一种探测器像素内响应变化测量方法及系统技术方案

一种探测器像素内响应变化图像测量方法及系统，通过搭建测量系统，利用显微镜物镜将准直光束聚焦到图像探测器上，形成一个直径极小的艾里光斑，将光斑定位到待测像素的中心并调整位移平台以将探测器设置在显微镜物镜的焦平面上，通过在固定像素区域上进行扫描，并将每一帧的数据进行处理后，将测量的数据与图像的数学模型相匹配，得到待测像素内响应变化的模型输出。本发明专利技术可以重构探测器的输出模型，并且与实验测量提取到的像素内响应变化图像拟合良好，提取到的像素内响应变化图像包含着图像探测器通过点光源光学系统成像后得到像斑的整体形状信息，可以用作特定的标定滤波器，利用像素内响应变化为图像探测器进行定标，研究图像探测器的科学成像能力。

【技术实现步骤摘要】
一种探测器像素内响应变化测量方法及系统
本专利技术涉及一种探测器像素内响应变化测量方法及系统，属于光学图像探测器

技术介绍
科学级的光学图像探测器如CCD或CMOSAPS等，作为主流光学图像转换成电子信号的设备，广泛地应用于天文学、生物学，紫外成像，电力线检测，夜视成像，低光安全等科学研究中。当前空间任务中，卫星、洲际战略导弹、宇航飞船等航空航天飞行器为了自身姿态确定和控制，以及特定任务的光轴指向或目标指向，绝大多数采用星敏感器等运用光学图像探测器的姿态敏感器。研究图像探测器的科学成像能力，可以为提升星敏感器等光学姿态敏感器的测量精度提供新的思路和方法，从而有助于航空航天飞行器在完成空间任务使获得更高精度测量的表现。已有研究表明，由于航天器在轨运行中产生的指向抖动，会导致探测目标在图像探测器上形成的点扩展函数(PSF)图像在一个像素内轻微移动，导致在积分通量信号中产生额外的噪声源。通过研究图像探测器的科学成像能力，可以对这种噪声源进行抑和补偿。为了科学应用，高性能成像系统可以通过将图像探测器的响应映射到单个像素内光学点的不同位置来校准。对此，就必须描述单个像素内灵敏度的变化，图像探测器的单个像素内的感光灵敏度变化称为像素内响应变化或像素内响应非均匀性。在空间任务中，利用像素内响应变化对图像探测器进行定标，有助于提升姿态敏感器的测量精度，也有助于目标在探测器焦平面上的跟踪。而在现有技术中，还没有能够对图像探测器的像素内响应变化进行稳定与快速测量的装置，也没有行之有效的相应建模方法。r>
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服已有技术中的缺陷，提供一种光路简单，效率高，操作方便，能够应用于各种类型的图像探测器像素内响应变化的测量方法，适用于实际工程应用。本专利技术的技术解决方案是：一种探测器像素内响应变化测量方法，包括以下步骤：(1)搭建探测器像素内响应变化测量系统；探测器像素内响应变化测量系统包括：白炽灯光源、彩色滤光片、针孔掩模、平行光管、光学平台、显微镜物镜、图像探测器芯片、三轴位移平台、基座、暗室舱和直流电源；光学平台上依次放置白炽灯光源、彩色滤光片、针孔掩模、平行光管、显微镜物镜和三轴位移平台，基座安装在三轴位移平台上，图像探测器芯片固定在基座上；显微镜物镜、图像探测器芯片、三轴位移平台和基座均位于暗室舱内部；直流电源用于给白炽灯光源供电。白炽灯光源产生的光源通过彩色滤光片获得固定波长的光波同时滤掉紫外光和其他光学光，经过彩色滤光片的光线通过针孔掩模后进入平行光管，光线经过平行光管和显微镜物镜，照射在图像探测器芯片表面，并在单个像素及其相邻像素上形成扫描光斑，以测量其在选定像素位置上的待测像素的响应变化情况。(2)对入射光场图像进行采集；进一步的，所述步骤(2)对入射光场图像进行采集，具体为：(2.1)打开光源，连接图像探测器与计算机；待光源预热十五分钟稳定后，图像探测器表面产生一个光斑；在测量中选用圆形显微镜物镜，得到的光斑轮廓为艾里斑衍射图像；光学显微镜物镜分辨率的阿贝极限如下所示其中，rspot是光斑的半径，定义为从光斑中心到第一个最小艾里斑的距离，λ是入射光波的波长，n是物镜的折射率，α＝tan(d/2f)是由物镜直径d和焦距f定义的会聚角，NA是显微镜的数值孔径，即镜口率。