北京三號B衛星相機像質評價方法

陳西 李斌 孫欣 陳佳夷 劉君航 董欣

(北京空間機電研究所,北京 100094)

隨著現代光學遙感技術的快速發展,遙感衛星對地觀測分辨率的不斷提升,空間遙感相機的有效口徑也在逐步增大,與之對應的相機裝調方式也在不斷革新,傳統的光軸水平裝調技術已不再適用于大口徑遙感相機的生產與制造,豎直裝調技術作為一個新的技術分支可以有效改善光軸水平裝調過程中重力誤差對光學系統成像質量的影響[1]。光學系統的成像質量是評價光學遙感器的一個重要指標,整機狀態下通常采用光學靜態傳遞函數(MTF)檢測法進行測試。該檢測法被認為是一個準確、客觀、定量的像質評價指標。傳統的傳函測試方法是利用相機口徑與F數相匹配的平行光管與待測相機搭建測試光路,利用積分球在平行光管的焦點位置成像,作為物方像點。通過光學系統傳遞之后在相機的焦面位置再次成像,即為像方像點,據此得到遙感相機的傳遞函數值[2-4]。而在大口徑遙感相機的豎直裝調和檢測過程中,則需要配備適當口徑的豎直平行光管。由于豎直大口徑平行光管是一整套大型設備,考慮到設備研制困難及其成本投入較高,因此,提出了一種基于異視場準直原理的傳函測試系統及方法,該方法通過相機自身的不同視場疊加測試,實現了相機無光管狀態下的傳函測試,且測試精度滿足系統性能指標。本文主要說明在北京三號B衛星相機的研制過程中,使用該方法進行像質測試,并與傳統光管檢測結果進行對照,證明方法切實可行,且誤差量級滿足指標要求,通過設計分析與試驗驗證從原理上闡述該種傳函測試系統的合理性與工程實踐性,對于大口徑豎直光學系統的像質評價提供了理論支持。

1 系統傳函測試系統原理及數據處理方法

光學系統像質評價方法包括瑞利判據、中心點亮度、分辨率等,在實際應用中多采用光學靜態傳遞函數(MTF)進行評價。該方法通過與相應平行光管匹配應用,測得光學系統實際傳函,也稱為平行光管傳函測試法[5]。物體的細節通過高頻傳遞,物體層次通過中頻傳遞,低頻部分反映物體亮度和輪廓。適用于各種大像差、小像差的光學系統成像質量評價,客觀可靠,具有較大的參考意義[6-8]。

1.1 平行光管傳函測試法的系統原理

利用平行光管焦距與光學系統實測焦距設計投產對應靶標,根據靶標圖像,按式(1)計算靶標的像調制度Mout(v)。

(1)

式中:Mout(v)為靶標像調制度;v為空間頻率;DNw(v)為黑白靶標圖像的亮條紋灰度平均值(行數一般不少于100行);DNb(v)為黑白靶標圖像的暗條紋灰度平均值(行數一般不少于100行)。

選取其中像調制度Mout的最大值,作為所測空間頻率下的像調制度Mout(v),根據靶標的透過率,計算靶標調制度Min。

根據計算的Mout和Min,計算所測空間頻率的對比傳遞函數為

(2)

(3)

式中:CTF(v)為對比傳遞函數;τw(v)為黑白靶標暗條紋的透過率τw(v)為黑白靶標亮條紋的透過率;K為影響因子,K≤1。

MTF測量準確性主要受平行光管成像質量的不完善的影響,主要包括平行光管遮攔、面型誤差和裝調誤差帶來的殘余像差,卸載誤差等,這些因素會造成測量結果低于系統真實MTF值,采用影響因子K進行修正[9]。

K值確定的方法是:用光學設計軟件建立被測相機和測量平行光管的二者完整光學模型,在傳函測試前,用干涉儀測量平行光管的系統波像差,將波前誤差帶入完整光學模型中,仿真計算出影響因子K值大小。

1.2 數據處理方法

根據對比傳遞函數,計算MTF的值為

MTF(v)=

(4)

計算奈奎斯特頻率處的MTF為

(5)

