CN111586403B - 一种红外空间相机静态传递函数测试系统及测试方法 - Google Patents
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Abstract
一种红外空间相机静态传递函数测试系统及测试方法，涉及空间光学领域，解决现有中波/长波红外空间光学相机静态传函测试中存在较大误差的问题，MTF测试系统由黑体辐射源、靶标组件和红外平行光管组成，黑体辐射源前带有小于100K低温挡板，在测试MTF过程中，先将靶标组件切换为低空间频率靶标，获得物方调制度；再将靶标组件切换为奈奎斯特频率靶标，获得像方调制度；然后将黑体辐射源前的低温档板遮挡黑体，靶标组件切换至通孔靶标状态，获得图像用于计算平行光管和相机光学系统热辐射产生的灰度值；利用上述获得图像数据计算红外相机的MTF。本发明精确测试了物方调制度，客观获取MTF真实值，能更客观的评价空间相机成像质量。
Description
技术领域
本发明涉及空间光学领域，具体涉及一种红外空间相机静态传递函数测试系统及测试方法。
背景技术
随着空间光学遥感器的发展，中波或长波红外空间相机(简称“红外空间相机”)的口径逐渐由0.5m增大到1m，1.5m，甚至大于2.0m量级，红外空间相机的MTF测试是评价其成像性能的重要技术指标，因此在其研制过程中和交付验收前都要进行MTF测试，红外空间相机受实验室热辐射的影响较大，特别是为减少光机系统热辐射对成像性能的影响，光机系统的温度一般低于零度，因此红外空间相机的MTF测试需要在真空低温环境下进行。目前主要采用黑体辐射照明平行光管焦面处的三线靶标，黑体产生高温热辐射，通过靶标上的矩形孔入射到平行光管内，靶标上的矩形条的温度相对较低，自身产生低辐射，经过平行光管和红外相机后获取对应的靶标图像，利用图像计算图像对比度传函(CTF)，利用关系式MTF＝π/4*CTF，在该测试过程中，没有扣除平行光管和空间相机自身的热辐射，默认物方调制度为1.0，因此测试结果偏差较大。
发明内容
本发明为了解决现有中波/长波红外空间光学相机静态传函测试中存在较大误差的问题，提供一种具有低温挡板的黑体作为辐射源，利用红外靶标和低温平行光管组成的红外空间相机MTF测试系统和测试方法。该测试系统能有效测试物方调制度，并有效扣除平光光管和空间相机热辐射影响，能更客观评价空间相机成像性能。
一种红外空间相机静态传递函数测试系统，由设置在真空低温环境模拟装置内的黑体辐射源、靶标组件和红外平行光管组成；
所述靶标组件放置在红外平行光管焦面处；在所述靶标组件包括通光孔靶标，低空间频率靶标和奈奎斯特频率靶标，分别用于测试红外平行光管和红外空间相机光学系统热辐射，物方调制度和像方调制度；
所述通光孔靶标、低空间频率靶标和奈奎斯特频率靶标均为圆形，且具有相同的尺寸；所述红外空间相机一个尺寸为p的像元，所对应的平行光管焦面处的尺寸为d，通光孔靶标为所述具有边长大于等于50d正方形的外切圆；所述低空间频率靶标的通光区在圆形靶标的右半区域内，宽度大于等于25d，与左半区域的实心区域，构成低空间频率靶标；
所述奈奎斯特频率靶标由n组靶条组成，所述n≥5；每组靶条由三个通孔靶条和四个实心靶条组成，每个通孔靶条或实心靶条的宽度均为d，长度大于等于10d，相邻两组靶条的距离为(1-1/n)d或(1+1/n)d；
所述黑体辐射源发出的均匀辐射光源照明靶标组件上对应的靶标，再经过红外平行光管转换为平行光束，入射到红外空间相机内，所述红外空间相机获取对应的靶标图像，利用获得的靶标图像计算红外空间相机的静态传函MTF。
一种红外空间相机静态传递函数测试方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一、打开黑体辐射源中真空低温黑体前端的低温挡板，将靶标组件切换为低空间频率靶标，所述黑体辐射源发出的均匀辐射光源照明低空间频率靶标，再经过红外平行光管转换为平行光束，入射到红外空间相机内，获得低空间频率靶标图像，调整黑体辐射源的温度，使得低空间频率靶标上通光孔对应的靶标图像不饱和；
