航空相机动态调制传递函数分析与研究

利用调制传递函数对动态成像质量做出评价,确立合理的稳定系统性能指标,是航空相机设计过程中需要解决的重要问题.基于线性光学系统的传递函数理论,针对匀速运动、加速运动和正弦运动等几种动态成像条件进行了定量分析,建立了像移量和动态成像质量之间的联系.针对低频正弦运动,提出了一种基于离散相位区间的动态调制传递函数计算方法.分析结果表明,在像模糊斑大小均为0.5个像元的情况下,高频正弦运动、直线运动和低频正弦运动的动态调制传递函数分别可以达到0.85、0.9和0.998,此时可以获得较理想的动态图像.据此得出了高频振动对像质的破坏最严重,直线运动次之,低频正弦运动最轻的结论.根据分析,可以针对特定的动态成像条件计算相应的调制传递函数,为航空相机系统的综合像质评价和视轴稳定系统设计提供了准确的定量参考.     

基于成像分辨率的光电成像系统抖动要求

针对图像抖动导致光电成像系统的成像分辨率降低的问题,提出了一种基于成像分辨率的光电成像系统抖动要求分析方法.根据抖动频率将抖动分为高频抖动与低频抖动,高频抖动按高斯、正弦、线性等三种抖动分布考虑,低频抖动按线性抖动分布考虑,给出了各抖动分布对应的调制传递函数模型,进而建立了含抖动全系统调制传递函数模型.基于成像分辨率要求与调制传递函数模型,给出了抖动要求定量分析方法,并给出了相应分析流程与算法.根据流程,结合特定系统参量,进行了仿真分析,结果表明:在一定成像分辨率条件下,低频视轴抖动可允许值最大,其次为高频线性抖动可允许值,最后为高频正弦与高斯抖动可允许值.     

湍流大气成像系统分辨率的研究

采用基于Kolmogorov 1941串级湍流模型建立的调制湍流折射率谱模型、简单透镜成像系统传递函数的高斯函数近似和平方近似,从理论上分析了大气成像系统的光学传递函数,研究了有限湍流尺度(湍流内、外尺度)对湍流大气中成像系统光学分辨率的影响。给出了成像系统长曝光光学传递函数和积分分辨率的近似解析关系。结果表明在采用大孔径成像系统成像时,应该考虑湍流尺度对大气系统成像的作用。     

中子半影成像中椭圆度误差的解析计算

 通过几何光学的方法为双锥孔中子半影成像过程建立了解析计算模型，得到了成像过程中中子吸收路径长度的解析表达式，导出了普适的成像传递函数解析表达式。利用模型数值模拟分析了锥孔加工中的椭圆度误差造成的图像畸变；得到了不同椭圆度偏差下系统传递函数的变化，及其对圆形物成像重建的影响。结果表明，小于0.01的椭圆度偏差对成像重建带来的影响可以忽略。与传统的Monte-Carlo方法相比，解析建模方法在速度上有较大的优势，且能够方便地推广到其他编码成像系统中。     

模板法测量图像传感器调制传递函数方法研究

在干涉条纹投射法测量的基础上，提出了利用正弦模板法测量图像传感器调制传递函数的新方法.通过将一定空间频率的正弦模板直接投射在图像传感器上，获得了同频率光强呈正弦分布的图像，通过计算求出图像传感器的调制传递函数.讨论了其具体实现方法，并用空间频率为50l/mm的计量光栅做了近似实验，采用了相应的数据处理方法，获得了较为满意的调制传递系数.     

矩形靶标测试CCD相机调制传递函数的研究

利用矩形靶标测量CCD相机的整机调制传递函数时,由于靶标与CCD像元之间存在初始角度误差与初始位置误差,实验测得的调制传递函数小于CCD相机实际调制传递函数。根据调制传递函数的定义,模拟CCD对具有初始角度误差与初始位置误差的矩形靶标成像,推导出了CCD像元的亮度分布公式,从而给出了调制度与初始角度误差和初始位置误差的关系,并分别对具有初始角度差、初始位置差的情况进行分析。最后利用像元间的亮度差推导出计算初始角度误差的理论公式并进行了仿真验证。     

图像二维运动时的光学传递函数计算

随着空间科学技术的发展,空间遥感,侦察的能力日益提高,对光学成像系统的分辨率的要求也越来越高。但是这种高分辨率成像系统的成像质量要受到机械振动的影响。可用运动光学传递函数来评价存在机械振动的光学系统的成像特性,本文探讨了计算运动光学传递函数的一种新方法－统计矩法,研究了当光学系统所成的像在二维方向上存在的运动时的运动光学传递函数的解析与数值方法。该方法可以计算任何形式的图像运动导致的成像质量的下降,而且可以很方便地应用到一维运动的情况。     