測試中取fN空間頻率靶標圖像中的最佳數據為傳函測試結果。

考慮到平行光管和靶標的影響,平行光管CTF到MTF換算系數取1,即

MTF(v)=CTF(v)

(6)

2 基于異視場準直光路的像質評價方法

基于異視場準直光路的像質評價方法使用相機自身光學系統作為測試光路,利用光路準直,測量計算系統不同視場的像質,疊加后進行數據分析解算,最終得出相機各視場的真實波前信息[10]。下面選取北京三號B衛星相機的光學系統為例,從原理、試驗驗證等方面證明其可用來解決無平行光管狀態下的光學系統成像質量評價。

2.1 異視場疊加測試基本原理

選取北京三號B衛星鑒定相機作為待測光學系統,將其光路簡化如圖1所示。利用干涉測量技術,搭配自準直反射鏡系統(ACF),使用激光干涉儀作為光源,發射出波長為632.8nm的激光。此時干涉儀的激光匯聚點應處于待測光學系統的焦點位置,光線經過光路傳遞,分別經過了折鏡、次鏡、主鏡的三次反射,使光線在ACF處發生反射后以對稱法線角度再一次通過待測光學系統。將與系統F數相匹配的球面反射鏡放置于以待測光學系統以Z軸為對稱軸與干涉儀光軸對稱的相應位置,使光線發生逆向反射,再次通過待測系統與ACF。以球面反射鏡為反射面,反射光線會繼續在ACF處改變方向,兩次通過待測系統。調整ACF到合適角度,使出射光線在干涉儀激光匯聚點處匯聚后進入干涉儀,與出射光組成相干光源,形成干涉現象[11-13]。

圖1 光學系統簡化測試光路圖

從整體上看,測試光線從待測光學系統的正向視場入射,球面反射鏡必然應放置于系統的0視場或負向視場方向。這里球面反射鏡起到的作用是改變光線方向,使得光線再次進入待測光學系統與ACF組成的整體測試系統。干涉儀的光軸方向與球面反射鏡光軸方向所成夾角應小于或等于光學系統視場角。當所成夾角減小為0時且干涉儀光軸方向與待測光學系統光軸正交時,測試光路ACF的法線平行于待測光學系統的Z軸,光路即成為自準直光路,此時為待測光學系統的中心視場。由于光線在待測系統與ACF組成的測試系統中共傳遞了2次,在經過球面反射鏡之后光線最終傳遞回了入射光線的焦點位置,此時我們可以把整個測試系統看作是待測系統上方鏡像了一個相同的光學系統,兩者指標完全相同。如圖所示,由于光線傳遞方向在ACF處發生改變,待測光學系統的正向視場對應的則是鏡像系統的負向視場,因此將該情況稱之為系統異視場測試,此時測試結果為鏡像系統異視場像質,待測光學系統的像質與ACF像質的疊加數據。

以待測光學系統-1視場測試為例,將干涉儀激光匯聚點置于待測系統的焦面-1視場位置,該位置可通過設計投產模擬靶標確定,然后將球面反射鏡置于待測系統焦面中心視場位置,通過調整ACF的角度使得光路聯通并達到準直狀態。此時測試結果為待測系統的-1視場與鏡像系統中心視場的像質以及ACF本身像質的疊加像質。其中存在待測系統與鏡像系統指標完全相同,即待測系統與鏡像系統的中心視場像質完全一致(光線經過了相同路徑),且ACF像質已知,待測系統的中心視場像質可以通過ACF自準直光路測試得到。結果做差即為待測系統的-1視場像質,同理可得待測系統+1視場像質。

2.2 光學仿真分析

系統仿真波前包括光路中反射鏡實測波前與反射鏡位置失調量。待測光學系統中的每片反射鏡在系統裝調之前均需搭建對應測試光路進行檢測,測試結果即為各反射鏡實測波前。反射鏡位置失調量主要存在于鏡間距、反射鏡位置平移、反射鏡自身旋轉傾斜等光學件相對位置關系。結果反映在測試結果的Zernike系數中,該系數的前9項低階像差是光學系統的失調帶來的誤差,反映了系統內部元器件的位置偏移誤差與受力情況。第10項及以后的高階像差更多的反映出光學元器件自身的質量,系統的測試狀態等實際情況,一般受到光學件加工誤差與機械結構的公差以及測試光路等影響較大[14]。

