CN113945209A - 一种基于高精度外差干涉的图像探测器像素位置偏差测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高精度外差干涉的图像探测器像素位置偏差测量装置及方法，属于图像探测器测量技术领域，本方法在真空环境中搭建多光纤通道干涉光路，通过选择不同位置光纤通道，生成多组空间频率的杨氏条纹，条纹图像被探测器直接记录用于计算其像素位置偏差；并且使用信号发生器驱动电光调相器产生动态外差干涉条纹，根据探测器拍摄的干涉条纹序列图像，计算动态条纹的时域相位用于反馈调节信号发生器输出的驱动信号，最终使外差干涉条纹产生相位均匀变化的外差激光干涉条纹，实现图像探测器像素位置偏差的高精度测量。

Description

一种基于高精度外差干涉的图像探测器像素位置偏差测量装 置及方法

技术领域

本发明涉及星敏感器探测器领域，特别涉及一种基于高精度外差干涉的图像探测器像素位置偏差测量方法。

背景技术

星敏感器是一种以图像探测器为核心器件的高精度空间指向测量仪器。星敏感器以天球坐标系中的恒星指向为参考，探测不同位置的恒星的成像星点进行定心计算，根据星点之间的角距，对照星表进行星图识别，从而解算星敏感器自身在天球坐标系下的位置，给出仪器姿态以及光轴指向或目标指向，为航空航天飞行器，例如卫星、导弹、宇航飞船等，提供准确的姿态及空间方位。

星敏感器的定心过程是由获取的星点图像进行质心计算得到星点中心位置，是星敏感器算法流程中重要的一环，其中精确星点图像的获取至关重要，它直接影响了定心精度及最终星敏感器指向精度及输出姿态的精度。

星敏感器星点成像的过程是：从恒星发出光线经过空间传播后到达星敏感器，首先经过光学系统汇聚于像面形成星点斑，然后经过光电转换被图像探测器接收形成数字信号。一方面，光学系统的像差使成像星点形状改变，表现为在视场内的系统误差，通过光学系统psf标定与修正可有效缓解该项误差；另一方面，由于图像传感器的制造工艺限制，图像探测器像素间的光电响应并不均匀，光电响应不均匀性对定心精度的影响可以通过平场校正消除。

而另一个容易被忽略的问题是：探测器制造过程中，从掩模图形到光刻胶图形的转移等过程的工艺缺陷，使图像探测器的像素位置并不按照理想网格状均匀分布，即像素存在位置偏差，这将导致探测器拍摄星点图像存在畸变，使最终定心结果存在误差。因此，对图像探测器的像素位置偏差进行标定，并根据标定结果修正星点斑图像，也成为提高星敏感器指向精度的重要环节。目前，仍缺乏一种系统的高精度图像探测器像素位置偏差测量方法。

发明内容

本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种基于高精度外差干涉的图像探测器像素位置偏差测量方法，适用于实际工程应用。本发明方法在真空环境中搭建多光纤通道干涉光路，通过选择不同位置光纤通道，生成多组空间频率的杨氏条纹，条纹图像被探测器直接记录用于计算其像素位置偏差；并且使用信号发生器驱动电光调相器产生动态外差干涉条纹，根据探测器拍摄的干涉条纹序列图像，计算动态条纹的时域相位用于反馈调节信号发生器输出的驱动信号，最终使外差干涉条纹产生相位均匀变化的外差激光干涉条纹，实现图像探测器像素位置偏差的高精度测量。

本发明的技术方案是：一种基于高精度外差干涉的图像探测器像素位置偏差测量方法，包括光源组件、光纤盒组件、真空干涉组件、计算机、信号发生器；

光源组件包括稳频激光器、光隔离器和光纤耦合器及保偏单模光纤，稳频激光器出射线偏振稳频激光，通过光隔离器，之后经过光纤耦合器，进入保偏单模光纤。

光纤盒组件包括一分二保偏光纤分束器、电光调制器、光开关，光源组件中的保偏单模光纤进入光纤盒后，与一分二保偏光纤分束器连接进而分为两束，其中一束连接电光调制器，电光调制器由信号发生器控制对光束的相位进行调制，电光调制器出射光束与光纤分束器出射的另一路光束进入光开关，光开关的多通道光纤出口与真空干涉组件连接。

真空干涉组件包括穿舱光纤、光纤压块、图像探测器、光学平台，光纤盒组件中的光开关的出口光纤与穿舱光纤连接，穿舱光纤连接光纤压块，光纤压块正对被测探测器，光纤压块与被测探测器均固定于光学平台上。