二维调制传递函数及其在波前差检测方面的应用

光学系统像质分析在光学系统设计、加工和装调过程中具有重要意义.像质分析常用的方法有调制传递函数法和波前差法.对于高分辨率光学系统,传统的一维调制传递函数由于只提供了一维空间频率信息,因此在像质检测时有一定的局限性.本文基于随机数图像的傅里叶功率谱密度理论,提出了一种利用随机数图像作为目标物来测量成像光学系统二维调制传递函数的方法;通过利用NewtonCotes求积公式,对有像差系统的光学传递函数计算公式做进一步推导,提出了利用实际成像光学系统的二维调制传递函数值直接计算系统波前差的算法.实验结果表明,二维调制传递函数较之一维调制传递函数更能真实地反应成像光学系统的成像性能;利用二维调制传递函数计算得到的波前差与理论波前差在轮廓上有较好的一致性,可以作为实际系统波前差分析的一条新途径.     

基于反射点源的高分辨率光学卫星传感器在轨调制传递函数检测

调制传递函数(MTF)可用来评估高分辨率光学卫星传感器像质,在轨MTF检测对于高分辨率卫星遥感数据的应用和未来卫星遥感器的发展具有重要意义。提出一种基于反射点源的直接检测方法,利用遥感影像数据计算得到成像系统的点扩展函数(PSF),进而获取系统的MTF值。根据成像关系和点光源图像数据,并利用非线性方程优化求解的方式得到被测光学卫星传感器成像系统的一维线扩展函数值,进而验证了可近似用高斯模型来表征高分辨率光学卫星传感器的PSF。实验结果表明,基于反射点源的光学卫星传感器在轨MTF检测结果与基于刃边靶标的在轨MTF检测结果的差异小于5%,能够实现高分辨率光学卫星传感器的在轨MTF检测。     

单框架控制力矩陀螺转子动不平衡对遥感卫星成像的影响

分析了单框架控制力矩陀螺（SGCMG）转子在高速旋转时产生的动不平衡干扰力矩引起的星体颤振角和颤振角速度对TDI CCD相机成像的影响。通过坐标变换将转子坐标系下的干扰力矩转换至星体坐标系下的干扰力矩,将卫星姿态动力学方程计算出干扰力矩引起的星体颤振角位移和颤振角速度代入TDI CCD相机成像像移补偿模型;利用TDICCD相机像点与物点对应模型的仿真系统仿真了陀螺转子在不同转速下引起星体颤振角位移和角速度对相机成像的影响;最后,利用图像对比度和互相关相似性测度分析仿真成像质量。仿真显示：SGCMG转子在转速为3 000 r/min时,横向调制传递函数为0.997,图像互相关相似性测度为0.996 1;转速为6 000 r/min时,横向调制传递函数为0.928 3,图像互相关相似性测度为0.974 8。结果表明：SGCMG转子在高速旋转过程中引起的星体颤振角位移和角速度严重影响了TDI CCD相机的成像质量,应依据颤振的影响对SGCMG实施减震措施。     

光电成像系统中的光学传递函数

本文研究了光电成像系统中的光学成像、抽样和重建等各个过程对整个系统的光学传递函数的影响。分析了光电成像系统在积分抽样和图像运动情况下的光学传递函数，重建图像中的频谱混叠和假响应情况，由此给出光电成像系统获取图像的一些原则。     

光电成像系统动态调制传递函数测量装置

在光电成像系统中,动态调制传递函数受到光学系统波像差、探测组件信号分辨率及传递特性以及载体运动引起图像模糊等环节对图像质量的综合影响,成为光电成像系统的重要参数之一。论文基于光电成像系统动静态调制传递函数的测试原理,研制一种动态调制传递函数测量装置,其中光学准直系统焦距为10 000 mm,运动目标速度控制范围达到30 mm/s～5 000 mm/s,满足长焦距光电成像系统的动态调制传递函数测试。利用该装置进行了一系列的实验研究,结果表明,动态调制传递函数测量重复性优于0.01,测量不确定度达到U=0.05（k=2）。     

正弦振动下动态调制传递函数分析与研究

振动导致航空相机成像分辨率下降,常采用动态调制传递函数(MTF)评价振动对成像质量的影响。根据线性光学系统的传递函数理论,针对任意频率的正弦振动,提出一种基于第一类贝塞尔函数的动态MTF计算方法,并以奈奎斯特频率处动态MTF不小于0.9为条件,得出低频振动的振幅容限随频率增加而减小,高频振动的振幅容限为0.2 pixel。通过对刀口靶标进行正弦振动下动态成像实验,得出理论计算结果与实验结果间相对误差小于4.25%,相比以往相关文献的分析结果,计算精度最大可提高18.5倍,因此该方法可用于预估和评价振动环境下航空相机的成像质量,对视轴稳定系统的设计具有指导意义。     

