[发明专利]一种空间相机波前畸变与光轴抖动的集成测量方法

说明书

技术领域

本发明属于光学波前测量技术领域，用于空间相机波前畸变误差与光轴抖动的在轨集成探测。

背景技术

高分辨率空间相机通常具备大口径、长焦距光学系统的特征，对力、热等环境变化更为敏感。星上活动部件运动等引起的高频颤振(光轴抖动)会造成图像模糊、微观尺度上的几何畸变以及测绘精度下降，而受热不均、材料退化等低频环境因素变化会造成光学系统结构及面形变化，从而产生波前畸变并降低像质；这两类扰动往往同时作用并影响系统成像质量的，并且随着系统成像分辨率和几何定位精度的提高，影响愈发明显。

如果采用适当的在轨测量和估计手段，获取两类扰动下的成像系统状态(包括光学系统结构及面形变化、离焦、光轴指向抖动等信息)，并根据主要扰动源的特性，选择适当的方式进行在线或离线的补偿，即可获得高质量的高分辨率图像。

由于颤振与环境变化两类扰动因素分别具有“高时频、低空频”和“低时频、高空频”特性，对测量手段和补偿手段的选择具有不同的要求。基于这一特点，现有空间相机应用中一般分别针对两类扰动，采用相应的传感装置和补偿装置对两类扰动误差进行在轨实时测量和校正：

(1)在空间相机波前畸变的在线补偿校正方面，通常采用的方法是利用空间自适应光学方法的波前传感器和波前校正器共同实现波前畸变的实时校正。但该方法对成像光路改动大，尤其是波前校正器串联于成像光路中，若波前校正器或其个别致动器出现故障，将导致空间相机无法正常工作。

(2)在空间相机光轴抖动的在线补偿校正方面，通常采用微机械稳像技术来补偿高频颤振对成像质量的影响。由于要针对高频率颤振完成图像帧内的稳像，因此需要光轴偏移探测精度达到微弧度的量级；而且，为了探测较宽频率范围的颤振扰动，探测频率和补偿带宽都需要达到数百赫兹，对补偿驱动装置的动态性能要求极高，同时也使成像系统变得极其复杂。

为了减少在空间相机加入各类补偿校正装置对空间成像任务带来的不利影响，近年来国内外研究者也提出了将“测量环节与补偿环节”分离的“星上误差测量、地面图像后处理”的离线补偿方法。该方法根据在轨获得的波前畸变和光轴抖动实时测量数据，计算空间相机成像的点扩展函数，然后采用图像解卷积的方法，对图像进行复原处理。相比空间自适应光学方法和微机械稳像方法，该方法大大降低了补偿装置带来的复杂性，提高了系统可靠性。

相关哈特曼-夏克波前传感方法由于测量速度快，动态范围大，精度较高，抗噪声能力强，可靠性好，适合于波前畸变的在轨测量。近年来，国内外均有将哈特曼-夏克波前传感方法应用于空间对地观测光学系统的研究，如，美国洛伦兹国家实验室(Lisa A.Poyneer，Kai La Fortune and Carri Chan.Scene-based wave-front sensing for remote imaging.Proc.SPIE，5162：91-102，2003.)，国内北京理工大学(胡新奇，俞信，赵达尊.目标图像结构和噪声对相关哈特曼-夏克波前传感精度的影响.光学学报，Vol.27，No.8，2007)等。

相关哈特曼-夏克波前传感方法的工作原理如图1所示。空间相机1将被观测目标成像在其焦面上，焦面图像经中继透镜3和阵列透镜4成像在图像探测器5上，阵列透镜由几十至几百个子透镜组成，在CCD上可产生几十至几百个子图像(如图2所示)，每个子图像在结构上相似，但位置上有相对偏移。空间相机焦面处放置的视场光阑2可避免子图像间的相互交叠。波前处理器6将完成CCD输出图像的处理，给出波前测量结果。

由于波前畸变探测需要较高的图像分辨率，相关哈特曼-夏克波前传感方法由于图像探测器帧频和波前处理速度的限制，都难以实现较高的测量速度，因而仅适合于具有测量慢变特征的波前畸变，而不适于测量具有快变特征的光轴抖动。

发明内容

本发明目的是：针对波前畸变误差和光轴抖动的星上测量问题，提出一种空间相机波前畸变与光轴抖动的集成测量方法(包括集成测量系统和集成测量模式)，利用一路传感器即可实现两种扰动误差的测量功能。

本发明是这样实现的：一种空间相机波前畸变与光轴抖动的集成测量方法，其中，使用了由视场光阑、中继透镜、阵列透镜、块读出型图像探测器和多功能处理器构成的探测设备；

在进行波前畸变探测时，块读出型图像探测器全帧读出，选取接近阵列图像中心位置的一子图像为参考子图像，计算各子图像相对于参考子图像的相对偏移，用于重构波前；