光源组件中的稳频激光器为处于频率稳定模式的氦氖稳频激光器；稳频激光器出射激光的振动方向与光隔离器的起偏元件透光方向保持一致。

所述光源组件置于玻璃盒内，防止空气扰动。

所述光开关为2×8型光开关，两个输入通道，八个输出通道。

所述真空干涉组件置于真空罐中。

真空干涉组件中的光纤压块为一种光纤固定结构，八根光纤分为两组，呈“十”字形分布，两个方向相邻光纤距离相同。

所用光纤、光纤分束器、电光调制器、光开关、穿舱光纤、光纤压块的光纤均为单模保偏光纤，光纤之间采用光纤法兰连接，且所有光纤通光波段对应稳频激光器出射的激光波长。

固定于所述光纤压块中的所有光纤的慢轴方向为同一方向。

所述信号发生器驱动电光调制器，信号发生器的输出波形由计算机给出。

一种基于高精度外差干涉的图像探测器像素位置偏差测量方法，包括以下步骤：

1)搭建基于高精度外差干涉的图像探测器像素位置偏差测量方法的测量装置；

2)真空罐抽真空，使激光干涉组件置于真空环境；

3)选择光开关的任意两通道，产生外差干涉条纹，图像探测器采集一系列干涉条纹，计算机计算外差干涉条纹的时域相位；

4)计算机根据上一步骤计算的外差干涉条纹的时域相位反馈调节发送至信号发生器的周期信号，直至图像探测器采集到时域相位分布均匀的外差干涉条纹；

5)选择光开关两通道，产生一组空间频率下的外差干涉条纹，图像探测器采集多组外差干涉条纹，计算机根据图像探测器采集的外差干涉条纹，解算与该组条纹方向垂直方向上的像素位置偏差；再选择光开关的两通道，产生与上一组条纹空间频率相同但条纹方向垂直的外差干涉条纹，解算另一方向上的像素位置偏差；

6)选择多种光开关通道组合，产生多组不同空间频率的外差干涉条纹，计算不同方向的像素位置偏差进行验算。

优选的，所述步骤3)和步骤5)中生成外差干涉条纹的过程为：

1)稳频激光器出射的单频稳频激光首先通过光隔离器，而后经光纤耦合器耦合至单模保偏光纤，之后光束进入一分二光纤分束器分为两束，其中光束一直接进入光开关，光束二经过电光调制器，计算机控制信号发生器向电光调制器发送驱动信号，对光束二进行调相，使光束二产生随时间变化的相位变化ψ(t)，而后光束二再进入光开关；

2)选通光开关其中两个通道，其中一个对应光束一，另一通道对应光束二，两光束的相位差为ψ(t)；

3)两光束分别通过穿舱光纤，后进入光纤压块中对应的光纤，最终出射光束在图像探测器芯片表面形成干涉条纹，图像探测器记录该干涉条纹；

4)在信号发生器对电光调制器的驱动作用下，光束二的相位ψ(t)随时间变化，两光束生成的干涉条纹也随时间变化，即生成外差干涉条纹。

优选的，所述步骤3)中计算机计算外差干涉条纹时域相位的方法为：根据空域条纹图像的拟合目标函数I(i,j)＝B*b+A*a*sin(k_xi+k_yj+ψ)(其中：b和a为理想条纹的偏置和峰峰值，i,j为像素位置)，对图像探测器记录的每一幅干涉条纹进行非线性空域拟合，计算对应条纹亮度偏置系数B、条纹亮度峰峰值系数A、空间频率k_x、k_y和时域相位ψ。

优选的，所述步骤4)中计算机根据外差干涉条纹的时域相位反馈调节发送至信号发生器的信号的方法为：

1)计算机给信号发生器发送周期信号；

2)首先，设置计算机控制信号发生器的信号为周期信号，每周期内的信号表示为V＝a*t²+b*t，V是输出电压，t是时间，a和b为设置的可调节参数；

3)信号发生器驱动电光调制器，最终产生外差干涉条纹；

4)图像探测器记录一个周期内的外差干涉条纹，计算机计算对应的时域相位ψ(t)；

5)相位ψ(t)满足要求的条件是：ψ(t)在0至360°内均匀分布；

判断相位ψ(t)是否满足要求，若是，则计算机输出信号V为最终控制信号发生器的信号；若不是，调节参数a和b，直至计算时域相位ψ(t)最终满足要求。

所述步骤5)中解算像素位置偏差方法，包括以下步骤：

1)图像探测器采集多个周期的外差干涉条纹图像，计算每幅条纹图对应的条纹亮度偏置系数B(t)、条纹亮度峰峰值系数A(t)、空间频率k_x、k_y和时域相位ψ(t)；

