基于信息理论的航天相机性能评价方法

第33卷第 9期 2004年9月 光 子 学 报 ACTA PHOTONICA SINICA V01．33 No．9 September 2004 · 简讯 · 基于信息理论的航天相机性能评价 现阶段我国航天领域对相机成像能力评估中常 提的指标是 ：MTF。 。静态>10．2，SNR~46 dB，其中符号 MTF 静态表示系统采样频率处的静态传递 ．这 一 指标对于高分辨率空间相机要求是非常苛刻的， 它大大加大了光学的难度 ，同时也不利于实现 相机轻量化 ．笔者认为，影响航天相机地面像元分 辨率的因素很多，而且各种因素之间相互有关联，不 能片面的强调某一方面的指标，而应该考虑到成像 的各个环节，全面的评价成像质量 ． Shannon的一般数学理论所有的信息传送系统 都具有普遍意义 ¨．相机的作用就在于传递物空间 的信息 ．传递信息的通道的特性除了要以能量观点 加以考虑外，还需另一个更重要的方面，即信息量的 观点加以考虑 ．事实上相机中系统的 MTF相 当于 通信系统中的带宽 l3 J．运用 Shannon的信息量规 定，光学通道所传信息量随此通道的能量集中度增 大而增大，且在一定条件下 Shannon的信息量在具 有噪声的信息通道中可表示为⋯ log (1) 式中s 是信号方差，即能量集中度； 为噪声方 差 ，因其平均值为零 ，故即噪声强度 ． 在航天高分辨率相机中，本文主要考察 Nyquist 频率下的 MTF．一般 S／N>>1，为了便于讨论 ，我们 不采用 log符号 ，将 Shannon改写为 B=MTFN (S／N) (2) 这便是航天高分辨率相机在奈奎斯特频率下的 信道容量公式，式(2)是下面讨论的数理基础 ． 在传输型相机中，我们最终得到的是电信号 ． 相机系统可以看作是一个线性低通滤波器 ，在 电路 中相当于一个对 电压调幅(此处没有考虑相位)的 因子 ．考虑相机安装在飞行的卫星上动态成像，引 进一个动态下降因子 q，上面的讨论可描述为 MTF Q s／n=K或 s／n=K／Q(3) 式中， 为系统噪声电压，包含光学噪声和电子学噪 声 ．s为信号电压 对于较粗的图案 ， 值接近 1；对较 高细的图 案 ， 值选 3—5 ． 一 般地估计 Q约为0．5～0．6，代入式 (3)，并在 工程上考虑一定的余量，得 MTF s／n=9．此结论 有坚实的理论基础，全面考虑了成像的各个环节，且 为系统优化设计提供了理论依据 ． 以上讨论的是 TDICCD相机的性能评价 ，是以 航天侦察为 目的，以能够分辨 目标为得出的结 论 ．这个结论没有针对具体的相机，因而具有普遍 的意义 ． 参考文献 1 王之江 ．光学设计理论基础(第二版)．北京：科学出版 社 ，1985．370～380 Wang Z J．The Basic Theory of OpticM Design(2 ed)． Beijing：Science Press，1985．370～380 2 Koren N．Resolution and MTF CuFves in film and lenses， http：／／www．norman koren．com／Tutorials／MTF1A．htmlUnd 3 DEVELOPMENT OF ENGINEERING MODEL OF MEDIUM-SIZED APERTURE CAMERA SYSTEM ，http：／／ www．iaanet．org／symp／berlin／IAA-B4-0701．bdf 4 龙夫年．卫星姿态精度对TDI CCD相机的影响．哈尔滨 工业大学学报，2002，34(3)：382～384 Long F N．Journal ofHarbin Institute ofTechnology，2002，34 (3)：382～384 (中国科学院西安光学精密机械研究所陈荣利等供稿 Tel：029—88484258 收稿 日期 ：2003-()8-27) 维普资讯 http://www.cqvip.com