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九谱段焦面配准测试仪的研制

常君磊 李庆林 张楠 李富强 于生全 魏志勇 王媛媛 杨沐

常君磊, 李庆林, 张楠, 李富强, 于生全, 魏志勇, 王媛媛, 杨沐. 九谱段焦面配准测试仪的研制[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(3): 0314001-0314001-6. doi: 10.3378/IRLA202049.0314001
引用本文: 常君磊, 李庆林, 张楠, 李富强, 于生全, 魏志勇, 王媛媛, 杨沐. 九谱段焦面配准测试仪的研制[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(3): 0314001-0314001-6. doi: 10.3378/IRLA202049.0314001
Chang Junlei, Li Qinglin, Zhang Nan, Li Fuqiang, Yu Shengquan, Wei Zhiyong, Wang Yuanyuan, Yang Mu. Development of focal plane registration instrument for a nine-spectral camera[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(3): 0314001-0314001-6. doi: 10.3378/IRLA202049.0314001
Citation: Chang Junlei, Li Qinglin, Zhang Nan, Li Fuqiang, Yu Shengquan, Wei Zhiyong, Wang Yuanyuan, Yang Mu. Development of focal plane registration instrument for a nine-spectral camera[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(3): 0314001-0314001-6. doi: 10.3378/IRLA202049.0314001

九谱段焦面配准测试仪的研制

doi: 10.3378/IRLA202049.0314001
详细信息
    作者简介:

    常君磊(1984-),女,工程师,硕士,主要从事航天光学遥感相机研究设计工作。Email:2010life@163.com

  • 中图分类号: TN29;V443.5

Development of focal plane registration instrument for a nine-spectral camera

  • 摘要:

    多通道焦面遥感相机通道间的配准是相机总装定焦过程中的关键技术,通道间的配准精度决定了后续通道融合后的遥感图像质量。设计并完成了一套用于解决九谱段双通道焦面配准的测试仪。积分球照明一条狭缝,经平行光管成像在无穷远,照明九谱段相机,在相机焦面上得到一个竖直放大的狭缝像。四谱段、五谱段线阵探测器分别位于双通道焦平面上,分别调整双通道焦面的位置,计算四谱段、五谱段探测器上狭缝像的质心位置,通过质心位置来评价通道间像元的对准精度。该仪器解决了多通道焦面遥感相机通道间的配准问题,配准精度达亚像元量级,保证了通道融合后的图像质量。

  • 图  1  焦面配准测试仪原理图

    Figure  1.  Illustrative diagram of focal plane registration instrument

    图  2  设计光路图

    Figure  2.  Design optical path map

    图  3  仿真计算系统光路图

    Figure  3.  System optical path diagram for simulation

    图  4  畸变与像差对质心位置的影响

    Figure  4.  Influences of distortion and aberration on centroid

    图  5  垂轴色差

    Figure  5.  Lateral chromatic aberration

    图  6  狭缝偏离光轴导致狭缝像质心的偏移

    Figure  6.  Slit image centroid shifting resulted from slit deviation

    图  7  成像质量测试光路图

    Figure  7.  Optical path map for image quality test

    图  8  成像质量测试设备图

    Figure  8.  Photo of image quality test equipment

    图  9  多视场波像差测试用多孔光阑

    Figure  9.  Multi-apertures for multi-field-of-view wave aberration test

    图  10  各视场波像差实测结果

    Figure  10.  Wave aberration test result of meridian and sagittal field of view

    图  11  五色通道内一多光谱CCD线阵的光强分布

    Figure  11.  Response distribution of one multispectral CCD array in the five-color imaging channel

    图  12  配准前八个多光谱通道的质心测量结果

    Figure  12.  Stripe centroid position of 8 multispectral arrays before registration

    图  13  配准完成后八个多光谱通道的质心测量结果

    Figure  13.  Stripe centroid position of 8 multispectral arrays after registration

    表  1  温度变化对焦面位置的影响

    Table  1.   Focal plane position with temperature

    Temperature
    18 ℃20 ℃22 ℃
    Focal plane position428.946429.012429.077
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-11-15
  • 修回日期:  2019-12-08
  • 网络出版日期:  2020-03-20
  • 刊出日期:  2020-03-24

