CN115113361B - 大焦深空间相机及其成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空间相机，具体涉及一种大焦深空间相机及其成像方法，克服通过现有方法难以获取高质量的空间目标清晰光学图像的问题，利用变曲率反射镜作为次镜，通过在探测器积分时间内，快速调节次镜的曲率半径，对物方空间进行扫描聚焦并将距离变化信息以调制编码的方式叠加在中间图像中，之后通过解码滤波对中间编码图像予以恢复来实现清晰成像。这种免调焦的设计为空间相机针对成像距离未知且距离变化较快的空间目标清晰成像提供了一种新的思路。

Description

大焦深空间相机及其成像方法

技术领域

本发明涉及一种空间相机，具体涉及一种大焦深空间相机及其成像方法，可以在空间目标成像距离未知的情况下无需调焦来实现清晰成像。

背景技术

自第一颗人造地球卫星升空以来，人类的航天活动日益频繁，形形色色的航天器陆续发射入轨。时至今日，包括低轨、中轨、高轨等在内的各类型近地轨道上都充斥着大量的人造航天器。近地轨道资源的日益拥挤，使航天器之间发生碰撞的概率越来越高。同时，各种空间试验所产生的运行轨道不可预测的碎片与垃圾也分布在近地轨道上，这就对人造航天器及载人航天器的安全均构成了潜在威胁。因此，在卫星平台上对航天器周边的空间目标的异动通过光学手段进行成像与感知，就成为了规避风险、保障航天活动安全的重要手段。

空间相机作为天基空间态势感知的一种重要载荷，主要用于获取空间目标的亮度信息、几何信息与空间位置。然而，获取高质量的空间目标的清晰光学图像是非常困难的，主要原因有以下几点：首先，空间相机发射阶段的冲击与发射入轨后环境的剧变，内外部多种因素叠加在一起都会导致地面预先标定的焦面偏离理想位置进而出现离焦模糊。其次，空间目标距离远且运动速度较高，而通常其距离空间相机的距离未知给准确且快速地确定正确的焦面位置提出了挑战。

针对空间相机在轨焦面漂移的问题，包括焦面调焦、次镜调焦、校正透镜组调焦甚至热控调焦等多种方式均已被提出。对于空间相机而言，尤其是口径500mm以上的大口径空间相机为了同时兼顾高分辨与轻量化，多采用全反射式或折反射式光机结构，比如RC加校正镜的光机构型。在多数空间相机方案中，次镜都是一个较为特殊的位置，因为次镜空间相对位置与面型精度的变化会对成像质量产生较大的影响，所以通过六自由度调节系统改变次镜的空间位置来实现调焦能够兼顾高灵敏与高精度。但是，包括次镜调焦技术在内的上述已有调焦方案存在一个共性问题，那就是动中成像调焦过程中的调焦速度可能会严重滞后于目标距离的变化，进而导致调焦过程始终无法闭环。因此，扩展成像相机焦深、免调焦实现距离未知的空间目标的清晰成像是一项具有重要应用意义的研究课题。

发明内容

为了克服通过现有方法难以获取高质量的空间目标清晰光学图像的问题，本发明提供一种大焦深空间相机及其成像方法，满足现有空间相机针对空间目标成像调焦中对精度、速度及动态范围的多重要求。

本发明的构思是：

本发明利用变曲率反射镜作为次镜，通过在探测器积分时间内，快速调节次镜的曲率半径，对物方空间进行扫描聚焦并将距离变化信息以调制编码的方式叠加在中间图像中，之后通过解码滤波对中间编码图像予以恢复来实现清晰成像。这种免调焦的设计为空间相机针对成像距离未知且距离变化较快的空间目标清晰成像提供了一种新的思路。

