TDI CCD靜態(tài)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)多相位刃邊測(cè)量

高慧婷，劉 薇，何紅艷，吳 枚

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TDI CCD靜態(tài)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)多相位刃邊測(cè)量

高慧婷1，劉 薇1，何紅艷1，吳 枚2

( 1. 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094；2. 中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所，北京 100076 )

點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)能夠完整表征物空間一點(diǎn)發(fā)出的光經(jīng)過(guò)相機(jī)系統(tǒng)在像空間的分布特性，是反映相機(jī)性能的關(guān)鍵參數(shù)，也是進(jìn)行圖像復(fù)原的重要依據(jù)。針對(duì)星載TDI CCD靜態(tài)PSF單一刃邊法測(cè)量時(shí)初始相位無(wú)法確定、采樣點(diǎn)少的問(wèn)題，提出一套多相位刃邊靶標(biāo)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理方法。對(duì)多相位刃邊法和矩形靶標(biāo)刃邊法靜態(tài)PSF測(cè)量進(jìn)行蒙特卡洛仿真，結(jié)果表明本文提出的方法測(cè)量相對(duì)誤差小于2%，且結(jié)果穩(wěn)定，而矩形靶標(biāo)單一刃邊法測(cè)量相對(duì)誤差約10%。將該方法用于高分二號(hào)全色相機(jī)的靜態(tài)PSF測(cè)試，利用雙星點(diǎn)靶標(biāo)對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，證明了該方法在星載TDI CCD靜態(tài)PSF測(cè)試工程應(yīng)用中的可行性。

推掃式相機(jī)；點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)；多相位刃邊法

0 引 言

光學(xué)系統(tǒng)在理想狀態(tài)下，物空間一點(diǎn)發(fā)出的光能量在像空間也集中在一點(diǎn)上，但是實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)成像時(shí)，由于衍射和像差以及其它工藝的影響，物空間一點(diǎn)發(fā)出的光在像空間是分布在一定的區(qū)域內(nèi)，其分布的情況稱為點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(Point Spread Function，PSF)。調(diào)制傳遞函數(shù)(Modulation Transfer Function，MTF)是PSF傅里葉變換后模值隨空間頻率的函數(shù)表達(dá)，隨著空間頻率的升高逐漸下降。MTF是反應(yīng)星載TDI CCD成像性能的重要參數(shù)，但PSF更能夠完整描述相機(jī)系統(tǒng)成像性能，是空域圖像復(fù)原的根本依據(jù)[1]。

目前國(guó)內(nèi)外遙感相機(jī)實(shí)驗(yàn)室性能測(cè)試主要是進(jìn)行MTF測(cè)試，常用的測(cè)試方法包括有：

1) 高對(duì)比度矩形靶標(biāo)法、低頻靶標(biāo)法[2]：采用CTF法測(cè)量MTF，只能測(cè)量若干個(gè)頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的MTF值，采樣點(diǎn)少導(dǎo)致PSF測(cè)量精度不高。優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試直觀、數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是結(jié)果依賴于靶標(biāo)的位置，即靶標(biāo)和CCD之間的相位關(guān)系對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大。

2) 斜邊刃邊靶標(biāo)法[3-4]：斜邊刃邊靶標(biāo)法在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中常用于面陣CCD的實(shí)驗(yàn)室MTF測(cè)試，用于TDI CCD的靜態(tài)MTF測(cè)試時(shí)需要模擬相機(jī)在軌推掃工作模式，對(duì)電機(jī)控制精度要求很高。試驗(yàn)過(guò)程對(duì)于一個(gè)相對(duì)于列(或行)有微小傾角的刃邊成像，處理時(shí)沿刃邊方向逐行進(jìn)行采樣，根據(jù)傾角確定相對(duì)相位信息，通過(guò)增加擬合點(diǎn)提高PSF測(cè)試精度。可以測(cè)量PSF和MTF，但初始相位無(wú)法確定。

3) 點(diǎn)源測(cè)試[5-7]：測(cè)量方法基于PSF的定義，相機(jī)對(duì)點(diǎn)光源成像，目前多用于面陣CCD的實(shí)驗(yàn)室MTF測(cè)試。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試需要搭建一套復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)，包括點(diǎn)光源、準(zhǔn)直儀、平面反射鏡、離軸拋物面反射鏡、光學(xué)隔振平臺(tái)、精密調(diào)節(jié)支架等，與其他方法相比，測(cè)試難度較大，對(duì)準(zhǔn)直顯微物鏡的對(duì)準(zhǔn)精度要求較高，必須保證點(diǎn)光源在一個(gè)像素內(nèi)成像。

本文提出一種多相位刃邊TDI CCD靜態(tài)PSF測(cè)量方法，建立了多相位刃邊法PSF測(cè)量模型，對(duì)測(cè)試精度和穩(wěn)定性進(jìn)行仿真分析，通過(guò)高分二號(hào)全色TDI CCD進(jìn)行了方法應(yīng)用驗(yàn)證，驗(yàn)證該測(cè)量方法的可靠性。

