CN112903256B - 一种遥感卫星光学系统在轨成像性能评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种遥感卫星光学系统在轨成像性能评估方法，通过在遥感卫星光学系统的入瞳或实出瞳处切入子孔径掩膜板，并采用相位复原波前感知法获取每个子孔径的波前误差信息，再利用子孔径‑全孔径数值计算方法重构系统全孔径波前误差，实现定量的评价遥感卫星的成像性能。本发明克服了相位复原波前感知法的原理限制，即相位复原法利用的快速离散傅里叶变换工具采用的标量衍射理论对于小焦比遥感系统的失真，同时也克服了对于一些小焦比遥感系统点扩散函数欠采样带来的相位复原失准问题。通过子孔径掩膜的设置，每个子孔径的焦距与系统相同，口径变小，子孔径焦比增大，可保证其适用于相位复原波前感知法。

Description

一种遥感卫星光学系统在轨成像性能评估方法
技术领域
本发明涉及一种遥感卫星光学系统在轨成像性能评估方法，特别涉及一种小焦比遥感卫星光学系统的在轨成像性能评估方法，属于遥感卫星光学成像技术领域。
背景技术
现有性能评估一般通过在轨图像的感性判别作为依据，只有定性的评估。对于遥感系统的用户而言，鲜有客观的评价方式对遥感器研制单位进行考核。
空间主动光学系统一般包括波前感知系统与波前控制系统。波前控制系统则由具备六自由度调整能力的次镜与变形镜构成。在轨主动光学的正常实施需要准确的全孔径低阶波前相位信息指导六自由度机构与变形镜机构的调整。波前感知系统一般采用相位复原法，相位复原法也是航天遥感领域最为可靠的波前感知方法。
快速傅里叶的正逆迭代变换是相位复原法的核心环节之一。快速傅里叶变换是对光学系统远场衍射的近似表达，它采用了标量衍射理论，这要求：光线与像面接近垂直关系、像面位于光束远场、且光线非常接近于像点的几何中心。上述前提条件使得快速傅里叶变换在小焦比系统(快镜)、像面倾斜系统以及大像差系统中存在较大的模型偏差。根据标量衍射理论，快速傅里叶变换对于焦比小于等于1.5的小像差系统开始出现显著的模型偏差。相位复原法在实际应用中需要较大的离焦量，并时常需要处理像差较大的情形，因此对于焦比小于3的系统，就需谨慎使用相位复原法。
空间红外遥感系统为提升红外信号探测能力，合理耦合光学系统与像元尺寸，一般采用小焦比设计；同时，随着可见光大面阵小像元探测器的逐渐成熟，小焦比可见光凝视遥感系统也因视场大、体积小、质量轻成为论证热点。这两类系统一般难以采用相位复原法进行波前感知，在轨无可靠的定量性能评估方法。
目前处于研制阶段的遥感系统的口径已到3～6米量级，随着口径的增大，发射振动环境，天地重力环境不一致，以及复杂多变的热环境对遥感器影响的不确定性迅速提升。按照国际惯例，口径超过2m量级的空间遥感系统就要考虑主动光学系统设计。主动光学的实施需要遥感器的波前信息为保障，因此小焦比遥感系统迫切需要在轨性能定量化的评估方法。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服相位复原法波前感知技术无法应用于小焦比光学系统的不足，提供了一种遥感系统在轨性能的评估方法，实现小焦比遥感系统在轨性能定量评估的问题，同时为该类系统在轨主动光学实施提供了保障。
本发明解决技术的方案是：一种遥感卫星光学系统在轨成像性能评估方法，该方法包括如下步骤：
s1、在被评估遥感卫星光学系统入瞳前端或者实出瞳处放置子孔径掩膜板，子孔径掩膜板垂直于被评估遥感卫星光学系统主光轴，所述子孔径掩膜板设有N个子孔径，所述N个子孔径分别与被评估遥感卫星光学系统构成子孔径光学系统，子孔径光学系统的焦距与被评估遥感卫星光学系统的焦距相同；子孔径系统焦比不小于被评估遥感卫星光学系统，保证子孔径光学系统能够利用相位复原法进行波前感知，N大于等于3；
s2、选取一颗自然恒星作为点源信标，调整被评估遥感卫星轨道指向姿态，使遥感卫星光学系统的主光轴指向于该自然恒星点源信标；