2)采用最小二乘拟合，计算每个像素在空间条纹中对应的实际相位

3)计算理想条纹中每个像素对应的理想相位值

4)实际相位

减去理想相位

得到每个像素对应的相位偏移

5)相位偏移

除以空间频率值

得到与该组空间条纹垂直方向的像素偏移量△p(i,j)。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明方法提供了一种高精度的图像探测器位置偏差标定方法，适用于各类图像探测器像素几何位置偏差的标定方法。本发明的多光纤通道干涉光路搭建于真空环境中，消除了气流对干涉条纹的干扰；选择光开关不同光纤通道，生成多组空间频率的杨氏条纹，多组测量提高像素偏差解算精度；由探测器记录干涉条纹图像序列计算动态条纹的时域相位，用于反馈调节信号发生器输出的驱动信号，最终使外差干涉条纹产生相位均匀变化的外差激光干涉条纹，实现高精度的图像探测器像素位置偏差测量。

附图说明

图1是基于高精度外差干涉的图像探测器像素位置偏差测量装置示意图；

图2是光纤压块内光纤分布示意图；

具体实施方式

结合附图1对本发明进行详细说明。

步骤1：搭建基于高精度外差干涉的图像探测器像素位置偏差测量装置

测量装置中光路传播路径如下：稳频激光器1出射的单频稳频激光首先通过光隔离器2，而后经光纤耦合器3耦合至单模保偏光纤4，之后光束进入一分二光纤分束器5分为两束，其中光束一直接进入光开关8，光束二经过电光调制器6，信号发生器向电光调制器6发送驱动信号，对光束二进行调相，使光束二产生随时间变化的相位变化

而后光束二再进入光开关8；选通光开关8其中两个通道，其中一个对应光束一，另一通道对应光束二，两光束的相位差为

两光束分别通过穿舱光纤9，后进入光纤压块10中对应的光纤，最终出射光束在图像探测器11芯片表面形成干涉条纹，图像探测器11记录该干涉条纹。

光源组件包括稳频激光器1、光隔离器2和光纤耦合器3及保偏单模光纤4，光纤盒组件包括一分二保偏光纤分束器5、电光调制器6、光开关8，真空干涉组件包括穿舱光纤9、光纤压块10、图像探测器11、光学平台12。光源组件置于玻璃盒内，防止空气扰动；光源组件中的稳频激光器1为处于频率稳定模式的氦氖稳频激光器；稳频激光器1出射激光的振动方向与光隔离器2的起偏器透光方向保持一致，以使通过光隔离器的光束强度达到最大值。真空干涉组件置于真空罐13中。

本发明实例中，激光器为稳频氦氖激光器，对于其他波长的激光器，需要其满足稳频的条件，并且光路中光纤通光波段与激光器波长对应，本发明仍然适用。

本发明实例中，光开关8为2×8型光开关，两个输入通道，八个输出通道，其他通道数量的光开关，若满足两路输入多路输出的要求，对于本发明均适用。

本发明实例中，真空干涉组件中的光纤压块10为一种光纤固定结构，八根光纤分为两组，呈“十”字形分布，如图2所示，两个方向相邻光纤距离相同。对于其他布置方式的光纤压块，若产生正交空间条纹，此布置方式对本发明仍然适用。

步骤2：真空罐抽真空至10^-3Pa，使激光干涉组件置于真空环境；

步骤3：产生外差干涉条纹

选通光开关8其中两个通道，其中一个对应光束一，另一通道对应光束二，计算机14给信号发生器发送周期信号，每周期内的信号表示为V＝a*t²+b*t，V是输出电压，t是时间，a和b为设置的可调节参数；

信号发生器7向电光调制器6发送驱动信号V，对光束二进行调相，使两光束的相位差为

两光束分别通过穿舱光纤9，后进入光纤压块10中对应的光纤，最终出射光束在图像探测器11芯片表面形成干涉条纹，图像探测器11记录该干涉条纹；在信号发生器7对电光调制器6的驱动作用下，光束二的相位

随时间变化，两光束生成的干涉条纹也随时间变化，即生成外差干涉条纹；

步骤4：根据外差干涉条纹的时域相位反馈调节信号发生器周期信号图像探测器11记录一个周期内的外差干涉条纹，根据空域条纹图像的拟合目标函数I(i,j)＝B*b+A*a*sin(k_xi+k_yj+ψ)(其中：b和a为理想条纹的偏置和峰峰值，i,j为像素位置)，对图像探测器记录的每一幅干涉条纹进行非线性空域拟合，计算对应条纹亮度偏置系数B、条纹亮度峰峰值系数A、空间频率k_x、k_y和时域相位ψ；