1 多相位刃邊法模型分析

相位定義為亮條刃邊在像素中的歸一化位置，則相位取值區(qū)間為[0，1]，通過(guò)刃邊寬度設(shè)計(jì)控制相位，通常0.1 pixels的PSF測(cè)量精度要求刃邊條數(shù)不少于10，即刃邊條數(shù)至少為測(cè)量精度的倒數(shù)。

TDI CCD陣列方向PSF測(cè)試10刃邊多相位靶標(biāo)設(shè)計(jì)如圖1所示，其中白色代表亮條，灰色代表暗條，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試TDI CCD像元陣列方向像元間距對(duì)應(yīng)在靶標(biāo)處的實(shí)際寬度為。刃邊為，相鄰刃邊間距離為，設(shè)計(jì)要求是能夠相鄰兩條刃邊之間的擴(kuò)散不能互相影響。設(shè)相位，則刃邊在陣列中位置為

圖1 多相位刃邊示意圖

圖2 多相位刃邊PSF原理圖

2 多相位刃邊法蒙特卡洛仿真

TDI CCD相機(jī)多相位刃邊法PSF實(shí)驗(yàn)室測(cè)試影響因素有：相機(jī)衰減、擴(kuò)散和圖像信噪比。靶標(biāo)出射光子經(jīng)過(guò)相機(jī)衰減和PSF擴(kuò)散，同時(shí)根據(jù)相機(jī)信噪比疊加光子噪聲，得到模擬觀測(cè)數(shù)據(jù)，分別采用多相位刃邊法和單一刃邊法測(cè)量PSF，并與設(shè)定的真實(shí)PSF對(duì)比。

模擬實(shí)驗(yàn)選取的參數(shù)如下：亮區(qū)發(fā)光強(qiáng)度均值為40 000個(gè)光子，暗區(qū)發(fā)光強(qiáng)度為800個(gè)光子，對(duì)比度50 :1，TCI CCD探測(cè)效率0.4，PSF為半高寬4.0的高斯分布，低端和高端信噪比分別為20 dB和40 dB，相關(guān)積分搜索初始相位時(shí)將像元10等分。靶標(biāo)亮度剖面如圖3所示。模擬計(jì)算流程如圖4所示。

圖3 靶標(biāo)亮度剖面圖

圖4 模擬計(jì)算流程圖

圖5 多相位刃邊法與單刃邊法標(biāo)定ESF和PSF的模擬結(jié)果

表1 不同方法標(biāo)定PSF半高寬均值和相對(duì)誤差

表1后面部分是模擬實(shí)驗(yàn)的其余參數(shù)不變，低端和高端信噪比降至10 dB和20 dB的仿真結(jié)果。從表1的結(jié)果可以看出，當(dāng)噪聲增加時(shí)，多相位刃邊法標(biāo)定的結(jié)果仍與設(shè)定的PSF較符合；傳統(tǒng)刃邊法標(biāo)定的PSF，其擴(kuò)散中心和寬度均與設(shè)定的PSF存在較大偏差。當(dāng)噪聲增加時(shí)，多相位刃邊法更具優(yōu)越性。

為了驗(yàn)證多相位刃邊法的穩(wěn)定性，模擬參數(shù)不變下進(jìn)行200次仿真，對(duì)PSF計(jì)算結(jié)果直方圖統(tǒng)計(jì)分析，PSF半高寬均值為3.982，置信度為95%的置信區(qū)間為(3.975 4，4.038 6)，與設(shè)定PSF相對(duì)誤差優(yōu)于±1%。

多相位刃邊法和傳統(tǒng)刃邊法PSF測(cè)量精度對(duì)比模擬實(shí)驗(yàn)表明，多相位刃邊法采用相關(guān)積分法可將邊界擴(kuò)散區(qū)數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)的位置和相位定位精度提高到亞像元，且抗噪聲干擾性較強(qiáng)，具有較好的穩(wěn)定性。

3 高分二號(hào)全色相機(jī)PSF地面測(cè)試試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

靜態(tài)PSF測(cè)試對(duì)象為GF-2全色相機(jī)，星下點(diǎn)空間分辨力1 m，實(shí)驗(yàn)裝置還包括氣浮平臺(tái)、1.6 m積分球、靶標(biāo)、12 m平行光管、環(huán)境模擬器和圖像采集系統(tǒng)。靶標(biāo)放置在平行光管的焦面上，平行光管與相機(jī)的光軸共軸放置，靶標(biāo)被積分球系統(tǒng)產(chǎn)生的均勻光照亮，經(jīng)過(guò)平行光管和相機(jī)，成像在相機(jī)的焦面上，形成靶標(biāo)的圖像，圖像采集系統(tǒng)對(duì)成像結(jié)果進(jìn)行采集和處理。