步骤二、保持黑体辐射源的温度不变，将靶标组件切换为奈奎斯特频率靶标，所述黑体辐射源发出的均匀辐射光源照明奈奎斯特频率靶标，再经过红外平行光管转换为平行光束，入射到红外空间相机内，获得奈奎斯特频率靶标图像；
步骤三、将靶标组件切换为通孔靶标，将黑体辐射源前面的低温挡板切入光路，获取通光孔靶标图像；
步骤四、根据步骤三获得通光孔靶标图像中的均匀区域计算像元平均灰度值Yc，所述平均灰度值为红外平行光管和红外空间相机热辐射产生的灰度值；
步骤五、根据步骤一获得的低空间频率靶标图像，计算通光区域的像元平均灰度值Ya以及实心区域的像元平均灰度值Yb，获得红外空间相机入瞳处的物方调制度Mo，用下式表示为：
步骤六、在步骤二获得的奈奎斯特频率靶标图像中选取最清晰的一组靶标，相邻通孔靶条和实心靶条中相邻像元的灰度值，分别记为Xa、Xb，计算相邻像元的像方调制度MI；用下式表示为：
计算红外空间相机的静态传函MTF，用公式表示为：
选取其中的最大值作为红外空间相机静态传函测试结果。
本发明的有益效果：
本发明针对目前红外空间相机实验室静态传函测试问题，提供一种有效测试物方调制度，扣除平光光管和空间相机热辐射的红外相机MTF测试系统及方法。该测试系统能有效测试物方调制度，该方法能有效测试红外相机的MTF，客观评价红外相机的成像性能。
本发明采用一种利用带有低温挡板的黑体辐射源、带有三种靶标的靶标组件，结合红外平行光管，在真空低温环境下进行红外相机MTF测试的系统及方法，有效扣除了平行光管和空间相机光学系统的热辐射，精确测试了物方调制度，有效提升红外相机MTF测试精度，且能更为客观的评价空间相机成像质量。在未来空间光学相机研制及检测过程广泛应用。具有广泛的工程应用前景。
附图说明
图1为本发明所述的一种红外空间相机静态传递函数测试系统的构成图；
图2为本发明所述的一种红外空间相机静态传递函数测试系统中靶标组件构成示意图；
图3为空间相机获得的三种靶标图像示意图；
图4为本发明所述的奈奎斯特频率靶标的放大图。
图中：1、黑体辐射源，1-1、真空低温黑体，1-2、低温挡板，2、靶标组件，3、红外平行光管，4、红外空间相机，5、真空低温环境模拟装置，
2-1、通光孔靶标，2-2、低空间频率靶标，2-3、奈奎斯特频率靶标，2-4、靶标固定件，2-5、左右平移机构，2-6、前后平移机构，3-1、通光孔靶标图像，3-2、低空间频率靶标图像，3-3、奈奎斯特频率靶标图像。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1至图4说明本实施方式，一种红外空间相机静态传递函数测试系统，由设置在真空低温环境模拟装置5内的黑体辐射源1、靶标组件2和红外平行光管3组成，且均能在真空低温环境下工作。其中黑体辐射源1前带有可开合的工作温度小于100K低温挡板，在红外平行光管3焦面上放置靶标组件2，在靶标组件2上，安装三种靶标，分别为通光孔靶标2-1，低空间频率靶标2-2和奈奎斯特频率靶标2-3，分别用于测试平行光管和空间相机光学系统热辐射、物方调制度和像方调制度；红外平行光管3在真空低温环境下保持稳定的工作状态。如图1所示，在真空低温环境模拟装置5内，黑体辐射源1发出的均匀辐射照明靶标组件2上对应的靶标(如图2所示)，再经过红外平行光管3转换为平行光束，入射到红外空间相机4内，红外空间相机4获取对应的靶标图像。利用靶标图像计算空间相机的静态传函MTF。
