CN108174186B - 一种空间面阵红外相机的点扩散函数测试方法 - Google Patents

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Abstract

一种空间面阵红外相机的点扩散函数测试方法，涉及航天光学遥感技术领域；包括如下步骤：步骤(一)、建立靶标；步骤(二)、获取第M帧靶标图像中的第i星点的星点灰度值图像；步骤(三)、定义5行×5列的矩阵E；步骤(四)、选取所需星点灰度值图像；步骤(五)、将所需星点灰度值图像的灰度值转换为电子数；步骤(六)、拟合得到面阵红外相机的二维热扩散分布函数；步骤(七)、图像复原，提高遥感图像质量；本发明有效提高空间面阵红外PSF测量精度，填补了空间面阵红外相机的PSF测试方法空白，具有很好的使用价值。

Description

一种空间面阵红外相机的点扩散函数测试方法
技术领域
本发明涉及一种航天光学遥感技术领域，特别是一种空间面阵红外相机的点扩散函数测试方法。
背景技术
光学***在理想状态下，物空间一点发出的光能量在像空间也集中在一点上，但是实际的光学***成像时，由于衍射和像差以及其它因素的影响，物空间一点发出的光在像空间是分布在一定的区域内，其分布曲线称为点扩散函数PSF。高慧婷等人2014年在国家发明专利《一种星载推扫式相机点扩散函数的实验室测量装置及方法》一文中给出适用于推扫式可见光相机的PSF测试方法；刘薇等人2014年在国家发明专利《一种星载面阵CCD相机点扩散函数的测量装置及方法》给出凝视型面阵可见光相机的PSF测试方法。上述两篇专利都是将靶标设与数据处理一体化考虑，同时考虑了相位精度问题，但是这两种方法一个是针对推扫式可见光相机，一个是针对凝视型面阵可见光相机的PSF测试方法，红外相机PSF测试面临相位更难找准以及扩散和时间相关等问题，上述方法并没有考虑。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种空间面阵红外相机的点扩散函数测试方法，通过靶标设计和数据处理方法解决高精度相位对准和时间扩散问题，保证空间面阵红外相机PSF的测试准确性，最大程度上满足了空间面阵红外相机PSF测试的需求。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
一种空间面阵红外相机的点扩散函数测试方法，包括如下步骤：
步骤(一)、建立靶标，在靶标上设置100个星点，100个星点呈10行×10列均匀对称分布；并采用面阵红外相机对靶标进行图像采集，采集帧数为N，N＞100，且N为正整数；
步骤(二)、对第M帧靶标图像中的第i星点及该星点相邻像素进行采样；得到星点灰度值子图mi；其中，1≤M≤N，且N为正整数；1≤i≤100，且i为正整数；
步骤(三)、定义一个5行×5列的矩阵E，
步骤(四)、将步骤(三)中的矩阵E与步骤(二)中的星点灰度值子图mi进行计算，求每一帧中每个星的星点灰度值J(i)；
得到N帧中每一帧每个星的星点灰度值J(i)；取每一帧中的最大星点灰度值J(i)，即为星点灰度值图像；
步骤(五)、将步骤(四)得到的星点灰度值图像的灰度值转换为电子数xe；
步骤(六)、针对步骤(四)中得到的最大星点灰度值J(i)所对应的第i星点，建立平面坐标系oxy；x与y方向垂直，交点为o；将第i星点设置在坐标系oxy的原点；将第i星点的相邻像素对应设置在平面坐标系oxy中，相邻像素点坐标值间隔为1；对步骤(五)中得到的电子数进行拟合；
将最大星点灰度值J(i)所对应的第i星点的灰度值图像中的所有像素进行拟合，计算得到所需第一参数σ1和第二参数σ2；即得到面阵红外相机的二维热扩散分布函数u(t,σ1,σ2)；
步骤(七)、通过步骤(六)得到的面阵红外相机的二维热扩散分布函数N(t,σh1,σh2)对红外面阵相机的成像数据进行图像复原，实现提高遥感图像质量。