(2.2)开始扫描前，控制三轴位移平台，使得光斑定位在待测像素的中心，然后移动到扫描区域的开始位置；调整位移平台与光轴共线的轴，使图像探测器芯片移动到显微镜物镜的焦平面上；(2.3)对图像探测器芯片以待测像素为中心，对其周围预设像素区域进行扫描；利用计算机控制三轴位移平台移动，使入射光束在图像探测器芯片上进行扫描并捕获子帧图像，以待测像素为中心的像素区域，构成一幅子帧图像；在每个扫描点位置捕获M幅子帧图像，计算每个扫描点数次扫描结果的平均值；(2.4)扫描区域中所有扫描帧图像的平均值存储在计算机的数据文件中，存储数据的顺序与执行扫描的顺序相同；读取所有文件，将待测像素的灰度值数据存储在一个新矩阵中，由此获得的待测像素信号作为入射光斑位置的函数，从而提供像素响应图像。(3)探测器像素内响应变化图处理。进一步的，所述探测器像素内响应变化图处理，具体包括如下步骤：(3.1)获得像素内响应变化图像，确定光斑响应轮廓模型；光斑响应轮廓模型I以艾里斑衍射图像的形式表示，如公式(2)和公式(3)所示，其中I0是艾里斑中心的最大光强值，J1是一阶贝塞尔函数，r是孔径半径；中间变量ρ＝2πrsinα/λ(4)(3.2)根据光斑响应轮廓模型，推导入射光斑图像的数学模型；在直角坐标系中，将中间变量ρ改写为其中，w0是J1(ρ)＝0，即第一个零点的位置，w是输入图像的半径，由显微镜物镜的镜口率和入射波长决定；由此得到的艾里斑形式的入射光斑数学模型如公式(5)所示；(3.3)根据得到的入射光斑数学模型，定义被测像素的像素响应模型；对于每个待测像素定义一个p×p的亚像素单位，将每个被测像素的像素响应模型的定义如式(6)所示：其中，每个亚像素的响应度由Rij定义，(i,j)是亚像素空间坐标，定义模型(xk,yk；R1,1,R1,2,R1,3,...,Rp,p)是具有两个点位置空间坐标(xk,yk)和p×p个亚像素响应度参数的强度值模型；令向量ak表示坐标(xk,yk)，(xk,yk)是每次观测中的观测点位置，表示相对于像素网格的亚像素偏移；向量Rk表示模型的所有参数，(xmin,i,xmax,i)和(ymin,j,ymax,j)定义亚像素(i,j)的边界；被测像素的像素响应模型可记为(ak；Rk)；(3.4)通过最小化实验测量数据和模型之间的卡方拟合度得到亚像素区域的响应Rk，卡方拟合度χ的具体形式如式(7)所示；其中，N是待测像素上的扫描点总数，ObRk是为第k个观测点位置的平均图像，δk是测量ObRk的不确定度，由于在每个扫描点位置捕获M幅子帧图像，所以用因子来降低δk；(3.5)选择ObRk的不确定度δk的数值，采用Levenberg-Marquardt最小二乘算法拟合得到的解将给出待测像素内响应变化图像。进一步的，本专利技术还提出一种探测器像素内响应变化测量系统，包括：测量系统搭建模块：搭建探测器像素内响应变化测量系统；采集模块：对入射光场图像进行采集；处理模块：探测器像素内响应变化图处理。本专利技术的优点在于：本专利技术方法提供一种光路简单，效率高，操作方便，能够应用于各种类型的图像探测器像素内响应变化的测量方法，适用于实际工程应用。与现有同类方法相比，本专利技术方法原理简单，与同类方法要求使用稳频激光干涉光路相比，对光路的精确程度要求低，操作简单，数据运算量大，运行速度快，适用于大多数普通级或科学级图像探测器的像素内响应标定，有助于研究人员对图像本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种探测器像素内响应变化测量方法，其特征在于包括以下步骤：/n(1)搭建探测器像素内响应变化测量系统；/n(2)对入射光场图像进行采集；/n(3)探测器像素内响应变化图处理。/n

【技术特征摘要】
1.一种探测器像素内响应变化测量方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)搭建探测器像素内响应变化测量系统；
(2)对入射光场图像进行采集；
(3)探测器像素内响应变化图处理。


2.根据权利要求1所述的一种探测器像素内响应变化测量方法，其特征在于：探测器像素内响应变化测量系统包括：白炽灯光源(1)、彩色滤光片(2)、针孔掩模(3)、平行光管(4)、光学平台(5)、显微镜物镜(6)、图像探测器芯片(7)、三轴位移平台(8)、基座(9)、暗室舱(10)和直流电源(11)；
光学平台(5)上依次放置白炽灯光源(1)、彩色滤光片(2)、针孔掩模(3)、平行光管(4)、显微镜物镜(6)和三轴位移平台(8)，基座(9)安装在三轴位移平台(8)上，图像探测器芯片(7)固定在基座(9)上；显微镜物镜(6)、图像探测器芯片(7)、三轴位移平台(8)和基座(9)均位于暗室舱(10)内部；直流电源(11)用于给白炽灯光源(1)供电。


