中度，此外，测试中所采样的探测器，其尺寸和布局与最终技术状态的探测器存在一定差异，需要对采集的图像数据进行进一步数据处理，数据处理的思路，对点目标的成像链路进行建模，利用采集的图像数据，基于最小二乘准则粒子群优化方法拟合出成像模型各参数，最后基于成像模型计算出光学系统能量集中度；光学点扩散函数，光学系统对热射光线的模糊扩散效应使点目标在像平面的响应扩散到邻近像元，描述这种效应的概念是点扩散函数，假设点目标在像平面的投影坐标为(x_i,y_j)，则点扩散函数依公式(1)计算，

式中，(x,y)为像平面任意位置坐标，σ_x、σ_y分别为点扩散函数在两个方向的标准差；像元离散采样，面阵像平面由多个具有相同尺寸像元组成，像元中心(x_c,y_c)，能量集中度是与σ_x、σ_y密切相关的一个物理概念，指当目标点落于像元中心位置时，该像元所捕获到的目标能量百分比，σ_x、σ_y与能量集中度确定，如公式(2)，

将点扩散函数在像元上积分可得到该像元对点目标的响应，如公式(3)，

图像噪声，各像元噪声独立，服从零均值方差的高斯分布，如公式(4)，

成像模型，面阵探测器由u_max×v_max像元组成，点目标在像平面的投影坐标为(x_i,y_j)，像平面的目标响应Z，如公式(5)，

Z＝GS+N……(5)

式中，Z为u_maxv_max维测量列向量(采集的图像数据)，G为导向向量，为u_maxv_max维，各元素依式(3)计算，S为目标辐射强度向量，N为噪声列向量，基于最小二乘准则的目标函数，基于式(5)成像模型，构建基于最小二乘准则的目标投影位置和点扩散函数标准差估计的目标函数，如公式(6)，

f＝||Z-GS||²＝Z^TZ-2^ZTGS+S^TG^TGS……(6)

将式(6)对S求导并置为零，可得公式(7)，

S＝(G^TG)^-1G^TZ……(7)

将式(7)代入式(6)，得到新的目标函数，如公式(8)，

f_obj＝Z^TG(G^TG)^-1G^TZ……(8)

基于最小二乘准则的模型拟合表达如公式(9)，

式中，θ为待估计参数向量，其中x_i、y_i分别为点目标x方向、y方向的投影坐标位置，最优化目标函数求解模型参数，公式(9)为多维非线性目标函数的最优化数学问题，本发明采用粒子群优化算法进行求解，粒子群优化算法模拟鸟群觅食过程，通过群体中个体间的信息交流共享、合作竞争产生的群智能指导优化搜索过程，为全局最优算法，且对初始估计位置不敏感，能有效实现高维非线性复杂问题的最优化求解，粒子群优化算法已有成熟的算法及求解软件；能量集中度的解算，通过粒子群优化算法拟合出成像模型参数，获得二维高斯模型点扩散函数的σ_x、σ_y后，针对探测器不同布局和尺寸参数Δx、Δy、Δx_g、Δy_g，采用公式(2)计算能量集中度，针对一组图像数据，经过数据处理估计出点扩散函数后，对成像的重构与实测图像的比对，可以看出，重构的图像与实测图像基本一致，表明所采用的成像模型和模型参数估计与实测数据匹配，表1为本发明的测试结果，

表1光学系统点扩散函数模型标准差与能量集中度计算统计结果表

指标(Δx×Δy)	第1组	第2组	第3组	第4组	第5组	平均值
							EOD(30um×30um)	0.7373	0.6957	0.7217	0.6915	0.7416	0.7176
EOD(35um×40um)	0.8634	0.8390	0.8528	0.8304	0.8691	0.8509
							EOD(40um×40um)	0.9020	0.8743	0.8922	0.8716	0.9053	0.8891

表2为采用能量集中度定义直接计算的方法测试结果，

表2光学系统点扩散函数模型标准差与能量集中度计算统计结果

指标(Δx×Δy)	第1组	第2组	第3组	第4组	第5组	平均值
							EOD(30um×30um)	0.6432	0.6318	0.6385	0.6243	0.6664	0.6408