在上述的一种空间面阵红外相机的点扩散函数测试方法，所述步骤(一)中，对靶标进行图像采集时，每一帧图像为100个星点的整体图像。
在上述的一种空间面阵红外相机的点扩散函数测试方法，所述步骤(二)中，对第i星点相邻像素进行采样的方法为；以第i星点为中心，采集5行×5列的方形相邻像素。
在上述的一种空间面阵红外相机的点扩散函数测试方法，所述步骤(四)中，每个星的星点灰度值J(i)的计算方法为：
式中，J(i)为第i星点灰度值；
j为矩阵E的行数；
k为矩阵E的列数。
在上述的一种空间面阵红外相机的点扩散函数测试方法，所述步骤(五)中，星点灰度值图像的灰度值转换为电子数xe的转换方法为：
式中，x为图像灰度值序列中采样点的灰度值；
bs为面阵红外相机自身量化位数；
L为面阵红外相机的饱和电子数。
在上述的一种空间面阵红外相机的点扩散函数测试方法，所述步骤(六)中，电子数的拟合方法为：
式中，t为面阵红外相机的积分时间；
σ1为二维热扩散分布函数第一参数；
σ2为二维热扩散分布函数第一参数；
u(t,σ1,σ2)为红外面阵相机不同积分时间的点扩散函数；
xq为第i星相邻第q像素对应在平面坐标系oxy横坐标；1≤q≤25，q为正整数；
yq为第i星相邻第q像素对应在平面坐标系oxy纵坐标；1≤q≤25，q为正整数。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明通过高精度相位配准方法，克服了红外相机噪声严重导致PSF测试不准的缺陷；
(2)本发明采用时间相关的拟合函数，克服红外相机热扩散导致的PSF测试不准的问题；
(3)本发明通过星点位置和形状的设计，使得靶标中至少有一个星点完全落在一个像元的中心位置，从而找到用于计算PSF函数的目标点序列，增加了测试装置和方法的准确性；
(4)本发明通过统计方法对多次测量结果进行了平差处理，降低了噪声影响，减小了测量误差。
附图说明
图1为本发明面阵红外相机的点扩散函数测试流程图；
图2为本发明靶标建立示意图；
图3为本发明第i星点相邻像素采样示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
如图1所示为面阵红外相机的点扩散函数测试流程图，由图可知，一种空间面阵红外相机的点扩散函数测试方法，包括如下步骤：
步骤(一)、建立靶标，如图2所示为靶标建立示意图，由图可知，在靶标上设置100个星点，100个星点呈10行×10列均匀对称分布；并采用面阵红外相机对靶标进行图像采集，采集帧数为N，N＞100，且N为正整数；对靶标进行图像采集时，每一帧图像为100个星点的整体图像。
步骤(二)、如图3所示为第i星点相邻像素采样示意图，由图可知，对第M帧靶标图像中的第i星点及该星点相邻像素进行采样；得到星点灰度值子图mi；其中，1≤M≤N，且N为正整数；1≤i≤100，且i为正整数；对第i星点相邻像素进行采样的方法为；以第i星点为中心，采集5行×5列的方形相邻像素。
步骤(三)、定义一个5行×5列的矩阵E，
步骤(四)、将步骤(三)中的矩阵E与步骤(二)中的星点灰度值子图mi进行计算，求每一帧中每个星的星点灰度值J(i)：
式中，J(i)为第i星点灰度值；
j为矩阵E的行数；
k为矩阵E的列数；
得到N帧中每一帧每个星的星点灰度值J(i)；取每一帧中的最大星点灰度值J(i)，即为星点灰度值图像；
步骤(五)、将步骤(四)得到的星点灰度值图像的灰度值转换为电子数xe，转换公式为：
式中，x为图像灰度值序列中采样点的灰度值；
bs为面阵红外相机自身量化位数；
L为面阵红外相机的饱和电子数；
步骤(六)、针对步骤(四)中得到的最大星点灰度值J(i)所对应的第i星点，建立平面坐标系oxy；x与y方向垂直，交点为o；将第i星点设置在坐标系oxy的原点；将第i星点的相邻像素对应设置在平面坐标系oxy中，相邻像素点坐标值间隔为1；对步骤(五)中得到的电子数进行拟合，拟合函数为：
式中，t为面阵红外相机的积分时间；
σ1为二维热扩散分布函数第一参数；
σ2为二维热扩散分布函数第一参数；