本实施方式中，所述红外平行光管3口径不小于红外空间相机4的口径，平行光管3的焦距不小于红外空间相机4焦距的3倍。黑体辐射源1由真空低温黑体1-1和低温挡板1-2组成，在工作过程中，所述真空低温黑体1-1的温度在150K～450K范围内可调；低温挡板1-2的工作温度小于100K，产生的辐射亮度非常小，几乎为零。真空低温黑体1-1的有效辐射面大于等于通光孔靶标2-1；低温挡板1-2辐射面大于真空低温黑体1-1的辐射面。所述真空低温环境模拟装置5为测试系统提供真空度小于1E-3Pa，热沉温度小于100K的真空低温工作环境。
如图2所示，结合图2说明本实施方式，圆形的为靶标，具有相同尺寸白色区域为通光孔，黑色区域为具有高发射率涂层且厚度小于0.1mm的金属板；通光孔靶标2-1、低空间频率靶标2-2、奈奎斯特频率靶标2-3均安装在靶标固定件2-4上，在靶标位置安装位置具有角度调整机构，用于调整靶标装置方向，靶标固定件2-4安装在左右移动机构2-5上，实现三种靶标的切换；左右移动结构机构2-5再安装至前后移动结构机构2-6上，实现靶标在红外平行光管3焦面处的微小位移调整。按测试系统和空间相机光学系统的成像物像关系，计算空间相机4中一个尺寸为p的像元，所对应的平行光管3焦面处的尺寸为d，通光孔靶标2-1为具有边长大于等于50d正方形；低空间频率靶标2-2的通光区在圆形靶标的右半区域内，宽度不小于25d，长度不小于50d，与左半区域的实心靶标，构成低空间频率靶标。
所述奈奎斯特频率靶标2-3中的靶条图形图4所示由n(n≥5)组靶条组成，每组靶条由三个通孔靶条和四个实心靶条组成，靶条的宽度为d，长度不小于10d，相邻两组靶条的距离为(1-1/n)d或者(1-1/n)d。三种靶标均为相同的材料制成，面向平行光管3内部一侧具有高发射率，在真空低温环境模拟装置中，均具有相同的温度和发射率。
具体实施方式二、结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的一种红外空间相机静态传递函数测试系统的测试方法，在MTF测试时，首先将靶标组件切换为低空间频率靶标2-2，设置真空低温黑体1-1温度使得通光孔对应的图像灰度值不饱和，获取低空间频率靶标图像；
保持真空低温黑体1-1温度不变，切换为奈奎斯特频率靶标2-3，获取奈奎斯特频率靶标图像；
然后切换为通孔靶标2-1，将黑体辐射源前面的低温挡板1-2切入光路，将低温档板1-2遮挡真空低温黑体1-1，获取通光孔靶标图像。
结合图3说明本实施方式，利用通光孔靶标图像3-1中的均匀区域计算像元平均灰度值Yc，该平均灰度值为平行光管和相机光学系统热辐射产生的灰度值。
利用低空间频率靶标图像3-2中，通光区靶条对应的图像中，选取中间均匀区域图像，计算像元平均灰度值Ya，在实心区域图像内选取同样的区域，计算像元平均灰度值Yb，由此计算空间相机入瞳处的物方调制度
利用奈奎斯特频率靶标图像3-3中选取最清晰的一组靶标，相邻通光靶条和实心靶条中相邻像元的灰度值，分别记为Xa、Xb，分别计算相邻像元的像方调制度
利用公式
计算传函，选取其中的最大值，作为红外空间相机4的静态传函。
Claims (6)
1.一种红外空间相机静态传递函数测试系统，由设置在真空低温环境模拟装置(5)内的黑体辐射源(1)、靶标组件(2)和红外平行光管(3)组成；其特征是：
所述靶标组件(2)放置在红外平行光管(3)焦面处；在所述靶标组件(2)包括通光孔靶标(2-1)，低空间频率靶标(2-2)和奈奎斯特频率靶标(2-3)，分别用于测试红外平行光管(3)和红外空间相机(4)光学系统热辐射，物方调制度和像方调制度；
所述通光孔靶标(2-1)、低空间频率靶标(2-2)和奈奎斯特频率靶标(2-3)均为圆形，具有相同尺寸；所述红外空间相机(4)中一个尺寸为p的像元，所对应的平行光管(3)焦面处的尺寸为d，通光孔靶标(2-1)为具有边长大于等于50d正方形；所述低空间频率靶标(2-2)的通光区在圆形靶标的右半区域内，宽度大于等于25d，长度大于等于50d，与左半区域的实心区域，构成低空间频率靶标；