九谱段焦面配准测试仪的研制

doi: 10.3378/IRLA202049.0314001
    作者简介:

    常君磊(1984-),女,工程师,硕士,主要从事航天光学遥感相机研究设计工作。Email:2010life@163.com

  • 中图分类号: TN29;V443.5

摘要: 

多通道焦面遥感相机通道间的配准是相机总装定焦过程中的关键技术,通道间的配准精度决定了后续通道融合后的遥感图像质量。设计并完成了一套用于解决九谱段双通道焦面配准的测试仪。积分球照明一条狭缝,经平行光管成像在无穷远,照明九谱段相机,在相机焦面上得到一个竖直放大的狭缝像。四谱段、五谱段线阵探测器分别位于双通道焦平面上,分别调整双通道焦面的位置,计算四谱段、五谱段探测器上狭缝像的质心位置,通过质心位置来评价通道间像元的对准精度。该仪器解决了多通道焦面遥感相机通道间的配准问题,配准精度达亚像元量级,保证了通道融合后的图像质量。

English Abstract

    • 多谱带成像是资源勘查类遥感相机的主要特征,采用多谱带探测器是实现多类景物成像的主要方式。但当目标景物种类超过单个探测器谱带数量时,就需要增加探测器种类以实现更多谱带的成像需求,即所谓的多通道成像[1-2]。目前,多通道遥感相机主要通过视场分光的形式来解决多通道成像。为获得高品质的多谱带融合图像,不同通道探测器间各谱带像元位置要在光学空间上一一对准,即在像方焦平面处沿线阵方向上像元空间位置差异为亚像元(μm)量级,这样才能保证通道间图像融合后的成像质量。遥感相机不同成像通道间各谱带像元在像方焦面处沿线阵方向亚像元级的对准过程,即所谓的多谱带光学配准[3-5]。分光后不同通道的探测器分属不同结构组件,在不同结构组件间实现探测器亚像元级别的配准精度是非常困难的[6-10]。因此,多通道间谱带配准是光学遥感相机的一项关键技术,必须在总装定焦过程中予以保证。目前单通道内多个探测器间的拼接配准已比较成熟,但多通道间的配准仍处于研究摸索阶段[11-14]。“CBERS -1”遥感相机采用了成像放大法进行配准。将某谱带CCD放置于无穷远成像系统的焦面处,经聚焦透镜放大成像,由摄像系统接收,人眼通过视频图像观测到像元的位置信息。调整CCD将其中心像元置于光轴上,并固定。然后其余各谱段均以此谱段CCD为基准,通过转台转动,依次进行调整,从而完成全视场配准[15]。成像放大法需人眼观察判断及转台调整,受人眼差异、光强、转台精度等因素影响大,精度低,稳定性差。

      文中要进行配准的遥感相机具有九个成像谱段,焦面为分光棱镜分光而成的两个成像通道,两通道分别采用五色(含一个全色谱段和四个多光谱段,二者像元大小不同)、四色CCD(含四个多光谱段),分别实现五个光谱段成像和四个光谱段成像。一片CCD内各单谱段的对准精度由芯片光刻工艺决定,能满足图像融合要求,但是两成像通道之间则必须进行配准,才能满足后续的通道间图像融合要求。根据项目需求,两个通道间沿线阵方向的对齐精度需小于0.3像元,以满足后续的图像融合需求。目前,常用的成像放大法无法满足该相机中两通道九谱段的配准需求,市场上也没有用于该类用途的商用测试仪器。为满足配准需求,研制了一种九谱段焦面配准测试仪,使用平行光管对狭缝成无限远像,狭缝模拟目标同时照明双通道上的九谱段探测器,分别在四色五色CCD上成放大的狭缝像,通过灰度重心法提取狭缝像质心位置[16],依据质心位置调整焦面位置,实现通道间的高精度配准。传统的成像放大配准法,是依赖转台旋转分别对各谱段视场进行调整配准。相比传统方法,文中提出的方法是对各通道谱段同时照明成像,在同一子午视场下调整配准,不受环境及转台等外界因素的干扰。另外,传统的成像放大配准法是靠人眼观察视频像判读像元位置,属定性判读,精度低。文中提出的方法是基于数字图像处理的质心提取,属定量判读,结果更准确可靠。

