CN114428396A - 一种基于数字胶片成像的详普查一体化空间光学成像系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于数字胶片成像的详普查一体化成像系统及方法，系统中变形镜位于光学采集单元的出瞳位置，当变形镜不加驱动电压时，所述光学采集单元进行低分辨率成像；当变形镜施加驱动电压时，矫正光学采集单元局部视场的像质，得到高分辨率光学信息；数字胶片焦面将采集的光学信息或者矫正后的光学信息转换成电信号，进而转换成数字信号，信号处理单元在接收低分辨率图像时，进行图像目标的检测定位，将目标质心在图像中的位置输出；光学感兴趣区域控制单元根据检测出的目标在图像中的位置找到对应的驱动电压，进而设置变形镜驱动电压，采集局部视场高分辨率光学信息；数字胶片焦面感兴趣区域控制单元控制数字胶片焦面输出高分辨率图像。
Description
技术领域
本发明属于光电成像技术领域，涉及一种基于数字胶片成像的详普查一体化空间成像系统与方法。
背景技术
在光学遥感成像中，需要尽可能的提高相机的分辨率和地面覆盖范围，然而传统的技术，相机的分辨率和幅宽是难以兼得的。
随着成像探测器技术的不断发展，超高像素规模和小像元尺寸器件技术不断涌现，探测器的像元尺寸达到亚微米级，越来越逼近胶片的颗粒尺寸，传感器像素规模也越来越大，按照全画幅的感光尺寸，0.7μm的像素规模可以达到17亿，而当前单芯片传感器的最大面阵尺寸可以达到96mm×96mm以上，如将其做成亚微米像元尺寸，像素规模可以达到百亿以上。将新型的亚微米级探测器应用到空间成像上起到数字胶片成像的效果，新型数字胶片成像技术可以兼顾胶片相机高分辨率、高信息密度和数字相机数字化等的优点，具备广阔的应用前景。
然而，随着数字胶片像素密度的增加，所需匹配的光学镜头的空间带宽积越大，这对于光学系统的设计、制造是一个难以克服的难题，且对处理和数传造成很大的压力，如何发挥数字胶片成像优势，实现详普查一体化，且并不给光学、处理和数传带来较大困难是需要解决的问题。
发明内容
本发明为解决天基详普查一体化光学成像问题，提供一种基于数字胶片成像的详普查一体化空间光学成像系统。
本发明所采用的技术方案：一种基于数字胶片成像的详普查一体化成像系统，包括光学采集单元、变形镜、数字胶片焦面、信号处理单元、光学感兴趣区域控制单元、数字胶片焦面感兴趣区域控制单元；
变形镜位于光学采集单元的出瞳位置，所述变形镜的面形变形量与其驱动电压有关，当变形镜不加驱动电压时，所述光学采集单元用于采集fp/L频率以内光学信息，进行低分辨率成像；当变形镜施加驱动电压时，矫正光学采集单元局部视场的像质，得到高分辨率光学信息；fp＝1/2p，p为数字胶片的像元尺寸，3≤L≤11；
数字胶片焦面将采集的光学信息或者矫正后的光学信息转换成电信号，进而转换成数字信号，输出至信号处理单元；
信号处理单元在接收低分辨率图像时，进行图像目标的检测定位，将目标在图像中的位置输出给光学感兴趣区域控制单元和数字胶片焦面感兴趣区域控制单元；在接收到高分辨率图像时直接编码下传；
光学感兴趣区域控制单元根据检测出的目标质心在图像中的位置结合图像坐标与驱动电压关系，找到对应的驱动电压，进而设置变形镜驱动电压；
数字胶片焦面感兴趣区域控制单元根据目标质心在图像中的位置，控制数字胶片焦面输出目标所在区域的高分辨率图像。
优选的，所述光学采集单元具备小F数的特点，其F数要与数字胶片焦面的像元尺寸匹配，F数的设置满足
，p为像元尺寸，λ为平均波长，k的范围为[1,1.3]。
优选的，变形镜采用分离促动器型变形镜、薄膜变形镜、基于液晶的空间光调制器。