本发明的技术方案是提供一种大焦深空间相机，采用折反射式光机结构或全反射式光机结构，包括主镜、次镜、探测器和数据处理模块；

其特殊之处在于：上述次镜为变曲率反射镜；上述次镜的曲率半径变化频率大于探测器的帧频；

上述探测器用于伴随次镜的曲率半径变化同步曝光成像，将不同成像距离处的目标信息以综合卷积的形式叠加于一幅图像之中；

上述数据处理模块用于接收探测器输出的图像，利用核函数执行去卷积算法对该图像信息进行解码，所述核函数为系统传递函数进行逆傅里叶变换后的函数。

进一步地，上述大焦深空间相机还包括次镜驱动机构；上述次镜驱动机构用于驱动次镜，持续改变次镜曲率半径，使聚焦于不同的成像距离处。

进一步地，上述次镜为中心厚边缘薄的反射镜。

进一步地，上述次镜驱动机构设置在次镜背部，向次镜施加单点驱动、环形线负载驱动或者均匀压力驱动，驱动次镜对目标所在空间进行扫描，改变次镜曲率半径。

本发明还提供一种上述大焦深空间相机的成像方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1、驱动次镜，使目标图像以探测器靶面为中心沿光轴方向往复扫描的同时，探测器同步曝光成像，并将不同成像距离处的目标信息以综合卷积的形式叠加于一幅图像之中；

步骤2、采用核函数执行去卷积算法对步骤1获得的图像进行解码，得到对成像距离不敏感的大焦深清晰图像，所述核函数为系统传递函数进行逆傅里叶变换后的函数。

进一步地，通过下述过程获得所述核函数：

1)在光学设计软件中，通过将实际成像位置设置到偏离理想焦面的多个位置，并针对每一个成像位置通过优化获得次镜对应的最佳曲率半径；其中，实际成像位置与理想焦面之间的偏差，即设计引入的离焦可以达到毫米量级；

2)将成像位置恢复至初始位置；

3)针对每一个成像位置下，次镜的最佳曲率半径，存储其对应的点扩散函数；

4)采用离散傅里叶变换分别将各个点扩散函数转换为光学传递函数，并对所有光学传递函数叠加求和得到系统等效光学传递函数；

5)根据大焦深空间相机所采用探测器的像元大小与采样间隔，获得探测器对应的传递函数；将探测器传递函数与系统等效光学传递函数相乘获得系统传递函数；

6)将系统传递函数进行逆傅里叶变换获得所需的核函数，即系统等效点扩散函数。

本发明的有益效果是：

1、由于次镜非常灵敏，次镜曲率半径的微小变化(中心形变微米量级)就会引起较大的离焦像差(等效焦面漂移毫米量级)，这就意味着本发明变曲率半径次镜的系统可以对很宽的成像空间(目标空间)进行高精度聚焦扫描；与此同时，由于次镜曲率半径的变化速度极高，可以轻松超过探测器的帧频，从而使一幅图像捕获涵盖更宽成像距离的目标场景信息成为可能。

2、利用变曲率半径次镜对成像空间的高精度聚焦扫描由于速度很快，不仅对目标的成像距离不敏感，而且对目标的运动速度的敏感性也相对降低，从而允许使用该方法的空间相机的场景适应性更强。

3、变曲率半径次镜对成像空间的高速高精度聚焦扫描实际上等价于一种编码成像，但是这种编码成像与基于波前编码的大焦深成像很不相同。

其一，波前编码利用非旋转对称的相位板可以实现的焦深拓展对应于离焦参量通常不超过30，但是本发明提出的方法允许等效离焦参量甚至可以达到40以上；

其二，波前编码使用的非旋转对称相位板对应的点扩散函数是非对称的，导致去卷积算法存在残余相位差，使复原图像中存在伪像，干扰了有效信息的识别。本发明则不存在该问题，变曲率半径次镜调制编码对应的点扩散函数是旋转对称的，去卷积算法不会因为残余相位差而出现复原图像劣化的现象。波前编码技术采用旋转对称的相位板可以规避去卷积残余相位差的影响，但是焦深拓展倍率通常只有非旋转对称的一半，而本发明提出的方法不仅可以消除非旋转对称编码带来的影响，而且能够为高质量的图像恢复提供保障。

附图说明

图1a1-图1a7为理想空间相机不同离焦参量对应的点扩散函数。

其中，图1a1、图1a2、图1a3、图1a4、图1a5、图1a6、图1a7对应的离焦参量分别为0，5，10，15，20，25以及30。

图1b1-图1b7为理想空间相机不同离焦参量对应的调制传递函数，其中图1b1、图1b2、图1b3、图1b4、图1b5、图1b6、图1b7对应的离焦参量分别为0，5，10，15，20，25以及30。

