淺談光電成像系統的性能優化

金超 閆偉

摘 要：隨著我國科學技術不斷的發展進步，也在很大程度上推動了我國光電成像領域的發展進程，人們也逐漸增強對其的重視度，所以本文主要立足于光電成像系統當中的性能優化，展開了深入的研究與分析，以此期望為我國今后在對于光電成像系統當中的性能優化問題上，提供一些參考性的建議。

關鍵詞：光電成像；系統性能；實時優化；分析總結

光電成像系統性能的評價所涉及的范圍是非常廣泛的，其主要涉及了：光學系統以及陣列探測器構成的光電成像系統，而下文則主要針對于這兩個系統的整體性能上進有效的優化設計。通常來講，光電成像鏈路主要是包含了：目標以及背景、大氣傳輸、光學系統、探測器、電子線路、圖像處理、籌夠等等多方面，這些環節上也包含了光學、材料以及機械學、圖像處理等多種領域。

1 光電成像系統的物像關系概述

在基于一般的CCD相機成像系統的物面光強分布當中，對于以及與著像面光強分布的之間的關系則備定義為：=。那么在此公式當中，對于當中，則是將其作為光學系統當中的點擴散函數，而則是代表著整個CCD像元間距在x，y方向的數值。那么*則是代表著整個卷積[1]。

在對于此種公式進行傅里葉變換的過程當中，就能夠很好的到處了像與物空間頻譜之間所存在的某種關系則公式為：那么，在此公式當中，H則是代表著為光學系統的傳遞函數，在對于則主要是代表著CCD像元尺寸決定的CCD幾何光學的傳遞函數。針對于這兩種的乘積上，則主要是代表著光學系統與CCD接收器總的光電成像系統的傳遞函數[2]。

2 取樣定律概述

在這里設函數的截止空間頻率上為uc那么在當像面的取樣間隔為d<1/2uc的過程當中，站在空間頻譜的角度上來看，就沒有發生混疊的現象，那么也就意味著像不失真。而在當像面的取樣間隔上為d>1/2uc的過程當中，也是站在空間頻譜的角度上來看，就發生了一定程度上的混疊現象，從而導致了像失真問題的發生。而這里的uc也是被稱之為帶極限空間頻率，也稱作奈奎斯特頻率，uc=1/2天的[3]。

3 理想光電成像系統的傳遞函數概述

像元尺寸主要設置為dxd的、陣列探測器，自身所形成尺寸大約為dxd的方形點擴散函數，在這針對于這點上來看，光學的傳遞函數，從本質上來講也就是點擴散函數的傅里葉變化，本文將對于歸一化的空間頻率上具體設定是：為整個像元的尺寸，而探測器所自身截止空間的頻率上則是設定為1/d，u，將其黨作為沒有歸一化空間自身的頻率。那么此時探測器的集合傳遞函數則是為：

光電成像系統的傳遞函數，也是在整個探測器以及光學系統當中，占據著非常重要的地位，也是兩者在傳遞函數的主要乘積。如果探測器的傳遞函數上，將其歸一化為，那么針對于理想化的光學系統的傳遞函數的歸一化上則是為的過程當中，那么不管是對于探測器上，還是針對于理想光學系統上，兩者都是具有一定程度上的相同歸一化頻率的[4]。

4 光電成像系統的性能優化設計

在本文當中，所提出的主要光電成像系統的性能優化目標上，是為了能夠在最大限度上滿足于日常使用過程當中所對其提出的各種要求，在此基礎之上，將光學與電學設計上進行折中，從而使得整個光電成像系統對于自身的投資成本上以及完成的時間上得到最低的標準。

探測器的傳遞函數，通常都是會通過利用探測器自身的幾何尺寸以及電荷擴散、轉移和位相始終等多方面的關鍵因素所決定的，光學系統的函數傳遞上，也主要是通過利用光學系統的有效設計、加工裝配、環境試驗、像移、姿態穩定等多方面的因素來進行決定的。探測器影響到傳遞函數的因子上是與著光學系統影響傳遞函數的因子之間是不具有聯系性的，并且是各自獨立的。即兩者的系統上也是區分開來的，兩者的系統上的傳遞函數之間相乘所得到傳遞函數，也是最終光電成像系統當中的傳遞函數[5]。