3.2 靶標(biāo)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)靶標(biāo)包括多刃邊靶標(biāo)和雙星點(diǎn)靶標(biāo)。首先定義探測(cè)器單元間距對(duì)應(yīng)在靶標(biāo)處的實(shí)際長(zhǎng)度：

靶標(biāo)設(shè)計(jì)圖中黑色代表透光的部分，白色代表不透光部分，透光與不透光部分對(duì)比度不低于100:1。

1) 多相位刃邊靶標(biāo)：如圖6所示。多相位刃邊靶標(biāo)主體由寬度為20.1、高度120的五組亮暗線對(duì)組成，滿足不同積分時(shí)間PSF測(cè)試需求。

圖6 多相位刃邊靶標(biāo)設(shè)計(jì)圖

2) 雙星點(diǎn)靶標(biāo)：如圖7所示。雙星點(diǎn)靶標(biāo)主體由兩個(gè)正方形星點(diǎn)組成，邊長(zhǎng)0.9，兩個(gè)星點(diǎn)之間距離1.1。雙星點(diǎn)共7對(duì)，對(duì)積分基線的偏移距離分別為：6、12、24、48、68、78、88，用于對(duì)相應(yīng)積分級(jí)數(shù)下的PSF計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

圖7 雙星點(diǎn)靶標(biāo)設(shè)計(jì)圖

多相位刃邊和雙星點(diǎn)靶標(biāo)都包含左右兩組定標(biāo)線點(diǎn)，定標(biāo)線為等腰三角形，頂角2°，底邊5，則高度為140，定標(biāo)點(diǎn)均為長(zhǎng)為1.8′0.9的長(zhǎng)方形，線陣方向間距20，位于定標(biāo)線外側(cè)，對(duì)積分基線的偏移距離分別為、1.5和2，定標(biāo)線點(diǎn)可以確保試驗(yàn)過(guò)程中的推掃和線陣方向相位對(duì)準(zhǔn)。

3.3 數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)處理中需采取以下措施消除時(shí)間和空間測(cè)量不確定性，提高測(cè)量精度：

1) 噪聲去除，消除暗電流引起的背景噪聲；

2) 非均勻校正，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室輻射定標(biāo)系數(shù)消除由于探測(cè)器響應(yīng)不一致引起的條帶噪聲；

3) 多次統(tǒng)計(jì)分析，消除試驗(yàn)時(shí)間誤差引入的測(cè)量不確定性；

4) 幾何校正，消除邊緣視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)畸變的影響。

3.4 測(cè)試結(jié)果

多相位刃邊法和單一刃邊法測(cè)試PSF半高寬分別為1.708和1.79，中間暗像元?dú)w一化值分別為0.7496和0.818，多相位刃邊法和單一刃邊法測(cè)試PSF合成雙星點(diǎn)成像剖面分別如圖8虛線和點(diǎn)劃線所示，采樣值分別如圖8中“○”和“*”所示，雙星點(diǎn)圖像直接采樣如圖8中“D”所示，中間暗像元?dú)w一化值0.764 9，采樣值與多相位刃邊法和單一刃邊法合成采樣值平均相對(duì)誤差分別為18.49%和4.19%。。

圖8 雙星點(diǎn)采樣與PSF合成對(duì)比圖

4 結(jié) 論

為了提高TDI CCD靜態(tài)PSF測(cè)試精度，本文提出一種多相位刃邊PSF測(cè)試方法，采用基于模板匹配的初始相位搜索方法定位刃邊法初始相位，利用多刃邊邊緣提取增加采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，保證實(shí)驗(yàn)室PSF測(cè)試精度，仿真結(jié)果驗(yàn)證了方法的可靠性和穩(wěn)定性，高分二號(hào)全色TDI CCD靜態(tài)PSF測(cè)試為該方法的工程應(yīng)用提供了借鑒。

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Static PSF of TDI-CCD Measurement with Multi-phase-knife Method

GAO Huiting1，LIU Wei1，HE Hongyan1，WU Mei2

( 1. Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China; 2. Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100076, China )

Point Spread Function (PSF) is an important parameter indicating performance of camera and the important basis for image restoration. In order to solve the problem of uncertainty of initial phase and lack of sample points with single knife-edge, a new method named multi-phase-knife is proposed including design and data processing. Simulation result of two PSF measurement methods based on Monte-Carlo method show that relative measurement error of this method is steady and fewer than 2% by contrast, and relative measurement error of single knife-edge is only about 10%. This method is used in PSF measurement of GF-2 pan-chromatic camera, and the result is validated by double-point, which provides references of engineering application for TDI-CCD PSF measurement.

TDI CCD; point spread function; multi-phase-knife method

1003-501X(2016)06-0013-06

P236

A

10.3969/j.issn.1003-501X.2016.06.003

2015-09-25；

2015-12-10

高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(50-Y20A08-0508-15/16)

高慧婷(1981-)，女(漢族)，內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)人。工程師，碩士，主要研究工作是星載相機(jī)實(shí)驗(yàn)室輻射定標(biāo)技術(shù)。 E-mail：gaohuiting_1100@126.com。