优选的，变形镜加电压后校正局部视场的像质，使得光学采集单元能够采集到局部视场奈奎斯特频率1/2p以内的信息。
优选的，数字胶片焦面采用高像素密度小像元尺寸探测器，像元尺寸≤1μm，像素规模≥1亿像素。
优选的，数字胶片焦面具备感兴趣区域读出和超采样读出模式；在光学采集单元低分辨率成像时，数字胶片焦面采用超采样读出模式，在光学采集单元高分辨率成像时，数字胶片焦面采用感兴趣区域读出模式，所述超采样读出模式是指将相邻L×L个像素作为一个单元，每个单元上对每个像素赋予不同的权重，而后通过加权合并作为一个像素输出；感兴趣区域读出模式为将感兴趣区域开窗逐像素读出。
优选的，开窗逐像素读出的感兴趣区域以目标质心所在图像中的位置为中心，取一个方形区域，方形区域所占像素大小不小于128×128。
一种基于数字胶片成像的详普查一体化成像方法，包括如下步骤：
步骤一：在成像前，首先进行驱动电压与光学视场的关系标定，标定方法是，在总视场内对视场分块，设置不同的驱动电压，测试不同视场的镜头面形，面形最佳时对应的驱动电压即为该块视场的驱动电压；
步骤二，对每块视场中心FOVij与图像坐标(X,Y)进行标定，建立视场FOVij与图像坐标XYij的关系；
步骤三：根据步骤一和步骤二，建立驱动电压与图像坐标的关系，得到二者关系的查找表；
步骤四：不向变形镜施加驱动电压，进行低分辨率成像，获取全视场低分辨率图像，光学镜头采集fp/L频率以内的低频率光学信息，数字胶片相应的采用L×L加权采样合并作为一个像素输出；
步骤五：对获取的全视场低分辨率图像数据进行星上目标检测与定位，将目标质心位置的图像坐标输出；
步骤六：根据驱动电压与图像坐标的查找表，获得驱动电压大小，加相应电压驱动变形镜工作，校正相应视场范围内的像质；同时根据目标质心
位置图像坐标，输出感兴趣区域高分辨率图像。
优选的，在总视场内对视场分块，设分块数量为J×K，对应每一块视场中心FOVij，具备一个最佳的驱动电压Vjk，式中j，k为整数，j≤J，k≤K，J≥3，K≥3。
本发明与现有方法相比的优点在于：
本发明公开的方法能够同时兼顾分辨率与幅宽，通过带变形镜的光学系统和数字胶片焦面，对于感兴趣区域进行高分辨率成像，对不感兴趣区域，以低分辨率形式输出，应用灵活度高；
本发明可以降低大视场小F数高频率光学镜头的设计难度；
本发明可以降低高像素密度数字胶片相机的数据量，从而降低数传压力；
本发明可以以较低的系统代价获得较高的性能指标。
附图说明
图1为基于数字胶片成像的详普查一体化成像系统组成示意图
图2为基于数字胶片成像的详普查一体化成像方法示意图
具体实施方式
一种基于数字胶片成像的详普查一体化成像系统，采用基于变形镜的感兴趣视场可变分辨率光学系统，匹配亚微米级像元尺寸的数字胶片焦面实现，数字焦面具备超采样功能和感兴趣区域读出功能。具体包括光学采集单元1，变形镜2、数字胶片焦面3、信号处理单元4，光学感兴趣区域(ROI)控制单元5，数字胶片焦面感兴趣区域(ROI)控制单元6。
光学采集单元1具备小F数的特点，其F数要与数字胶片的像元尺寸匹配，F数的设置满足
，p为像元尺寸，λ为平均波长，k的范围为[1,1.3]；光学系统采用施密特形式或者离轴三反形式。
变形镜2的位置位于光学系统(即光学采集单元)的出瞳位置，变形镜可以采用分离促动器型变形镜、薄膜变形镜、基于液晶的空间光调制器等，其面形变形量与其驱动电压有关，其关系根据标定确认。变形镜不加驱动电压时，光学系统采集到fp/L频率以内的信息，其中，fp＝1/2p，p为数字胶片的像元尺寸，3≤L≤11。设全局视场为FOV，局部视场大小为FOV/M，M的大小取决与感兴趣区域对应的视场范围。变形镜加电压后进一步校正局部视场的像质，使得光学系统能够采集到局部视场奈奎斯特频率1/2p以内的信息。