判断相位ψ(t)是否满足要求：ψ(t)在0至360°内均匀分布。若是，则计算机输出信号V为最终控制信号发生器的信号；若不是，调节参数a和b，直至计算时域相位ψ(t)最终满足要求。

步骤5：解算图像探测器像素偏差

选择光开关8两通道，产生一组不同空间频率下的外差干涉条纹，图像探测器11采集多个周期的外差干涉条纹图像，根据上一步骤所述方法计算每幅条纹图对应的条纹亮度偏置系数B(t)、条纹亮度峰峰值系数A(t)、空间频率k_x、k_y和时域相位ψ(t)；

采用最小二乘拟合，计算每个像素在空间条纹中对应的实际相位

计算理想条纹中每个像素对应的理想相位值

实际相位

减去理想相位

得到每个像素对应的相位偏移

相位偏移

除以空间频率值

得到与该组空间条纹垂直方向的像素偏移量△p₁(i,j)。

再选择光开关8的两通道，产生与上一组条纹空间频率相同但条纹方向垂直的外差干涉条纹，根据上述步骤，解算另一方向上的像素位置偏差p₂(i,j)；

步骤6：选择多种光开关通道组合，产生多组不同空间频率的外差干涉条纹，计算不同方向的像素位置偏差进行验算，多组解算偏差可求解均值作为最终结果。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (14)

1.一种基于高精度外差干涉的图像探测器像素位置偏差测量装置，其特征在于：包括光源组件、光纤盒组件、真空干涉组件和信号发生器(7)；

所述光源组件包括稳频激光器(1)、光隔离器(2)和光纤耦合器(3)及保偏单模光纤(4)，稳频激光器(1)出射线偏振稳频激光，通过光隔离器(2)，之后经过光纤耦合器(3)，进入保偏单模光纤(4)；

所述光纤盒组件包括一分二保偏光纤分束器(5)、电光调制器(6)、光开关(8)，光源组件中的保偏单模光纤(4)进入光纤盒后，与一分二保偏光纤分束器(5)连接进而分为两束，其中一束连接电光调制器(6)，信号发生器(7)控制电光调制器(6)对光束的相位进行调制，电光调制器(6)出射光束与光纤分束器(5)出射的另一路光束进入光开关(8)，光开关(8)的多通道光纤出口与真空干涉组件连接；

所述真空干涉组件包括穿舱光纤(9)、光纤压块(10)、图像探测器(11)、光学平台(12)，光纤盒组件中的光开关(8)的出口光纤与穿舱光纤(9)连接，穿舱光纤(9)连接光纤压块(10)，光纤压块(10)正对被测探测器(11)，光纤压块(10)与被测探测器(11)均固定于光学平台(12)上。

2.如权利要求1所述的一种基于高精度外差干涉的图像探测器像素位置偏差测量装置，其特征在于，所述稳频激光器(1)为处于频率稳定模式的氦氖稳频激光器；稳频激光器(1)出射激光的振动方向与光隔离器(2)的起偏元件透光方向保持一致。

3.如权利要求1所述的一种基于高精度外差干涉的图像探测器像素位置偏差测量装置，其特征在于，所述光源组件部分置于玻璃盒内，防止空气扰动。

4.如权利要求1所述的一种基于高精度外差干涉的图像探测器像素位置偏差测量装置，其特征在于，所述光开关(8)为2×8型光开关，两个输入通道，八个输出通道。

5.如权利要求1所述的一种基于高精度外差干涉的图像探测器像素位置偏差测量装置，其特征在于，所述真空干涉组件置于真空罐(13)中。

6.如权利要求1所述的一种基于高精度外差干涉的图像探测器像素位置偏差测量装置，其特征在于，所述光纤压块(10)为光纤固定结构，八根光纤分为两组，呈“十”字形分布，两个方向相邻光纤距离相同。

7.如权利要求1所述的一种基于高精度外差干涉的图像探测器像素位置偏差测量装置，其特征在于，所述保偏单模光纤(4)、光纤分束器(5)、电光调制器(6)、光开关(8)、穿舱光纤(9)、光纤压块(10)的光纤均为单模保偏光纤，光纤之间采用光纤法兰连接，且所有光纤通光波段对应稳频激光器(1)出射的激光波长。

8.如权利要求1所述的一种基于高精度外差干涉的图像探测器像素位置偏差测量装置，其特征在于，固定于所述光纤压块(10)中的所有光纤的慢轴方向为同一方向。

9.如权利要求1所述的一种基于高精度外差干涉的图像探测器像素位置偏差测量装置，其特征在于，所述信号发生器(7)驱动电光调制器(6)，信号发生器(7)的输出波形由计算机(14)给出。