图2为本发明大焦深空间相机的典型设计构型。

图中附图标记为：1-变曲率反射镜。

图3为本发明获取大焦深空间相机等效点扩散函数的流程。

图4为本发明大焦深空间相机与传统空间相机对应的等效点扩散函数与调制传递函数。其中(a)为调制传递函数(虚线为本发明大焦深空间相机对应的等效点扩散函数，实线为传统空间相机对应的等效点扩散函数)，(b)为等效点扩散函数(左图为本发明大焦深空间相机对应的等效点扩散函数，右图为传统空间相机对应的等效点扩散函数)。

图5为本发明不同焦深扩展范围对应的系统等效光学传递函数。其中实线：离焦参量0～30，点划线：离焦参量0～40，短线：离焦参量0～50。

图6为本发明不同离焦参量变化间隔对应的系统等效光学传递函数。其中，a线：离焦间隔变化小于1，b线：离焦间隔变化为1，c线：离焦间隔变化为2，d线：离焦间隔变化为5。

图7为本发明系统和三次方相位板对应的等效点扩散函数与调制传递函数。其中，(a)为调制传递函数，实线为三次方相位板对应的等效点扩散函数，点划线为本发明系统对应的等效点扩散函数，(b)为点扩散函数，左图为本发明系统对应的调制传递函数，右图为三次方相位板对应的调制传递函数。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。

空间相机是在卫星平台上开展空间目标监视成像的主要装备，获取高清晰目标图像是空间相机性能的直接体现。然而，空间相机即便在地面通过了严格的定标与测试，但是发射阶段的过载冲击、入轨后环境的剧烈变化等都可能导致系统波前因畸变而产生成像退化，其中焦面漂移引起的离焦退化是导致目标清晰度下降的主要因素之一，因此空间相机不仅在发射入轨后的一段时间里都要反复进行焦面的重新确定，而且在长期在轨的阶段也要定期对焦面位置进行调整，因此典型空间相机都带有调焦机构，用于实现调焦。此外，空间目标相对于相机的距离有可能是未知的，而且距离的变化也可能较快，对于焦面预设的系统而言，就存在因距离变化导致离焦模糊成像退化的情况，因此需要在成像过程中通过快速准确的调焦来满足清晰成像的要求。

成像距离的不确定或者其他不可控因素导致系统波前出现离焦像差的尺度，都可以用离焦参量这个物理量进行表征。以一个理想的空间相机系统为例，通过设置不同大小的离焦参量，可以获得离焦点扩散函数以及离焦调制传递函数。如图1a1至1b7所示，当离焦参量以间隔5从0变化到30，即从对焦变化到重度离焦时，点扩散函数不仅主瓣强度快速降低，而且旁瓣范围与强度逐渐提高，相应地，离焦传递函数的幅值不断降低且在中重度离焦时出现大量的零点，这就意味着离焦不仅引起成像对比度的变化，而且会带来信息的丢失。因此，包括空间相机在内，要获得清晰的成像效果，调焦是势在必行的。

当前，空间相机通常采用以下几种方式进行调焦。其一，通过蜗轮蜗杆机械传动的方式直接改变焦面的位置实现对离焦的补偿。这种方法固然可以实现较大范围的离焦补偿，但是由于存在运动部件，调焦速度偏低，对距离变化较快的目标可能存在调焦滞后的问题，同时调焦机构也会给相机增加额外的体积与重量负担；其二，对于当前主流的空间相机构型而言，次镜通常都是较为灵敏的光学元件，因此可以使用六自由度的调节机构，通过改变次镜的空间位置来对焦面漂移进行补偿。这种方法灵敏度很高，但是六自由度调节结构复杂笨重，是其主要的缺陷。因此，是否能够通过免调焦来规避复杂调焦机构的使用值得研究。