所述奈奎斯特频率靶标(2-3)由n组靶条组成，所述n≥5；每组靶条由三个通孔靶条和四个实心靶条组成，每个通孔靶条或实心靶条的宽度均为d，长度大于等于10d，相邻两组靶条的距离为(1-1/n)d或(1+1/n)d；
所述黑体辐射源(1)发出的均匀辐射光源照明靶标组件(2)上对应的靶标，再经过红外平行光管(3)转换为平行光束，入射到红外空间相机(4)内，所述红外空间相机(4)获取对应的靶标图像，利用获得的靶标图像计算红外空间相机(4)的静态传函MTF；
具体的测试方法为：
步骤一、打开黑体辐射源(1)中真空低温黑体(1-1)前端的低温挡板(1-2)，将靶标组件(2)切换为低空间频率靶标(2-2)，所述黑体辐射源(1)发出的均匀辐射光源照明低空间频率靶标(2-2)，再经过红外平行光管(3)转换为平行光束，入射到红外空间相机(4)内，获得低空间频率靶标图像，调整黑体辐射源(1)的温度，使得低空间频率靶标(2-2)上通光孔对应的靶标图像不饱和；
步骤二、保持黑体辐射源(1)的温度不变，将靶标组件(2)切换为奈奎斯特频率靶标(2-3)，所述黑体辐射源(1)发出的均匀辐射光源照明奈奎斯特频率靶标(2-3)，再经过红外平行光管(3)转换为平行光束，入射到红外空间相机(4)内，获得奈奎斯特频率靶标图像；
步骤三、将靶标组件(2)切换为通孔靶标(2-1)，将黑体辐射源前面的低温挡板(1-2)切入光路，获取通光孔靶标图像；
步骤四、根据步骤三获得通光孔靶标图像中的均匀区域计算像元平均灰度值Yc，所述平均灰度值为红外平行光管(3)和红外空间相机(4)热辐射产生的灰度值；
步骤五、根据步骤一获得的低空间频率靶标图像，计算通光区域的像元平均灰度值Ya以及实心区域的像元平均灰度值Yb，获得红外空间相机(4)入瞳处的物方调制度Mo，用下式表示为：
步骤六、在步骤二获得的奈奎斯特频率靶标图像中选取最清晰的一组靶标，相邻通光靶条和实心靶条中相邻像元的灰度值，分别记为Xa、Xb，计算相邻像元的像方调制度MI；用下式表示为：
计算红外空间相机的静态传函MTF，用公式表示为：
选取其中的最大值作为红外空间相机(4)静态传函测试结果。
2.根据权利要求1所述的一种红外空间相机静态传递函数测试系统，其特征在于：
所述黑体辐射源(1)由真空低温黑体(1-1)和低温挡板(1-2)组成，真空低温黑体(1-1)的前端设置低温挡板(1-2)，所述真空低温黑体(1-1)的温度在150K～450K范围内可调；所述低温挡板(1-2)的工作温度小于100K，根据使用需要遮挡或不遮挡真空低温黑体(1-1)；真空低温黑体(1-1)的有效辐射面大于等于通光孔靶标(2-1)；低温挡板(1-2)辐射面大于真空低温黑体(1-1)的辐射面。
3.根据权利要求1所述的一种红外空间相机静态传递函数测试系统，其特征在于：所述真空低温环境模拟装置(5)为测试系统提供真空度小于1E-3Pa，热沉温度小于100K的真空低温工作环境。
4.根据权利要求1所述的一种红外空间相机静态传递函数测试系统，其特征在于：
所述通光孔靶标(2-1)、低空间频率靶标(2-2)和奈奎斯特频率靶标(2-3)均安装在靶标固定件(2-4)上，在靶标安装位置具有角度调整机构，用于调整靶标方向，将靶标固定件(2-4)安装在左右移动机构(2-5)上，实现三种靶标的切换；将左右移动结构(2-5)再安装到前后移动机构(2-6)上，实现靶标在平行光管(3)焦面处的位移调整。
5.根据权利要求1所述的一种红外空间相机静态传递函数测试系统，其特征在于：
所述通光孔靶标(2-1)、低空间频率靶标(2-2)和奈奎斯特频率靶标(2-3)的材料相同，厚度均小于0.1mm，在真空低温环境模拟装置(5)中，均具有相同的温度和发射率。
6.根据权利要求1所述的一种红外空间相机静态传递函数测试系统，其特征在于：
所述红外平行光管(3)的口径大于红外空间相机(4)入光口，焦距大于红外空间相机(4)焦距3倍。
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