10.一种基于高精度外差干涉的图像探测器像素位置偏差测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)搭建一种基于高精度外差干涉的图像探测器像素位置偏差测量装置；

2)真空罐抽真空，使激光干涉组件置于真空环境；

3)选择光开关(8)的任意两通道，产生外差干涉条纹，图像探测器(11)采集一系列干涉条纹，计算机(14)计算外差干涉条纹的时域相位；

4)计算机(14)根据计算的外差干涉条纹的时域相位反馈调节发送至信号发生器(7)的周期信号，直至图像探测器采集到时域相位分布均匀的外差干涉条纹；

5)选择光开关(8)两通道，产生一组空间频率下的外差干涉条纹，图像探测器(11)采集多组外差干涉条纹，计算机(14)根据图像探测器采集的外差干涉条纹，解算与该组条纹方向垂直方向上的像素位置偏差；再选择光开关(8)的两通道，产生与上一组条纹空间频率相同但条纹方向垂直的外差干涉条纹，解算另一方向上的像素位置偏差；

6)选择多种光开关通道组合，产生多组不同空间频率的外差干涉条纹，计算不同方向的相位位置偏差进行验算。

11.根据权利要求10所述的测量方法，其特征在于，所述步骤3)和步骤5)中生成外差干涉条纹的过程具体为：

11)稳频激光器(1)出射的单频稳频激光首先通过光隔离器(2)，而后经光纤耦合器(3)耦合至单模保偏光纤(4)，之后光束进入一分二光纤分束器(5)分为两束，其中光束一直接进入光开关(8)，光束二经过电光调制器(6)，信号发生器(7)向电光调制器(6)发送驱动信号，对光束二进行调相，使光束二产生随时间变化的相位变化ψ(t)，而后光束二再进入光开关(8)；

12)选通光开关(8)其中两个通道，其中一个对应光束一，另一通道对应光束二，两光束的相位差为ψ(t)；

13)两光束分别通过穿舱光纤(9)，后进入光纤压块(10)中对应的光纤，最终出射光束在图像探测器(11)芯片表面形成干涉条纹，图像探测器(11)记录该干涉条纹；

14)在信号发生器(7)对电光调制器(6)的驱动作用下，光束二的相位ψ(t)随时间变化，两光束生成的干涉条纹也随时间变化，即生成外差干涉条纹。

12.根据权利要求10所述的测量方法，其特征在于，所述步骤3)中计算机(14)计算外差干涉条纹时域相位的方法具体为：根据空域条纹图像的拟合目标函数I(i,j)＝B*b+A*a*sin(k_xi+k_yj+ψ)，其中：I为灰度值，b和a为理想条纹的偏置和峰值，i,j为像素位置，对图像探测器记录的每一幅干涉条纹进行非线性空域拟合，计算对应条纹亮度偏置系数B、条纹亮度峰峰值系数A、空间频率k_x、k_y和时域相位ψ。

13.根据权利要求10所述的测量方法，其特征在于，所述步骤4)中计算机(14)根据外差干涉条纹的时域相位反馈调节发送至信号发生器(7)的信号的方法具体为：

21)计算机给信号发生器发送周期信号；

22)设置计算机控制信号发生器的信号为周期信号，每周期内的信号表示为V＝a*t²+b*t，V是输出电压，t是时间，a和b为设置的可调节参数；

23)信号发生器(7)驱动电光调制器(6)，最终产生外差干涉条纹；

24)图像探测器(11)记录一个周期内的外差干涉条纹，计算机(14)计算对应的时域相位ψ(t)；

25)相位ψ(t)满足要求的条件是：ψ(t)在0至360°内均匀分布；

判断相位ψ(t)是否满足要求，若是，则计算机输出信号V为最终控制信号发生器的信号；若不是，调节参数a和b，直至计算时域相位ψ(t)最终满足要求。

14.根据权利要求10所述的测量方法，其特征在于，所述步骤5)中解算像素位置偏差方法，具体包括以下步骤：

31)图像探测器(11)采集多个周期的外差干涉条纹图像，计算每幅条纹图对应的条纹亮度偏置系数B(t)、条纹亮度峰峰值系数A(t)、空间频率k_x、k_y和时域相位ψ(t)；

32)采用最小二乘拟合，计算每个像素在空间条纹中对应的实际相位

33)计算理想条纹中每个像素对应的理想相位值

34)实际相位

减去理想相位

得到每个像素对应的相位偏移

35)相位偏移

除以空间频率值

得到与该组空间条纹垂直方向的像素偏移量△p(i,j)。

Images