仿真過程中需將圖1光路中各反射鏡的實測波前帶入設計光路,設置裝調因子為0.95,即允許最大反射鏡位置失調量權重僅為0.05,此時可認為反射鏡位置失調量對系統仿真波前的影響基本忽略不計。整個測試光路誤差僅存在于反射鏡實測波前與ACF實際像質。

根據上述原理進行仿真,圖2為測試系統±1視場疊加的仿真面型。中心視場的面型可通過ACF自準直測試直接仿真得到,這里不再列出。

圖2 測試系統各視場與中心視場疊加仿真結果

將上述系統仿真疊加面型做差可得待測系統仿真像質。待測光學系統中心視場仿真波前結果如圖3,此時波前均方根(Root Mean Square, RMS)值為0.066,對應波面上波峰波谷的高度做差(PV)值為0.544。系統±1視場的波前均方根RMS為0.074和0.073,PV值為0.542和0.566。其中離焦量(Power)代表光線經過測試系統的實際匯聚點與反射球在光軸方向上的偏移,可通過位置調整予以去除。通過測試軟件處理后,對系統仿真波前無影響,圖3中各視場仿真波前均已去除Power。表1為待測系統各視場仿真傳遞函數值。

表1 待測系統仿真傳函數值

圖3 待測光學系統各視場仿真結果

待測光學系統仿真傳函數值通過測試軟件可計算出中心視場71.4lp/mm處MTF為0.162,相應的±1視場在71.4lp/mm處MTF分別為0.165和0.157,此時全視場平均MTF為0.161,結果優于設計指標。

2.3 試驗驗證與對比

利用北京三號B衛星鑒定相機主光學(圖1)作為測試光學系統,進行異視場準直光路測試,干涉儀處在光學系統的焦面一端時,它發出的光線通過光學系統后將成為一束平行光,若在光學系統前放置ACF,則此平面鏡會將出射的平行光反射回去,反射光再次通過光學系統后仍匯聚于系統焦面的另一端[15]。圖4為測試系統各視場與中心視場疊加實測結果,中心視場波前可直接通過ACF自準直測試得到,這里僅列出±1視場的疊加測試波前。

圖4 測試系統各視場與中心視場疊加實測結果

數據處理后待測系統實測結果如圖5所示。圖中各視場實測波前均已去除Power。各視場仿真與實測波前數據對比如表2所示。

表2 仿真與實測波前數據對比

圖5 待測光學系統各視場實測結果

對比試驗即為利用大口徑豎直平行光管對待測系統進行傳函測試,需將自準直反射鏡系統替換為豎直平行光管[16]。圖6為光管傳函測量法的原理簡示,采用干涉儀激光作為光管光源,將干涉儀放置于光管焦點處,則光管出光即為同等口徑平行光。同時需將探測器安裝于待測光學系統焦面位置,此時光管與待測光學系統形成自準直光路,進行傳函測試[17]。光管傳函實測結果與異視場準直測試計算出的傳函數據表3所示。利用平行光管實測全視場傳函(71.4lp/mm)均大于0.15,與異視場準直光路測試計算傳函相對應,符合設計指標,證明了異視場準直光路對于待測光學系統像質進行了較為準確的評價,具備了較高的參考價值與工程實踐性,實現了對無光管條件下的光學系統像質測評,實用性較強。

表3 仿真與實測傳函數據對比

圖6 平行光管法傳函測試

3 結束語

本文通過對異視場準直光路測試的研究,有效解決了無光管條件下光學系統像質評價問題,降低了相機的研制成本,為商業遙感載荷的系統像質評價提供了一種新的測試手段。通過在北京三號B衛星相機的研制過程中,對該方法進行了應用驗證,結果表明該方法的測試結果準確,具有良好的工程實踐性,可滿足大口徑遙感相機光軸豎直狀態下測試的性能評價需求。