s3、将被评估遥感卫星光学系统的调焦机构调整到被评估遥感卫星光学系统焦前位置，透过子孔径掩膜板对点源信标进行焦前曝光，探测器得到焦前图像；
s4、将被评估遥感卫星光学系统的调焦机构调整到被评估遥感卫星光学系统焦后位置，透过子孔径掩膜板对点源信标进行焦后曝光，探测器得到焦后图像；所述焦前图像和焦后图像中均包含N个孔径对应的点扩散函数图像；
s5、根据焦前图像和焦后图像中与每个子孔径相关的一对点扩散函数图像，以及每个子孔径光学系统的光瞳透过率函数，利用相位复原法，计算每个子孔径光学系统的波前误差，共得到N个子孔径光学系统的波前误差；
s6、根据N个子孔径光学系统的波前误差，利用子孔径-全孔径数值计算方法重构被评估遥感卫星光学系统的波前误差，并根据被评估遥感卫星光学系统的波前误差，定量的评价遥感卫星光学系统的成像性能。
所述步骤s3中焦前位置到被评估遥感卫星光学系统的最佳焦面位置的距离，大于子孔径光学系统的5倍焦深。
所述步骤s4中焦后位置到被评估遥感卫星光学系统的最佳焦面位置的距离，大于子孔径光学系统的5倍焦深。
所述被评估遥感系统为小焦比遥感系统，其焦比小于3。
所述光瞳透过率函数通过如下方法获取：
s5.1、遥感卫星在地面测试阶段，在光学系统焦后插入准直光学系统将焦后波面从球面波转为平面波，并调整成像探测器的位置，使成像探测器对平面波进行成像；
s5.2、模拟星点信标：将点光源放置在平行光管焦点位置，点光源发出的光，通过平行光管后转换为平行光；
s5.3、将遥感卫星光学系统的光轴与平行光管光路对准，在遥感卫星光学系统的光路中插入子孔径掩膜板，子孔径掩膜板中的N个子孔径分别与被评估遥感卫星光学系统构成步骤s1所述的子孔径光学系统；
s5.4、调整遥感系统的指向，成像探测器采集待标定特征视场光线透过子孔径掩膜板后的焦面强度信号，通过对焦面强度信号进行归一化处理后即可同时获得N个子孔径光学系统该待标定特征视场的光瞳透过率函数；
s5.5、重复s5.4，获得N个子孔径光学系统各待标定特征视场的光瞳透过率函数。
所述子孔径的设置以子孔径面积与子孔径掩膜板面积之比尽量大、子孔径覆盖的范围尽量大、均匀分布为原则来确定。
优选地，在步骤s2和s3之间增加如下步骤：
在被评估遥感系统光学系统光路中切入带宽滤光片，带宽滤光片的中心波长λmid满足如下条件：
λmid≥p/Fsub
其中p为像面像元尺寸，Fsub为子孔径光学系统焦比，即系统焦距f与子孔径直径d之比值。
所选择的自然恒星的能量密度峰值对应的谱段尽可能与滤光片中心波长λmid接近。
所述曝光时间以焦前图像和焦后图像最亮点超过探测器的2/3满井电子数但不过曝为最佳。
离焦量Δd与子孔径光学系统焦比Fsub、滤光片中心波长λmid相关，具体关系为：
Figure BDA0002952503240000041
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)、本发明通过在遥感系统入(出)瞳处设置子孔径掩膜板，提高子孔径焦比，保证子孔径可利用相位复原法进行波前感知，同时采用全口径波前重构法定量化评估小焦比遥感系统的在轨性能，解决了定量化评估小焦比遥感系统在轨性能的问题：本发明则通过设置子孔径掩膜板破除了相位复原法在短焦比系统的原理限制。
(2)、当在轨遥感系统成像不理想时，若能提供系统的波前信息，即可很大程度上帮助遥感系统设计问题的定位，为同类型遥感系统的设计提供经验。因此，本发明为空间小焦比遥感系统研制提供基础数据，促进同类产品研制水平的提升。
(3)、本发明提供的方法恰可提供准确的全孔径低阶波前信息，为在轨主动光学实施提供了保障。
附图说明
图1为本发明实施例小焦比遥感系统在轨性能评估方法流程图；
图2为本发明实施例小焦比遥感系统在轨性能评估过程示意图；
图3为本发明实施例子孔径掩膜板示意图；
图4为本发明实施例探测器在焦前获取的离焦子孔径PSF图像示意图；