干涉仪仪器传递函数的检测方法

为了得到干涉仪的空间频率响应特性,开展了针对干涉仪的仪器传递函数的测评方法研究。建立了干涉仪成像系统的仪器传递函数的理论计算模型,利用光学设计软件仿真了菲索型干涉仪检测光路,计算并分析了该干涉系统的仪器传递函数的理论值。对基于特定频率点下的正弦位相板的方法测评干涉仪的仪器传递函数进行仿真分析,并与干涉仪的仪器传递函数的理论值进行了比对,其最大误差不超过0.6%,验证了该方法的正确性。     

离焦模糊图像的维纳滤波恢复

为消除离焦误差产生的图像模糊,介绍了基于逆滤波和维纳滤波的离焦模糊图像复原方法。从光学成像原理出发,根据高斯方程计算离焦误差,建立离焦误差与光学传递函数之间的关系。讨论了离焦误差对光学成像系统传递函数的影响。通过建立线性空间不变的模糊模型,构建点扩散函数和光学传递函数,采用与模糊过程相反的处理方法进行图像复原,消除离焦误差造成的图像模糊。测试实验中,对标准样本Lena图像进行了离焦模糊处理,采用维纳滤波算法复原图像,选择不同的离焦半径和维纳滤波参数进行对比。实验结果表明:维纳滤波方法可有效消除离焦模糊;抑制噪声干扰和"振铃效应";可把图像峰值信噪比提高到6dB以上。     

光电跟踪系统控制回路一体化设计方法

为提高搭载于运动平台之光电跟踪系统控制回路的设计效率,以运动平台角扰动、目标运动特征以及系统跟踪误差指标为边界条件,基于系统建模和参数辨识,提出一种控制回路一体化设计方法,给出各环路控制器的解析表达及一组经验公式,并以某半实物仿真系统进行验证。在等效正弦125sin(0.4t) (mrad)角扰动环境下,对正弦输入200sin(t)/3 （mrad）的跟踪误差峰值不大于0.5 mrad,满足均方误差小于0.5 mrad的指标要求,表明该控制回路一体化设计方法的有效性。     

干涉仪仪器传递函数的检测方法

为了得到干涉仪的空间频率响应特性,开展了针对干涉仪的仪器传递函数的测评方法研究。建立了干涉仪成像系统的仪器传递函数的理论计算模型,利用光学设计软件仿真了菲索型干涉仪检测光路,计算并分析了该干涉系统的仪器传递函数的理论值。对基于特定频率点下的正弦位相板的方法测评干涉仪的仪器传递函数进行仿真分析,并与干涉仪的仪器传递函数的理论值进行了比对,其最大误差不超过0.6%,验证了该方法的正确性。     

像增强器MTF测量理想像面选择方法研究

为了能够获得准确的调制传递函数测量结果,对测量系统中投射图像的理想成像面进行选择性调节。通过对微光像增强器调制传递函数测量系统光学成像性质的深入分析,讨论了光学系统的像差特性,利用平均中点取值法实现了微光像增强器调制传递函数测量中对理想成像面的选择。通过与微光像增强器已有测量结果的对比,证明所述方法能够保证微光像增强器调制传递函数测量的准确性。     

航天光学遥感器在轨调制传递函数神经网络评价方法

通过对航天光学遥感器在轨调制传递函数模型和遥感图像的分析,找出遥感图像中与调制传递函数有关的特征信息,采用神经网络为工具,完成利用遥感器传输下来的任意一幅地面景物图像进行调制传递函数的评价。首先模拟出包含不同调制传递函数等级的遥感图像,组成训练样本集,再从图像中分别提取出直接与调制传递函数有关的特征参量和与景物结构有关的特征参量,作为神经网络的输入,网络通过对训练样本集中模拟出的大量调制传递函数已知的遥感图像训练后,当再次输入一幅调制传递函数未知的遥感图像时,便能够正确估计出其调制传递函数值。这种方法不需要在地面铺设靶标或预先获得调制传递函数已知的同一地面景物的航空图像作为参考,只需获得任意一幅地面景物图像即可完成对遥感器调制传递函数的评价。实验结果表明,当不考虑噪声对调制传递函数的影响时,对调制传递函数的评价误差约为6%,而在考虑噪声时,评价误差约为9%。     

线性离散成像系统调制传递函数的随机条纹测试法

离散光电成像系统因其不再具有平移不变特性,它的调制传递函数测试具有相当的复杂性和不稳定性。为提高光学系统调制传递函数测试的灵活性和可重复性,在基于统计光学和随机信号相关性理论的基础上,分析了离散型空间随机信号经线性光学系统成像后的物像相关性,提出了应用随机条纹靶来测定调制传递函数的方法。并给出了计算数据结果。该方法从统计意义上考虑了离散采样成像器件的采样场景相位的影响,大大提高了现场测试的灵活性和自动化程度,具有很好的应用前景。此方法同样适用于一般光学成像系统的调制传递函数测量。