对比表1、表2，有如下结论，一，相比表2的测试方法，本发明测试方法测试的能量集中度数值更大，这是由于表2的测试方法没有考虑到微振动、图像噪声和点目标投影位置误差的影响，导致能量集中度降低，两种方法能量集中度的测试结果相差百分之六点六八；二，本发明可推广到对不同尺寸、不同布局探测器下低温光学集中度的测试，而表2的测试方法仅能测试配套探测器条件下的能量集中度。

综上所述，本发明有效解决了低温下光学系统能量集中度测试问题，取得了方法合理、操作可行、简单方便、适应性强、可推广应用的有益效果。

以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种低温光学系统能量集中度测试系统，其特征在于，低温光学系统能量集中度测试系统包括：

真空低温模拟设备：包括真空罐、真空平行光管和光学窗口，关罐后抽真空充液氮，为试验提供真空低温环境；

光学系统：包含低温镜头、支撑结构、冷屏及工装底板与背景冷屏产品和设备，含各产品和设备的热控实施设备；

探测器组件：含探测器杜瓦组件、视频处理器及制冷机组件，并配套相应控制单位及数据采集设备；

面源黑体及针孔靶标：置于真空罐外，提供了点目标的辐射信号，通过平行光管准直进入真空罐低温光学镜头聚焦到探测器焦面上；

多维调整台：对位置和方位进行微调，用于控制点目标信号落于探测器像元中心形成清晰像。

2.如权利要求1所述的低温光学系统能量集中度测试系统，其特征在于，所述真空低温模拟设备模拟真空低温环境，光学系统固定置放于真空罐内，调试光路使其光轴与真空平行光管的光轴重合，采取热控措施将低温镜头维持在预设温度范围，采用面源黑体和针孔靶标提供点目标辐射信号，采用小尺寸像元的探测器组件接收点目标辐射信号通过光学系统后的能量并形成图像。

3.如权利要求1所述的低温光学系统能量集中度测试系统，其特征在于，所述探测器组件固定置放于真空罐的多维调整台上，测试时，通过微调多维调整台的位置和方位，当探测器组件获得的点目标成像最为清晰时采集图像，直接从点源靶标图像粗略计算中心像元能量集中度。

4.如权利要求1所述的低温光学系统能量集中度测试系统，其特征在于，所述真空低温模拟设备采用二维高斯函数模拟光学系统点扩散函数，结合像元能量积分计算模型，基于最小二乘准则构建数据拟合目标函数，采用粒子群优化算法最小化目标函数，精确估计出点目标在像平面的亚像元位置和点扩散函数模型参数，进而计算光学系统在不同尺寸、不同布局探测器条件下的能量集中度。

5.一种低温光学系统能量集中度测试方法，其特征在于，低温光学系统能量集中度测试方法包括以下步骤：

步骤一，常温常压环境下，调整固定真空罐内各产品、设备和工装相对位置，安装探测器在多维调整台上；

步骤二，常温常压环境下，调整测试光学系统光路，测试并记录平行光管焦面理论位置；

步骤三，常温常压环境下，对各设备和产品上电测试，确认工作状态正常；

步骤四，常温常压环境下，面源黑体加温并使用针孔靶标，开启探测器测试，调整焦面位置，利用转台轴向移动调整探测器轴向位置，并径向调整探测器位置将点像调整到面阵居中位置，至使成像最为清晰，记录常温常压下最佳焦面位置和调整台三个平移轴的坐标；

步骤五，关闭各测试设备电源，关罐抽真空充液氮，降温至低温镜头温度稳定至预设温度；

步骤六，面源黑体加温并使用针孔靶标，开启探测器成像测试，控制多维调整台微调探测器轴向位置和径向相位，将点像调整到探测器像元中心位置附近，至使成像最为清晰，采集图像，同时遮住针孔靶标辐射信号，收集背景图像；

步骤七，按步骤六重复收集多组成像数据，每次测试时，采集针孔靶标信号在像平面上不同投影位置处的图像；

步骤八，对采集的各组图像数据，进行基于最小二乘准则粒子群优化的数据处理，计算能量集中度，统计真空低温光学系统能量集中度测试结果；

步骤九，测试设备断电，真空罐回温。