图5为本发明实施例探测器在焦后获取的离焦子孔径PSF图像示意图；
图6为本发明实施例子孔径相位复原法波前感知示意图；
图7为本发明实施例全孔径波前重构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明一种遥感卫星光学系统在轨成像性能评估方法，所述被评估遥感系统为小焦比遥感系统，其焦比小于3。该方法利用子孔径掩模板，主动构造焦比满足相位复原波前感知法适用范围的子孔径光学系统，通过自然星信标的离焦图像与预先标定的光瞳透过率函数复原出各子孔径光学系统的波前误差，并通过子孔径-全孔径数值计算方法，计算全孔径的波前误差信息，进而定量评估遥感系统的在轨成像性能。
如图1和图2所示，本发明提供的一种遥感卫星光学系统在轨成像性能评估方法，该方法包括如下步骤：
s1、在被评估遥感卫星光学系统入瞳前端或者实出瞳处放置子孔径掩膜板3，子孔径掩膜板3垂直于被评估遥感卫星光学系统主光轴，所述子孔径掩膜板3设有N个子孔径，所述N个子孔径分别与被评估遥感卫星光学系统构成子孔径光学系统，子孔径光学系统的焦距与被评估遥感卫星光学系统的焦距相同；子孔径系统焦比不小于被评估遥感卫星光学系统，保证子孔径光学系统能够利用相位复原法进行波前感知，N大于等于3，如图3所示；
子孔径掩膜板放置在遥感器光学系统1实出瞳处的优点是子孔径掩膜板尺寸小且在遥感系统探测器4上的各视场投影基本一致，但部分光学系统在光学设计构型中并未引入实出瞳设计。
子孔径掩膜板放置在小焦比遥感器光学系统1的入瞳前端的优点是便于机构设计，可将子孔径掩膜板3放置在遥感系统外罩热门机构附近，热门机构根据遥感器热工况需要频繁开合，子孔径掩膜板3放置在热门机构附近可较容易实现子孔径掩膜板3的切入与切出。
由于遥感卫星的光学系统作为全孔径系统与子孔径系统焦距一致，子孔径7尺寸d与全孔径6尺寸D即决定了全孔径系统焦比与子孔径系统焦比的关系，当子孔径掩膜板3放置在光学系统入瞳前端时，全孔径尺寸D与遥感系统入瞳尺寸一致；为保证相位复原法的复原精度，子孔径光学系统焦比应不小于3；子孔径7数量可因子孔径7的尺寸而改变，为提高子孔径-全孔径波前重构精度，所述子孔径7的设置以子孔径面积与子孔径掩膜板面积之比尽量大、子孔径7覆盖的范围尽量大、均匀分布为原则来确定。本发明某一具体实施例孔径掩膜板3包括4个子孔径，以孔径掩膜板3放置在入瞳处为例，子孔径为十字均布构型。
s2、选取一颗自然恒星作为点源信标，调整被评估遥感卫星轨道指向姿态，使遥感卫星光学系统的主光轴指向于该自然恒星点源信标；
自然恒星的选择需要考虑其光谱类型与光谱能量密度，自然恒星的能量密度峰值对应的谱段应尽可能与滤光片中心波长λmid接近，该谱段内的能量密度越高，遥感系统所需曝光时间越短，遥感系统的视轴稳定代价越小，但也需要避免过曝。
优选地，在本步骤s2和下一个步骤s3之间可以增加如下步骤：
在被评估遥感系统光学系统光路中切入带宽滤光片5，带宽滤光片5的中心波长λmid满足如下条件：
λmid≥p/Fsub
其中p为像面像元尺寸，Fsub为子孔径光学系统焦比，即系统焦距f与子孔径直径d之比值。带宽滤光片5的带宽Δλ与相位复原的精度相关，一般在满足Δλ/λmid＜0.1时，相位复原法的效果最佳。
所选择的自然恒星的能量密度峰值对应的谱段尽可能与滤光片中心波长λmid接近。
s3、将被评估遥感卫星光学系统的调焦机构调整到被评估遥感卫星光学系统焦前位置，透过子孔径掩膜板3对点源信标进行焦前曝光，探测器4得到焦前图像8；
优选地，所述焦前位置到被评估遥感卫星光学系统的最佳焦面位置的距离，大于子孔径光学系统的5倍焦深，以保证通过焦前图像所采集的点扩散函数图像有相位复原波前感知法计算所需的足够细节。
s4、将被评估遥感卫星光学系统的调焦机构调整到被评估遥感卫星光学系统焦后位置，透过子孔径掩膜板3对点源信标进行焦后曝光，探测器4得到焦后图像9；