实际上，对于次镜而言，除了其对包括平移及旋转等在内的六个自由度较为敏感以外，次镜曲率半径的变化对离焦控制也非常敏感，因此本发明通过将次镜从传统的刚性反射镜变为曲率半径可变的反射镜，就可以得到免调焦空间相机。变曲率半径反射镜可以根据需要动态调整其曲率半径，其雏形最早可以追溯到1973年耶路撒冷希伯来大学所研制的样片。如图2所示，本实施例给出了一种基于RC加校正镜组的典型空间相机设计构型，采用折反射式光机结构，包括主镜、次镜、探测器和数据处理模块；其中，次镜为变曲率反射镜1，被设计为一种中心厚边缘薄的渐变厚度分布结构，通过在其背部设置次镜驱动机构，通过次镜驱动机构向次镜施加点驱动、环形线负载驱动或者均匀压力驱动以实现曲率半径的动态改变。探测器用于伴随次镜的曲率半径变化同步曝光成像，将不同成像距离处的目标信息以综合卷积的形式叠加于一幅图像之中；数据处理模块用于接收探测器输出的图像，利用核函数执行去卷积算法对图像信息进行解码，所述核函数为系统传递函数进行逆傅里叶变换后的函数。在其他实施例中空间相机还可以采用全反射式光机结构，那么除主镜之外对成像质量最为灵敏的反射镜设计为曲率半径可变的反射镜，其他反射镜均为刚性镜。

实际上，改变次镜曲率半径就是在系统波前中引入离焦项，同时由于曲率半径的改变以电控的方式进行，所以速度非常高，此时针对空间目标成像时，在探测器的积分时间内通过连续高速高精度地改变次镜的曲率半径，就可以以一种类似于调制编码的方式将目标距离信息的变化综合叠加到一幅图像当中，再通过去卷积解码实现离焦不变。

因此，利用次镜曲率半径高速连续调制产生的等效编码成像原理为免调焦清晰成像奠定了基础。这里，通过分析这种工作模式对应的等效点扩散函数及光学传递函数对免调焦空间相机系统的特点进行说明。如图3所示，给出了本发明提出的大焦深空间相机对应的等效点扩散函数与光学传递函数的获取流程。

首先，在光学设计软件中，通过将实际成像位置设置到偏离理想焦面的多个位置，并针对每一个成像位置通过优化获得次镜对应的最佳曲率半径；其中，实际成像位置与理想焦面之间的偏差，即设计引入的离焦可以达到毫米量级；

其次，将成像位置恢复至初始位置；

其次，针对次镜的每一档最佳曲率半径，存储其对应的点扩散函数；

其次，采用离散傅里叶变换分别将各个点扩散函数转换为光学传递函数，并对所有档位的光学传递函数叠加求和得到等效光学传递函数；

其次，根据大焦深空间相机所采用探测器的像元大小与采样间隔，获得探测器对应的传递函数；将探测器传递函数与等效光学传递函数相乘获得与所需核函数对应的系统传递函数；

最后，将系统传递函数进行逆傅里叶变换获得所需的核函数，即系统等效点扩散函数。

图4给出了按照图3流程得到的系统等效点扩散函数与等效光学传递函数。图4中(a)，点线代表本发明大焦深空间相机离焦参量覆盖0～30对应的调制传递函数，而实线则代表传统空间相机在离焦参量30处的调制传递函数。可以看到，本发明大焦深空间相机对应的调制传递函数与衍射受限相比显著降低，但是在整个通频带范围内也没有零点出现，从而为开展去卷积恢复信息奠定了基础。与此同时，图4中(b)也给出了系统等效点扩散函数，可以看到当离焦参量覆盖0～30时，等效点扩散函数主瓣显著降低，但是与图1a1至图1a7相比可以看到，其能量依然较为集中且没有旁瓣。

在图3所示的获取大焦深空间相机等效点扩散函数及对应光学传递函数的流程中，次镜通过曲率半径的变化产生的离焦参量的变化范围要覆盖对焦到重度离焦的全过程，即离焦参量要从0变化到至少30。实际上，本发明提出的方法允许将重度离焦的范围进一步扩展至少达到40以上。如图5所示，给出了焦深不同扩展范围对应的等效光学传递函数，可以看到，随着焦深扩展范围的增加，等效光学传递函数的幅值尽管会降低，但是依然不会出现零点，从而证明了该方法在扩展系统焦深方面的潜力。此外，在获取大焦深系统的等效点扩散函数与光学传递函数的过程中，相邻两档次镜曲率半径变化对应的离焦参量的变化也有一定影响。如图6所示，当相邻两档次镜曲率半径变化对应的离焦参量的变化由5逐渐减小到0.05时，可以看到等效光学传递函数的变化越来越小，因此可以得出结论：在设计过程中，次镜通过调整其曲率半径引起系统离焦参量的变化间隔应设置在1附近，这样既可以保证等效光学传递函数的精确性，也可以降低所需的计算量。