在光学采集单元低分辨率成像时，数字胶片焦面对若干像素加权采样合并为一个像素输出，在光学采集单元高分辨率成像时，数字胶片焦面对局部区域输出高分辨率图像；数字胶片焦面3采用高像素密度小像元尺寸探测器，像元尺寸≤1μm，像素规模≥1亿像素，探测器将采集的光信号转换成电信号，进而转换成数字信号。数字胶片焦面具备感兴趣区域(ROI)读出和超采样读出模式。超采样读出模式是指在将相邻L×L个像素作为一个单元，每个单元上对每个像素赋予不同的权重，而后通过加权合并作为一个像素输出。其权重取值和最终的MTF和SNR要求有关。数字胶片焦面输出的图像坐标与光学视场关系通过标定确认。
信号处理单元4获取数字焦面输出的图像，在接收低分辨率图像时，进行图像目标的检测定位，将目标在图像中的位置输出给光学感兴趣区域(ROI)控制单元5和数字胶片焦面感兴趣区域(ROI)控制单元6；在接收到高分辨率图像时直接编码下传。
光学感兴趣区域(ROI)控制单元5根据检测出的目标质心所在区域坐标和图像坐标与驱动电压关系，找到对应的驱动电压，设置变形镜驱动电压，获取对应区域光学高频信息。
数字胶片焦面感兴趣区域(ROI)控制单元6根据目标质心坐标，在目标所在区域开窗逐像素读出，区域设置为以目标质心所在图像中的位置为中心，取一个方形区域，方形区域所占像素大小不小于128×128。
一种基于数字胶片成像的详普查一体化成像方法，其具体步骤如下：
步骤一：在成像前，首先进行驱动电压与光学视场的关系标定，在总视场内对视场分块，设分块数量为J×K，对应每一块视场中心FOVij，具备一个最佳的驱动电压Vjk，式中j，k为整数，j≤J，k≤K，J≥3，K≥3。标定方法是，设置不同的驱动电压，测试不同视场的镜头面形，面形最佳时对应的驱动电压即为该视场的驱动电压。
步骤二，其次对每个视场FOVij与图像坐标(X,Y)进行标定，建立视场FOVij与图像坐标XYij的关系。标定方法采用现有的精密测角法结合质心定位法。
步骤三：根据步骤一和步骤二，建立驱动电压与图像坐标的关系，得到二者关系的查找表。
步骤四：开始进行低分辨率成像，变形镜不工作，光学镜头采集fp/L频率以内的低频率光学信息，数字胶片相应的采用L×L加权采样合并作为一个像素输出，3≤L≤11，L的取值与感兴趣目标类型等因素有关。
步骤五：对获取的全视场低分辨率图像数据进行星上目标检测与定位，将目标位置的图像坐标输出。
步骤六：根据驱动电压与图像坐标的查找表，获得驱动电压大小，加相应电压驱动变形镜工作，校正相应视场范围内的像质。同时根据目标质心位置图像坐标，感兴趣区域输出以目标质心为中心，区域大小不小于128×128的高分辨率图像。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员的公知常识。
Claims (9)
1.一种基于数字胶片成像的详普查一体化成像系统，其特征在于：包括光学采集单元、变形镜、数字胶片焦面、信号处理单元、光学感兴趣区域控制单元、数字胶片焦面感兴趣区域控制单元；
变形镜位于光学采集单元的出瞳位置，所述变形镜的面形变形量与其驱动电压有关，当变形镜不加驱动电压时，所述光学采集单元用于采集fp/L频率以内光学信息，进行低分辨率成像；当变形镜施加驱动电压时，矫正光学采集单元局部视场的像质，得到高分辨率光学信息；fp＝1/2p，p为数字胶片的像元尺寸，3≤L≤11；
数字胶片焦面将采集的光学信息或者矫正后的光学信息转换成电信号，进而转换成数字信号，输出至信号处理单元；