优选地，所述焦后位置到被评估遥感卫星光学系统的最佳焦面位置的距离，大于子孔径光学系统的5倍焦深，以保证通过焦后图像所采集的点扩散函数图像有相位复原波前感知法计算所需的足够细节。
离焦拍摄点源信标的PSF图像可为PSF的细节提供足够的信噪比，离焦量的指定与遥感系统的光学参数、预期像差都有关联，须综合考虑。
优选地，所述曝光时间以焦前图像8和焦后图像9最亮点超过探测器4的2/3满井电子数但不过曝为最佳。
优选地，离焦量Δd与子孔径光学系统焦比Fsub、滤光片中心波长λmid相关，具体关系为：
Figure BDA0002952503240000071
在实际实施中步骤s3和步骤s4可能需要多次迭代，以期找到最佳离焦量与曝光策略。
所述焦前图像8和焦后图像9中均包含N个孔径对应的点扩散函数图像；由于焦前与焦后子孔径像面投影成对称关系，因此PSF图像也呈现焦前-焦后对称分布的特点，即图4中的10与图5中的16、图4中的12与图5中的14、图4中的11与图5中的17、图4中的13与图5中的15是对于四个子孔径的四对PSF，四对PSF可分别计算出四个子孔径的波前误差，例如图4中的13与图5中的15可计算出子孔径的波前误差20。
s5、根据焦前图像8和焦后图像9中与每个子孔径相关的一对点扩散函数图像，以及每个子孔径的光瞳透过率函数，利用相位复原法计算每个子孔径光学系统的波前误差(见图6)，共得到N个子孔径光学系统的波前误差；
由于子孔径掩膜版3与光学系统实际入瞳有一定距离，对于非中心视场，子孔径掩膜板在像面投影会发生偏移，需要对每个子孔径光学系统光瞳透过率函数进行标定以克服因掩模板放置位置与实际光瞳位置的偏差产生的斜入射光线相对于正入射光线的投影偏差带来的相位复原波前感知法精度下降问题，标定得到的每个子孔径光学系统的光瞳透过率函数将为相位复原法提供准确的光瞳透过率函数，提高相位复原法的精度。
所述光瞳透过率函数可用光线追迹法或借助平行光管模拟星点进行标定，具体方法如下：
S5.1、遥感卫星在地面测试阶段，在光学系统焦后插入准直光学系统将焦后波面从球面波转为平面波，并调整成像探测器的位置，使成像探测器对平面波进行成像；
s5.2、模拟星点信标：将点光源放置在平行光管焦点位置，点光源发出的光，通过平行光管后转换为平行光；
s5.3、将遥感卫星光学系统的光轴与平行光管光路对准，在遥感卫星光学系统的光路中插入子孔径掩膜板3，子孔径掩膜板3中的N个子孔径分别与被评估遥感卫星光学系统构成步骤s1所述的子孔径光学系统；
s5.4、调整遥感系统的指向，成像探测器采集待标定特征视场光线透过子孔径掩膜板后的焦面强度信号，通过对焦面强度信号进行归一化处理后即可同时获得N个子孔径光学系统该待标定特征视场的光瞳透过率函数；
s5.5、重复s5.4，获得N个子孔径光学系统各待标定特征视场的光瞳透过率函数(PSF)。
s6、根据N个子孔径光学系统的波前误差，利用子孔径-全孔径数值计算方法重构被评估遥感卫星光学系统的波前19误差，并根据被评估遥感卫星光学系统的波前19误差(见图7)，定量的评价遥感卫星光学系统的成像性能。
子孔径-全孔径数值计算方法可以参考专利CN201710839440.X。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种遥感卫星光学系统在轨成像性能评估方法，其特征在于包括如下步骤：
s1、在被评估遥感卫星光学系统入瞳前端或者实出瞳处放置子孔径掩膜板(3)，子孔径掩膜板(3)垂直于被评估遥感卫星光学系统主光轴，所述子孔径掩膜板(3)设有N个子孔径，所述N个子孔径分别与被评估遥感卫星光学系统构成子孔径光学系统，子孔径光学系统的焦距与被评估遥感卫星光学系统的焦距相同；子孔径系统焦比不小于被评估遥感卫星光学系统，保证子孔径光学系统能够利用相位复原法进行波前感知，N大于等于3；
s2、选取一颗自然恒星作为点源信标，调整被评估遥感卫星轨道指向姿态，使遥感卫星光学系统的主光轴指向于该自然恒星点源信标；