3.根据权利要求2所述的一种探测器像素内响应变化测量方法，其特征在于：白炽灯光源(1)产生的光源通过彩色滤光片(2)获得固定波长的光波同时滤掉紫外光和其他光学光，经过彩色滤光片(2)的光线通过针孔掩模(3)后进入平行光管(4)，光线经过平行光管(4)和显微镜物镜(6)，照射在图像探测器芯片(7)表面，并在单个像素及其相邻像素上形成扫描光斑，以测量其在选定像素位置上的待测像素的响应变化情况。


4.根据权利要求2所述的一种探测器像素内响应变化测量方法，其特征在于：所述步骤(2)对入射光场图像进行采集，具体为：
(2.1)打开光源，连接图像探测器与计算机；待光源预热十五分钟稳定后，图像探测器表面产生一个光斑；在测量中选用圆形显微镜物镜，得到的光斑轮廓为艾里斑衍射图像；
(2.2)开始扫描前，控制三轴位移平台，使得光斑定位在待测像素的中心，然后移动到扫描区域的开始位置；调整位移平台与光轴共线的轴，使图像探测器芯片移动到显微镜物镜的焦平面上；
(2.3)对图像探测器芯片以待测像素为中心，对其周围预设像素区域进行扫描；
利用计算机控制三轴位移平台移动，使入射光束在图像探测器芯片上进行扫描并捕获子帧图像，以待测像素为中心的像素区域，构成一幅子帧图像；在每个扫描点位置捕获M幅子帧图像，计算每个扫描点数次扫描结果的平均值；
(2.4)扫描区域中所有扫描帧图像的平均值存储在计算机的数据文件中，存储数据的顺序与执行扫描的顺序相同；读取所有文件，将待测像素的灰度值数据存储在一个新矩阵中，由此获得的待测像素信号作为入射光斑位置的函数，从而提供像素响应图像。


5.根据权利要求4所述的一种探测器像素内响应变化测量方法，其特征在于：光学显微镜物镜分辨率的阿贝极限如下所示



其中，rspot是光斑的半径，定义为从光斑中心到第一个最小艾里斑的距离，λ是入射光波的波长，n是物镜的折射率，α＝tan(d/2f)是由物镜直径d和焦距f定义的会聚角，NA是显微镜的数值孔径，即镜口率。


6.根据权利要求5所述的一种探测器像素内响应变化测量方法，其特征在于：所述步骤(3)探测器像素内响应变化图处理，具体包括如下步骤：
(3.1)获得像素内响应变化图像，确定光斑响应轮廓模型；
光斑响应轮廓模型I以艾里斑衍射图像的形式表示，如公式(2)和公式(3)所示，其中I0是艾里斑中心的最大光强值，J1是一阶贝塞尔函数，r是孔径半径；






中间变量ρ＝2πrsinα/λ(4)
(3.2)根据光斑响应轮廓模型，推导入射光斑图像的数学模型；
在直角坐标系中，将中间变量ρ改写为其中，w0是J1(ρ)＝0，即第一个零点的位置，w是输入图像的半径，由显微镜物镜的镜口率和入射波长决定；由此得到的艾里斑形式的入射光斑数学模型如公式(5)所示；



(3.3)根据得到的入射光斑数学模型，定义被测像素的像素响应模型；
对于每个待测像素定义一个p×p的亚像素单位，将每个被测像素的像素响应模型的定义如式(6)所示：



其中，每个亚像素的响应度由Rij定义，(i,j)是亚像素空间坐标，定义模型(xk,yk；R1,1,R1,2,R1,3,...,Rp,p)是具有两个点位置空间坐标(xk,yk)和p×p个亚像素响应度参数的强度值模型；令向量ak表示坐标(xk,yk)，(xk,yk)是每次观测中的观测点位置，表示相对于像素网格的亚像素偏移；向量Rk表示模型的所有参数，(xmin,i,xmax,i)和(ymin,j,ymax,j)定义亚像素(i,j)的边界；被测像素的像素响应模型可记为(ak；Rk)；
(3.4)通过最小化实验测量数据和模型之间的卡方拟合度得到亚像素区域的响应Rk，卡方拟合度χ的具体形式如式(7)所示；



其中，N是待测像素上的扫描点总数，ObRk是为第k个观测点位置的平均图像，δk是测量ObRk的不确定度，由于在每个扫描点位置捕获M幅子帧图像，所以用因子来降低δk；
(3.5)选择ObRk的不确定度δk的数...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁利，张承钰，王立，郑然，武延鹏，王苗苗，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11