[发明专利]一种基于CCD阵列像素响应函数频域标定的无像差图像重构方法

说明书

技术领域

本发明属于光学计量探测器标定技术领域，涉及一种基于像素响应函数的频域标定的探测器无像差成像的频域重构方法。

背景技术

光电成像探测器阵列的出现，以其便于数字化存储、传输和处理，无论是在军用上还是民用上几乎完全替代了胶片。电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)是最常用的探测器阵列之一，它能够把光学影像转化为离散的数字化电信号，其最小的工作单元为像素。随着超大规模集成电路工艺的发展，CCD的分辨力、灵敏度、稳定性等技术指标有了大幅度的提高，已被广泛应用于工业检测、机器视觉、宇航遥感、微光夜视、成像制导、数字全息、自动监控等诸多领域。

CCD的辐射响应特性反映了输入光强分布与输出灰度分布之间的关系，该特性直接关系到相应测量系统的精度，辐射响应性能参量主要包括辐射响应度、像素间响应非均匀性、非线性度、暗噪声等，对其进行标定的目的是建立CCD输出灰度分布与对应的输入光强分布的相对关系，为CCD采集的图像变换为入射光的能量分布提供转换基准。经过多年发展，CCD标定方法相继出现并不断改进，主要有能量卡计法、尖劈分光法、双缝夫琅和费衍射法、小孔夫琅和费衍射法等。这些方法考虑的最小单位均为一个像素，即简单的认为一个像素内的不同部位对于光的响应是一致的，标定的是单个像素的平均响应，并未考虑像素内部的响应分布及相邻像素间的串扰。由于像素尺寸的限制，即使是理想的CCD阵列也会引起成像的调制对比度的下降(MTF<1)，影响成像质量。而实际的器件由于结构特点、工艺的不均匀性及相邻像素的串扰等原因，像素内不同位置对光的响应并不一致，且像素尺寸、网格分布也存在微小的差异。忽略这些因素将影响成像数据分析的正确性和观测结果的真实性。

通常用像素响应函数(PRF)来表征像素内不同位置处的光敏元对入射光的响应输出，其定义为单位强度的点源照射在在阵列不同位置处时某一个像素的响应输出。研究表明，像素中心响应要高于像素边缘，且毗邻的像素之间有一定的串扰。国外早在20世纪末期就开展了较多的对于CCD的PRF的理论建模计算与实验测量的工作。通过接近衍射极限的聚焦光斑(亚微米尺寸)扫描CCD的不同像素位置可离散的测量像素的PRF，由于受聚焦光学系统衍射极限的限制，聚焦光斑的大小不能无限小，故其分辨率有一定的限制，且该方法的扫描区域只能达到数个像素，测量范围小、速度慢，不适于实际工程应用。

发明内容

本发明的技术解决的问题是：克服传统定标技术的局限性，提供一种基于CCD阵列像素响应函数频域标定的无像差图像重构方法，在频域空间标定像素响应函数，在考虑像素间响应非均匀性的同时，重点考虑了单个像素内部的响应非均匀性及像素间的串扰，同时能标定出像素的几何位置的微小偏差，在此基础上提出的成像频域重构算法，能近乎完美的复现入射到CCD感光面上的光场强度分布，使探测器的调制传递函数接近于1，实现无像差成像。

本发明的技术解决方案是：

一种基于CCD阵列像素响应函数频域标定的无像差图像重构方法，步骤如下：

(1)搭建探测器阵列像素响应函数频域标定系统。使用相干性好、功率输出稳定的激光器，并在自由空间中、波导结构中或光纤中把单中激光束等分成若干束；在这些激光束中设置检相、移相装置，用于检测并移动激光束的相位；依次在这些激光束中选择任意两路激光，使得它们彼此干涉，形成干涉场。在干涉场平面处放置待定标的CCD相机及标准辐射度计，调节CCD平面与标准辐射度计的感光面共面，并通过数据线及控制线与计算机相连；

(2)固定空间频率下的数据采集。具体的过程如下：

(2.1)打开激光器，调节激光器输出功率设置在规定值，选择两路输出激光束，此时所对应的空间频率记为(k_x1,k_y1)，待激光器预热完成输出激光模式及功率稳定后，将标准辐射度计移入测量光路，分别单独遮挡两束出射激光，在计算机控制下采集记录标准辐射度计的读数I₁₁，I₂₁；去除遮挡，将待标定CCD移入测量光路，则此时入射的干涉场的光强度分布如式(1)所示，(x,y)为CCD上的空间坐标位置，设置CCD的曝光时间与增益值为规定值，在计算机控制下采集一组图像并取平均值，保存该平均值图像数据，记为I_mn1为此时第(m，n)像素的像素输出值，为两束激光束的相位差，则，