浅谈光电成像系统的性能优化

摘 要：随着我国科学技术不断的发展进步，也在很大程度上推动了我国光电成像领域的发展进程，人们也逐渐增强对其的重视度，所以本文主要立足于光电成像系统当中的性能优化，展开了深入的研究与分析，以此期望为我国今后在对于光电成像系统当中的性能优化问题上，提供一些参考性的建议。

关键词：光电成像；系统性能；实时优化；分析总结

光电成像系统性能的评价所涉及的范围是非常广泛的，其主要涉及了：光学系统以及阵列探测器构成的光电成像系统，而下文则主要针对于这两个系统的整体性能上进有效的优化设计。通常来讲，光电成像链路主要是包含了：目标以及背景、大气传输、光学系统、探测器、电子线路、图像处理、筹够等等多方面，这些环节上也包含了光学、材料以及机械学、图像处理等多种领域。

1 光电成像系统的物像关系概述

在基于一般的CCD相机成像系统的物面光强分布当中，对于以及与着像面光强分布的之间的关系则备定义为：=。那么在此公式当中，对于当中，则是将其作为光学系统当中的点扩散函数，而则是代表着整个CCD像元间距在x，y方向的数值。那么*则是代表着整个卷积[1]。

在对于此种公式进行傅里叶变换的过程当中，就能够很好的到处了像与物空间频谱之间所存在的某种关系则公式为：那么，在此公式当中，H则是代表着为光学系统的传递函数，在对于则主要是代表着CCD像元尺寸决定的CCD几何光学的传递函数。针对于这两种的乘积上，则主要是代表着光学系统与CCD接收器总的光电成像系统的传递函数[2]。

2 取样定律概述

在这里设函数的截止空间频率上为uc那么在当像面的取样间隔为d<1/2uc的过程当中，站在空间频谱的角度上来看，就没有发生混叠的现象，那么也就意味着像不失真。而在当像面的取样间隔上为d>1/2uc的过程当中，也是站在空间频谱的角度上来看，就发生了一定程度上的混叠现象，从而导致了像失真问题的发生。而这里的uc也是被称之为带极限空间频率，也称作奈奎斯特频率，uc=1/2天的[3]。

3 理想光电成像系统的传递函数概述

像元尺寸主要设置为dxd的、阵列探测器，自身所形成尺寸大约为dxd的方形点扩散函数，在这针对于这点上来看，光学的传递函数，从本质上来讲也就是点扩散函数的傅里叶变化，本文将对于归一化的空间频率上具体设定是：为整个像元的尺寸，而探测器所自身截止空间的频率上则是设定为1/d，u，将其党作为没有归一化空间自身的频率。那么此时探测器的集合传递函数则是为：

光电成像系统的传递函数，也是在整个探测器以及光学系统当中，占据着非常重要的地位，也是两者在传递函数的主要乘积。如果探测器的传递函数上，将其归一化为，那么针对于理想化的光学系统的传递函数的归一化上则是为的过程当中，那么不管是对于探测器上，还是针对于理想光学系统上，两者都是具有一定程度上的相同归一化频率的[4]。

4 光电成像系统的性能优化设计

在本文当中，所提出的主要光电成像系统的性能优化目标上，是为了能够在最大限度上满足于日常使用过程当中所对其提出的各种要求，在此基础之上，将光学与电学设计上进行折中，从而使得整个光电成像系统对于自身的投资成本上以及完成的时间上得到最低的标准。

探测器的传递函数，通常都是会通过利用探测器自身的几何尺寸以及电荷扩散、转移和位相始终等多方面的关键因素所决定的，光学系统的函数传递上，也主要是通过利用光学系统的有效设计、加工装配、环境试验、像移、姿态稳定等多方面的因素来进行决定的。探测器影響到传递函数的因子上是与着光学系统影响传递函数的因子之间是不具有联系性的，并且是各自独立的。即两者的系统上也是区分开来的，两者的系统上的传递函数之间相乘所得到传递函数，也是最终光电成像系统当中的传递函数[5]。

本文主要先依照与理想化的光学系统当中的直径以及阵列探测器像元尺寸设置为d，那么对于理想化的光学系统传递函数的介质频率则是为1/λF，那么对于探测器自身的几何传递函数的截止频率上则显示为1/d，一旦，直径占据着一个像元尺寸的过程当中，那么就会出现严重的欠采样系统，也可以将其看做成为探测器受限制系统。在对于奈奎斯特频率上，自身是具有较大的传递函数的，这样就会在很大程度上导致出现频谱混叠效应的发生，这样也会使得像失真的状况。例如：立足于当红外大尺寸的像元阵列探测器自身的红外光电成像系统，那么此时就能够很好的通过增加空间采样频率的方式，来在很大程度上提升整个分辨率。

当直径是完全等同于2个像元时的传递函数过程当中，也是作为一种欠采样系统，这里一般的较大口径长焦距的光学系统当中，主要包括了：空间心机、天文望远镜、航空相机等一些较大口径长焦距的光学系统，因为自身不管是在加工装配方面上来看，还是在对于自身的使用环境上来看，都是受到了非常多因素条件的限制，这样就意味着，在实际对其进行使用的过程当中，传递函数要比原本设计的数值上明显的偏低，因此，通常都会采用这种设计方案。

当直径完全等同于3个像元时的传递函数过程当中，通常情况来讲，一些中小型的光点成像系统，是最能够有效的满足于当直径完全等同于3个像元时的传递函数过程时的采样。那么此时的光电成像系统的传递函数的位置上，就会处于在奈奎斯特频率处，这样的主要目的也是能够很好的满足实现达0.1标准所对其提出的各种要求。

当直径是完全等同于4个像元时的传递函数过程当中，这也是作为采样之间间隔足够密的光学受限制系统，这里的光电成像系统自身的分辨率也在最大限度上满足于达到的光学系统自身分辨率所对其提出的各种要求，那么在此时的奈奎斯特频率之上的传递函数则明显处于较低的状态，完全可以忽视掉频谱混叠效应。在针对于一般的短焦距镜头配备阵列探测器的过程当中，以及在某个实验室或者是一些较为良好的环境下来对光电成像系统进行使用当中，都是可以采用这种良好的设计，此外，在对于弹道相机以及星敏感器等实际应用的过程当中，是不需要将分辨率考虑自其中的，而是要重点加强对于目标的定位精度的重视度。具体做法：用目标在不筒的像元当中，所形成出来的灰度值，然后在合理的通过利用质心计算，从而有效的确定好目标自身的亚像元精度的确切位置。

5 结论

只有真正的增强对于光电成像系统的性能优化的重视度，才能够更好的推动我国光电成像系统的发展进程。

参考文献

[1]韩昌元.张振中，李阿楠.浅谈光电成像系统的性能优化分析与探索[J].光学精密工程，2015，（1）：1-9.

[2]张颖，牛燕雄，吕建明，等.星载光电成像系统建模与性能评估[J].激光与光电子学进展，2015，（2）：148-154.

[3]张发强，张玉发，邓强，等.基于MTF的光电成像系统建模仿真[J].激光与红外，2015，（5）：549-554.

[4]陈自宽，翟宏琛，母国光.光电成像系统中的光学传递函数[J].光学技术，1998，（1）：57-60，41.

[5]杨红，康登魁，姜昌录，等.可见光光电成像系统整机综合参数校准技术研究[J].应用光学，2015，（2）：253-258.

（作者单位：长春理工大学）