    • 谱段焦面配准测试仪的检测原理如图1所示。积分球照明沿y方向放置的狭缝,经光学系统成像在无穷远,照明九谱段相机,在相机四色、五色焦平面上同时得到一个竖直放大的狭缝像。分别调整四色、五色焦面沿x轴的位置,计算四色、五色探测器上光斑的质心位置,通过对比质心位置,来评价通道间像元的对齐精度。

      图  1  焦面配准测试仪原理图

      Figure 1.  Illustrative diagram of focal plane registration instrument

    • 根据项目要求对测试仪系统参数进行针对性设计与分析。测试系统的主要技术指标为:谱段范围0.4~1.1 μm,焦距500 mm,入瞳口径150 mm,视场2ω=4°,成像质量RMS=λ/7 (λ=632.8 nm)。照明光源采用积分球,主要技术指标为:内径150 mm,出口Ф50 mm,出口处均匀性±2%。

      采用Zemax对系统进行初步分析,一镜、两镜反射式系统视场不能满足要求,三反系统价格过高。透射式光学系统可满足使用要求,且成本合理,因此,选用了透射式光学系统进行实验验证。设计结果如图2所示,采用平行光管将靶标成像到无穷远的形式[17-18]。系统主要由前后两组镜头构成,口径Ф150 mm,焦距500 mm。前组包含一片单透镜与两片双胶合透镜,后组包含一片单透镜与一片双胶合透镜。系统中各视场、各波长的平均设计波像差为0.064λλ=0.6328 μm),均约合λ/15。下面对主要影响其检测精度和成像质量的因素进行分析。

      图  2  设计光路图

      Figure 2.  Design optical path map

      (a)畸变与像差对质心位置的影响分析

      主光线偏离理想像点产生的畸变与垂直于靶标线视场方向点扩散函数的非对称性都会造成配准误差。为精确地分析畸变、像差及靶标对中误差等因素对配准精度的影响,在Zemax中建立了如图3所示的模拟光学系统。系统出射平行光,照明焦距为2 210 mm的理想相机系统,在相机焦平面上采集点扩散函数,并将各视场点扩散函数错位叠加,仿真线光源成像。据此计算不同子午视场对应的光斑的弧矢位置,即配准误差,仿真结果如图4所示。

      图  3  仿真计算系统光路图

      Figure 3.  System optical path diagram for simulation

      靶标对准误差为100 μm时,±2°子午视场角范围内光斑质心在x方向的偏移量为−0.5~0.1 μm,显示为桶形畸变,对配准精度影响不大。

      (b)色差对质心位置的影响分析

      测试仪采用同轴透射式光学系统,由于玻璃折射率影响,系统存在垂轴色差。图5为测试仪在2°有效视场范围内400 、700、1 100 nm谱段对应的垂轴色差。

      图  4  畸变与像差对质心位置的影响

      Figure 4.  Influences of distortion and aberration on centroid

      图  5  垂轴色差

      Figure 5.  Lateral chromatic aberration

      图6所示,当狭缝靶标穿过系统光轴,狭缝像质心没有偏移,垂轴色差对配准无影响。若狭缝偏离光轴D,线视场H处垂轴色差会导致质心产生偏移,偏移量P=A·D / H。视场角为2°时,H为17.46 mm,长短波垂轴色差A为4 μm,若狭缝偏移D为0.5 mm,计算得P为0.11 μm。实际测试仪狭缝靶标相对光轴的安装精度远优于0.5 mm,因此,色差对配准精度无影响。

      图  6  狭缝偏离光轴导致狭缝像质心的偏移

      Figure 6.  Slit image centroid shifting resulted from slit deviation

      (c)对温度影响的补偿

      九谱段焦面配准测试系统要求在(20 ±2) ℃范围内工作。结构设计选择硬铝作为结构材料,线胀系数23.5×10−6/℃。温度的改变会引起结构的变化,从而改变系统的焦距等参数,造成像面光斑离焦及成像质量下降等问题。假定热胀冷缩过程中,透镜与外筒位置相对固定,则以前组透镜的最后一面顶点为坐标原点,分析温度变化时的最佳焦面位置,如表1所示