本发明中，探测器积分时间内的次镜曲率半径变化实际上可以看作是系统对待成像区域在深度空间上的扫描调制，因此类似于波前编码成像。但是与经典的波前编码成像相比，本发明又有其自身的优势。如图7所示，给出了本发明提出的大焦深系统与经典三次方编码系统在点扩散函数与光学传递函数之间的对比。可以看到，本发明提出的大焦深系统的点扩散函数始终是旋转对称的，而三次方编码系统对应的点扩散函数则是非旋转对称的，这就意味着采用本发明系统对应的等效点扩散函数对综合叠加编码图像进行去卷积时不存在相位残差引起的伪像问题，因此可以获得更好的清晰成像效果。同时，可以看到，大焦深系统对应的等效调制传递函数在中低频较高，意味着中间编码图像的信噪比更高，更利于后续去卷积获得更好的复原效果。

本发明利用变曲率半径反射镜作为次镜，通过探测器积分时间内的快速曲率半径变化对物方空间进行扫描聚焦并将距离变化信息以调制编码的方式叠加在中间图像中，之后通过解码滤波对中间编码图像予以恢复来实现清晰成像。这种免调焦的设计为空间相机针对成像距离未知且距离变化较快的空间目标清晰成像提供了一种新颖的思路。

Claims (4)

1.一种大焦深空间相机的成像方法，所述大焦深空间相机，采用折反射式光机结构或全反射式光机结构，包括主镜、次镜、探测器和数据处理模块；所述次镜为变曲率反射镜；所述次镜的曲率半径变化频率大于探测器的帧频；所述探测器用于伴随次镜的曲率半径变化同步曝光成像，将不同成像距离处的目标信息以综合卷积的形式叠加于一幅图像之中；所述数据处理模块用于接收探测器输出的图像，利用核函数执行去卷积算法对图像信息进行解码；

其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、驱动次镜，使目标图像以探测器靶面为中心沿光轴方向往复扫描的同时，探测器同步曝光成像，并将不同成像距离处的目标信息以综合卷积的形式叠加于一幅图像之中；

步骤2、采用核函数执行去卷积算法对步骤1获得的图像信息进行解码，得到对成像距离不敏感的大焦深清晰图像，所述核函数为系统传递函数进行逆傅里叶变换后的函数；所述核函数通过下述过程获得：

1)在光学设计软件中，通过将实际成像位置设置到偏离理想焦面的多个位置，并针对每一个成像位置通过优化获得次镜对应的最佳曲率半径；

2)将成像位置恢复至初始位置；

3)针对每一个成像位置下，次镜的最佳曲率半径，存储其对应的点扩散函数；

4)采用离散傅里叶变换分别将各个点扩散函数转换为光学传递函数，并对所有光学传递函数叠加求和得到系统等效光学传递函数；

5)根据大焦深空间相机所采用探测器的像元大小与采样间隔，获得探测器对应的传递函数；将探测器传递函数与系统等效光学传递函数相乘获得系统传递函数；

6)将系统传递函数进行逆傅里叶变换获得所述核函数。

2.根据权利要求1所述的大焦深空间相机的成像方法，其特征在于：所述大焦深空间相机还包括次镜驱动机构；所述次镜驱动机构用于驱动次镜，持续改变次镜曲率半径。

3.根据权利要求2所述的大焦深空间相机的成像方法，其特征在于：所述次镜为中心厚边缘薄的反射镜。

4.根据权利要求3所述的大焦深空间相机的成像方法，其特征在于：所述次镜驱动机构设置在次镜背部，向次镜施加单点驱动、环形线负载驱动或者均匀压力驱动，持续改变次镜曲率半径。