u(t,σ1,σ2)为红外面阵相机不同积分时间的点扩散函数；
xq为第i星相邻第q像素对应在平面坐标系oxy横坐标；1≤q≤25，q为正整数；
yq为第i星相邻第q像素对应在平面坐标系oxy纵坐标；1≤q≤25，q为正整数；
将最大星点灰度值J(i)所对应的第i星点的灰度值图像中的所有像素代入公式(三)拟合，计算得到所需第一参数σ1和第二参数σ2；即得到面阵红外相机的二维热扩散分布函数u(t,σ1,σ2)；
步骤(七)、通过步骤(六)得到的面阵红外相机的二维热扩散分布函数N(t,σh1,σh2)对红外面阵相机的成像数据进行图像复原，实现提高遥感图像质量。
本发明设计了新的相位匹配和PSF拟合方法，实现了面阵红外相机PSF函数的测试，可以直观地描述相机性能，可应用于空间面阵红外相机的点扩散函数测试。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种空间面阵红外相机的点扩散函数测试方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤(一)、建立靶标，在靶标上设置100个星点，100个星点呈10行×10列均匀对称分布；并采用面阵红外相机对靶标进行图像采集，采集帧数为N，N＞100，且N为正整数；
步骤(二)、对第M帧靶标图像中的第i星点及该星点相邻像素进行采样；得到星点灰度值子图mi；其中，1≤M≤N，且N为正整数；1≤i≤100，且i为正整数；
步骤(三)、定义一个5行×5列的矩阵E，
步骤(四)、将步骤(三)中的矩阵E与步骤(二)中的星点灰度值子图mi进行计算，求每一帧中每个星的星点灰度值J(i)；每个星的星点灰度值J(i)的计算方法为：
式中，J(i)为第i星点灰度值；
j为矩阵E的行数；
k为矩阵E的列数；
得到N帧中每一帧每个星的星点灰度值J(i)；取每一帧中的最大星点灰度值J(i)，即为星点灰度值图像；
步骤(五)、将步骤(四)得到的星点灰度值图像的灰度值转换为电子数xe；
步骤(六)、针对步骤(四)中得到的最大星点灰度值J(i)所对应的第i星点，建立平面坐标系oxy；x与y方向垂直，交点为o；将第i星点设置在坐标系oxy的原点；将第i星点的相邻像素对应设置在平面坐标系oxy中，相邻像素点坐标值间隔为1；对步骤(五)中得到的电子数进行拟合；
电子数的拟合方法为：
式中，t为面阵红外相机的积分时间；
σ1为二维热扩散分布函数第一参数；
σ2为二维热扩散分布函数第一参数；
u(t,σ1,σ2)为红外面阵相机不同积分时间的点扩散函数；
xq为第i星相邻第q像素对应在平面坐标系oxy横坐标；1≤q≤25，q为正整数；
yq为第i星相邻第q像素对应在平面坐标系oxy纵坐标；1≤q≤25，q为正整数；
将最大星点灰度值J(i)所对应的第i星点的灰度值图像中的所有像素进行拟合，计算得到所需第一参数σ1和第二参数σ2；即得到面阵红外相机的二维热扩散分布函数u(t,σ1,σ2)；
步骤(七)、通过步骤(六)得到的面阵红外相机的二维热扩散分布函数N(t,σh1,σh2)对红外面阵相机的成像数据进行图像复原，实现提高遥感图像质量。
2.根据权利要求1所述的一种空间面阵红外相机的点扩散函数测试方法，其特征在于：所述步骤(一)中，对靶标进行图像采集时，每一帧图像为100个星点的整体图像。
3.根据权利要求1所述的一种空间面阵红外相机的点扩散函数测试方法，其特征在于：所述步骤(二)中，对第i星点相邻像素进行采样的方法为；以第i星点为中心，采集5行×5列的方形相邻像素。
4.根据权利要求1所述的一种空间面阵红外相机的点扩散函数测试方法，其特征在于：所述步骤(五)中，星点灰度值图像的灰度值转换为电子数xe的转换方法为：
式中，x为图像灰度值序列中采样点的灰度值；
bs为面阵红外相机自身量化位数；
L为面阵红外相机的饱和电子数。
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