本文主要先依照與理想化的光學系統當中的直徑以及陣列探測器像元尺寸設置為d，那么對于理想化的光學系統傳遞函數的介質頻率則是為1/λF，那么對于探測器自身的幾何傳遞函數的截止頻率上則顯示為1/d，一旦，直徑占據著一個像元尺寸的過程當中，那么就會出現嚴重的欠采樣系統，也可以將其看做成為探測器受限制系統。在對于奈奎斯特頻率上，自身是具有較大的傳遞函數的，這樣就會在很大程度上導致出現頻譜混疊效應的發生，這樣也會使得像失真的狀況。例如：立足于當紅外大尺寸的像元陣列探測器自身的紅外光電成像系統，那么此時就能夠很好的通過增加空間采樣頻率的方式，來在很大程度上提升整個分辨率。

當直徑是完全等同于2個像元時的傳遞函數過程當中，也是作為一種欠采樣系統，這里一般的較大口徑長焦距的光學系統當中，主要包括了：空間心機、天文望遠鏡、航空相機等一些較大口徑長焦距的光學系統，因為自身不管是在加工裝配方面上來看，還是在對于自身的使用環境上來看，都是受到了非常多因素條件的限制，這樣就意味著，在實際對其進行使用的過程當中，傳遞函數要比原本設計的數值上明顯的偏低，因此，通常都會采用這種設計方案。

當直徑完全等同于3個像元時的傳遞函數過程當中，通常情況來講，一些中小型的光點成像系統，是最能夠有效的滿足于當直徑完全等同于3個像元時的傳遞函數過程時的采樣。那么此時的光電成像系統的傳遞函數的位置上，就會處于在奈奎斯特頻率處，這樣的主要目的也是能夠很好的滿足實現達0.1標準所對其提出的各種要求。

當直徑是完全等同于4個像元時的傳遞函數過程當中，這也是作為采樣之間間隔足夠密的光學受限制系統，這里的光電成像系統自身的分辨率也在最大限度上滿足于達到的光學系統自身分辨率所對其提出的各種要求，那么在此時的奈奎斯特頻率之上的傳遞函數則明顯處于較低的狀態，完全可以忽視掉頻譜混疊效應。在針對于一般的短焦距鏡頭配備陣列探測器的過程當中，以及在某個實驗室或者是一些較為良好的環境下來對光電成像系統進行使用當中，都是可以采用這種良好的設計，此外，在對于彈道相機以及星敏感器等實際應用的過程當中，是不需要將分辨率考慮自其中的，而是要重點加強對于目標的定位精度的重視度。具體做法：用目標在不筒的像元當中，所形成出來的灰度值，然后在合理的通過利用質心計算，從而有效的確定好目標自身的亞像元精度的確切位置。

5 結論

只有真正的增強對于光電成像系統的性能優化的重視度，才能夠更好的推動我國光電成像系統的發展進程。

參考文獻

[1]韓昌元.張振中，李阿楠.淺談光電成像系統的性能優化分析與探索[J].光學精密工程，2015，（1）：1-9.

[2]張穎，牛燕雄，呂建明，等.星載光電成像系統建模與性能評估[J].激光與光電子學進展，2015，（2）：148-154.

[3]張發強，張玉發，鄧強，等.基于MTF的光電成像系統建模仿真[J].激光與紅外，2015，（5）：549-554.

[4]陳自寬，翟宏琛，母國光.光電成像系統中的光學傳遞函數[J].光學技術，1998，（1）：57-60，41.

[5]楊紅，康登魁，姜昌錄，等.可見光光電成像系統整機綜合參數校準技術研究[J].應用光學，2015，（2）：253-258.

（作者單位：長春理工大學）