信号处理单元在接收低分辨率图像时，进行图像目标的检测定位，将目标在图像中的位置输出给光学感兴趣区域控制单元和数字胶片焦面感兴趣区域控制单元；在接收到高分辨率图像时直接编码下传；
光学感兴趣区域控制单元根据检测出的目标质心在图像中的位置结合图像坐标与驱动电压关系，找到对应的驱动电压，进而设置变形镜驱动电压；
数字胶片焦面感兴趣区域控制单元根据目标质心在图像中的位置，控制数字胶片焦面输出目标所在区域的高分辨率图像。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述光学采集单元具备小F数的特点，其F数要与数字胶片焦面的像元尺寸匹配，F数的设置满足
p为像元尺寸，λ为平均波长，k的范围为[1,1.3]。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：变形镜采用分离促动器型变形镜、薄膜变形镜、基于液晶的空间光调制器。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：变形镜加电压后校正局部视场的像质，使得光学采集单元能够采集到局部视场奈奎斯特频率1/2p以内的信息。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：数字胶片焦面采用高像素密度小像元尺寸探测器，像元尺寸≤1μm，像素规模≥1亿像素。
6.根据权利要求1或5所述的系统，其特征在于：数字胶片焦面具备感兴趣区域读出和超采样读出模式；在光学采集单元低分辨率成像时，数字胶片焦面采用超采样读出模式，在光学采集单元高分辨率成像时，数字胶片焦面采用感兴趣区域读出模式，所述超采样读出模式是指将相邻L×L个像素作为一个单元，每个单元上对每个像素赋予不同的权重，而后通过加权合并作为一个像素输出；感兴趣区域读出模式为将感兴趣区域开窗逐像素读出。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：开窗逐像素读出的感兴趣区域以目标质心所在图像中的位置为中心，取一个方形区域，方形区域所占像素大小不小于128×128。
8.一种基于数字胶片成像的详普查一体化成像方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：在成像前，首先进行驱动电压与光学视场的关系标定，标定方法是，在总视场内对视场分块，设置不同的驱动电压，测试不同视场的镜头面形，面形最佳时对应的驱动电压即为该块视场的驱动电压；
步骤二，对每块视场中心FOVij与图像坐标(X,Y)进行标定，建立视场FOVij与图像坐标XYij的关系；
步骤三：根据步骤一和步骤二，建立驱动电压与图像坐标的关系，得到二者关系的查找表；
步骤四：不向变形镜施加驱动电压，进行低分辨率成像，获取全视场低分辨率图像，光学镜头采集fp/L频率以内的低频率光学信息，数字胶片相应的采用L×L加权采样合并作为一个像素输出；
步骤五：对获取的全视场低分辨率图像数据进行星上目标检测与定位，将目标质心位置的图像坐标输出；
步骤六：根据驱动电压与图像坐标的查找表，获得驱动电压大小，加相应电压驱动变形镜工作，校正相应视场范围内的像质；同时根据目标质心
位置图像坐标，输出感兴趣区域高分辨率图像。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：在总视场内对视场分块，设分块数量为J×K，对应每一块视场中心FOVij，具备一个最佳的驱动电压Vjk，式中j，k为整数，j≤J，k≤K，J≥3，K≥3。
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