s3、将被评估遥感卫星光学系统的调焦机构调整到被评估遥感卫星光学系统焦前位置，透过子孔径掩膜板(3)对点源信标进行焦前曝光，探测器(4)得到焦前图像(8)；
s4、将被评估遥感卫星光学系统的调焦机构调整到被评估遥感卫星光学系统焦后位置，透过子孔径掩膜板(3)对点源信标进行焦后曝光，探测器(4)得到焦后图像(9)；所述焦前图像(8)和焦后图像(9)中均包含N个孔径对应的点扩散函数图像；
s5、根据焦前图像(8)和焦后图像(9)中与每个子孔径相关的一对点扩散函数图像，以及每个子孔径光学系统的光瞳透过率函数，利用相位复原法，计算每个子孔径光学系统的波前误差，共得到N个子孔径光学系统的波前误差；
s6、根据N个子孔径光学系统的波前误差，利用子孔径-全孔径数值计算方法重构被评估遥感卫星光学系统的波前(19)误差，并根据被评估遥感卫星光学系统的波前(19)误差，定量的评价遥感卫星光学系统的成像性能。
2.根据权利要求1所述的一种遥感卫星光学系统在轨成像性能评估方法，其特征在于所述步骤s3中焦前位置到被评估遥感卫星光学系统的最佳焦面位置的距离，大于子孔径光学系统的5倍焦深。
3.根据权利要求1所述的一种遥感卫星光学系统在轨成像性能评估方法，其特征在于所述步骤s4中焦后位置到被评估遥感卫星光学系统的最佳焦面位置的距离，大于子孔径光学系统的5倍焦深。
4.根据权利要求1所述的一种遥感卫星光学系统在轨成像性能评估方法，其特征在于所述被评估遥感系统为小焦比遥感系统，其焦比小于3。
5.根据权利要求1所述的一种遥感卫星光学系统在轨成像性能评估方法，其特征在于所述光瞳透过率函数通过如下方法获取：
s5.1、遥感卫星在地面测试阶段，在光学系统焦后插入准直光学系统将焦后波面从球面波转为平面波，并调整成像探测器的位置，使成像探测器对平面波进行成像；
s5.2、模拟星点信标：将点光源放置在平行光管焦点位置，点光源发出的光，通过平行光管后转换为平行光；
s5.3、将遥感卫星光学系统的光轴与平行光管光路对准，在遥感卫星光学系统的光路中插入子孔径掩膜板(3)，子孔径掩膜板(3)中的N个子孔径分别与被评估遥感卫星光学系统构成步骤s1所述的子孔径光学系统；
s5.4、调整遥感系统的指向，成像探测器采集待标定特征视场光线透过子孔径掩膜板后的焦面强度信号，通过对焦面强度信号进行归一化处理后即可同时获得N个子孔径光学系统该待标定特征视场的光瞳透过率函数；
s5.5、重复s5.4，获得N个子孔径光学系统各待标定特征视场的光瞳透过率函数。
6.根据权利要求1所述的一种遥感卫星光学系统在轨成像性能评估方法，其特征在于所述子孔径(7)的设置以子孔径面积与子孔径掩膜板面积之比尽量大、子孔径(7)覆盖的范围尽量大、均匀分布为原则来确定。
7.根据权利要求1所述的一种遥感卫星光学系统在轨成像性能评估方法，其特征在于在步骤s2和s3之间增加如下步骤：
在被评估遥感系统光学系统光路中切入带宽滤光片(5)，带宽滤光片(5)的中心波长λmid满足如下条件：
λmid≥p/Fsub
其中p为像面像元尺寸，Fsub为子孔径光学系统焦比，即系统焦距f与子孔径直径d之比值。
8.根据权利要求6所述的一种遥感卫星光学系统在轨成像性能评估方法，其特征在于所选择的自然恒星的能量密度峰值对应的谱段尽可能与滤光片中心波长λmid接近。
9.根据权利要求1所述的一种遥感卫星光学系统在轨成像性能评估方法，其特征在于所述曝光时间为焦前图像(8)和焦后图像(9)最亮点超过探测器(4)的2/3满井电子数但不过曝。
10.根据权利要求1所述的一种遥感卫星光学系统在轨成像性能评估方法，其特征在于离焦量Δd与子孔径光学系统焦比Fsub、滤光片中心波长λmid相关，具体关系为：
Figure FDA0003639218460000031
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