      表 1  温度变化对焦面位置的影响

      Table 1.  Focal plane position with temperature

      Temperature
      18 ℃20 ℃22 ℃
      Focal plane position428.946429.012429.077

      ±2 ℃的温度变化,对应理想像面位置变化约为±65 μm。这里设计补偿杆来补偿焦面位置变化:采用尼龙材料制作补偿杆,其线胀系数为120×10−6/℃。补偿杆起始于测试仪镜筒前端面,后续串联到镜筒结构内,补偿杆与镜筒选择合适的长度比例,将像面位置变化减小到±3 μm以内,从而补偿温度引起的离焦,确保光学系统参数满足要求。

    • 根据设计结果,研制了一台九谱段焦面配准测试仪器样机。

    • 成像质量(波像差)是仪器技术指标中最核心的指标,文中选用瑞士FISBA公司生产的FST10微小型激光球面干涉仪对该指标进行了测试。选用的镜头数值孔径NA=0.16,工作波长λ=632.8 nm。测试光路原理图及照片如图7所示,图8为测试现场图。干涉仪发出的标准球面波经待测平行光管系统后变为平面波,再由标准平面反射镜准直进行测量。

      图  7  成像质量测试光路图

      Figure 7.  Optical path map for image quality test

      图  8  成像质量测试设备图

      Figure 8.  Photo of image quality test equipment

      测试中,平行光管焦面位置处放置如图9所示的多孔光阑。光阑上成十字形等间距排列,横、数分别开有11个小孔,孔间距3.5 mm,分别对应了不同的视场角。九谱段焦面配准精度测试设备的各视场波像差实测数据如图10所示,各视场平均波像差为0.113λ,约合λ/8.9,成像质量优良。

      图  9  多视场波像差测试用多孔光阑

      Figure 9.  Multi-apertures for multi-field-of-view wave aberration test

      图  10  各视场波像差实测结果

      Figure 10.  Wave aberration test result of meridian and sagittal field of view

    • 图11所示为实验中采集到的五色成像通道中一多光谱CCD线阵的光强分布。由于线阵像元数太多,为显示清晰,只截取了狭缝像中心附近约±25 像元区域的光强分布。狭缝像宽度(半高全宽)约占8 像元。

      五色成像通道由四个多光谱和一个全色线阵组成,四色成像通道由四个多光谱线阵组成。八个多光谱线阵像元尺寸一致,读取速度快,同时通道内线阵无需配准,故只需对齐两个通道间的八个多光谱线阵,即可实现通道间九谱段的配准。

      图  11  五色通道内一多光谱CCD线阵的光强分布

      Figure 11.  Response distribution of one multispectral CCD array in the five-color imaging channel

      焦面配准前,八条多光谱线阵CCD采集到的狭缝像质心位置如图12所示。图中纵坐标为狭缝像的质心位置,单位为像元;横坐标为测量次数。为提高测量结果稳定性,实验中进行了1 024次重复测量,以1 024次质心测量的平均值作为测量结果。

      图  12  配准前八个多光谱通道的质心测量结果

      Figure 12.  Stripe centroid position of 8 multispectral arrays before registration

      可以看出,八个多光谱通道的质心测量数据明显分为两簇。每片CCD上的四个多光谱通道采集到的狭缝像质心位置非常接近,两片之间相差约4 像元。

      焦面配准完成后,八条多光谱线阵CCD采集到的狭缝像质心位置如图13所示。8个多光谱通道采集到的狭缝像质心分别为225.301、225.274、225.236、225.106、225.111、225.216、225.264、225.303,其均值为225.226 像元,方差为0.006 像元,最大误差为0.12 像元。

      图  13  配准完成后八个多光谱通道的质心测量结果

      Figure 13.  Stripe centroid position of 8 multispectral arrays after registration

      用研制的仪器对九谱段遥感相机进行配准的精度达到了0.1 像元,满足0.3像元配准精度的使用要求。

    • 文中针对某九谱段遥感相机的双通道焦面配准需求,设计研制了一台配准测试仪。该仪器模拟无限远竖线靶标,在双通道探测器上同时成像,采用高精度数字图像处理方式提取成像靶标质心位置,依据质心位置调整焦面位置,从而实现通道间的高精度配准。该设备便携、操作简单、成本低,且配准精度可达0.3像元尺寸,为遥感相机通道配准、图像融合提供了有力保证。

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