淺談空間光學(xué)遙感器穩(wěn)像技術(shù)

李浩洋 劉兆軍 徐彭梅

（北京空間機(jī)電研究所,北京 100076）

1 引言

由于空間光學(xué)遙感器在軌運(yùn)行時(shí)會(huì)受到多重影響,引起光軸不穩(wěn)定,從而影響成像品質(zhì)。對(duì)于高軌的高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō),受光軸不穩(wěn)定的影響更明顯,會(huì)造成像質(zhì)出現(xiàn)較嚴(yán)重的退化,使圖像的對(duì)比度和分辨率降低。研究表明,若相機(jī)在積分時(shí)間內(nèi)的抖動(dòng)量超過(guò)0.1個(gè)像元,便不能得到清晰的圖像[1]。因此,為了實(shí)現(xiàn)空間光學(xué)遙感器的高分辨率需求,需研究先進(jìn)的穩(wěn)像技術(shù),提高系統(tǒng)的性能。

2 像穩(wěn)定影響因素分析

影響像穩(wěn)定的因素可分為以下幾種:

（1）衛(wèi)星平臺(tái)及相機(jī)振動(dòng)影響

影響成像的振動(dòng)源主要有姿態(tài)調(diào)整動(dòng)量輪、調(diào)姿推力器、太陽(yáng)翼、相機(jī)掃描機(jī)構(gòu)等。[2]

振動(dòng)可以分為低頻和高頻2種:低頻振動(dòng)對(duì)像質(zhì)的影響主要是引起圖像變形,使圖像品質(zhì)下降;對(duì)于高頻正弦和隨機(jī)振動(dòng),將導(dǎo)致相機(jī)像方的像元彌散斑直徑發(fā)生變化,從而出現(xiàn)不期望的“像移”,其對(duì)像質(zhì)的影響主要是圖像調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）和信噪比（S/N）下降,圖像上反映的是像點(diǎn)灰度值下降,圖像模糊。不同頻率的振動(dòng)會(huì)對(duì)像質(zhì)產(chǎn)生不同的影響,同時(shí)振幅大小也對(duì)像質(zhì)產(chǎn)生影響。

（2）衛(wèi)星姿態(tài)影響

由于姿態(tài)和軌道控制系統(tǒng)中陀螺儀存在零漂等因素,衛(wèi)星在軌運(yùn)行的姿態(tài)會(huì)出現(xiàn)漂移。同時(shí),現(xiàn)階段姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)還無(wú)法全部抑制平臺(tái)出現(xiàn)的姿態(tài)擾動(dòng),從而不能充分滿(mǎn)足空間光學(xué)遙感器對(duì)姿態(tài)穩(wěn)定越來(lái)越高的要求。這些因素都會(huì)影響光軸的穩(wěn)定,引起光學(xué)傳函傳遞函數(shù)（OTF）下降,圖像品質(zhì)降低。

（3）其他

微小隕石碰撞,太陽(yáng)輻射壓力,地球和太陽(yáng)、月亮等空間物體引力噪聲及星上相機(jī)因溫度變化產(chǎn)生的剛體微弱形變也會(huì)引起光軸抖動(dòng),造成成像不穩(wěn)定的情況。此外,在對(duì)地觀測(cè)時(shí),大氣散射引起的小范圍高頻抖動(dòng)光線(xiàn)也會(huì)影響成像品質(zhì)。[3]

3 穩(wěn)像技術(shù)

空間遙感器穩(wěn)像技術(shù)有姿態(tài)控制、減振隔離、光學(xué)穩(wěn)像、微機(jī)械穩(wěn)像、電子穩(wěn)像、綜合穩(wěn)像等。

（1）姿態(tài)控制技術(shù)

使用最早且最普遍的方法是改善衛(wèi)星的姿態(tài)軌道控制系統(tǒng),提高控制精度來(lái)更好地穩(wěn)定成像時(shí)遙感器的姿態(tài)和軌道,但這種方法無(wú)法達(dá)到當(dāng)今穩(wěn)像對(duì)姿態(tài)的高精度要求,而且研制成本巨大[4]。

（2）減振隔離技術(shù)

減振隔離技術(shù)分為被動(dòng)和主動(dòng)兩種方式,可以抑制振動(dòng),減小振動(dòng)對(duì)像質(zhì)的影響。被動(dòng)形式易于實(shí)現(xiàn),但其在減振的同時(shí)容易引起共振,而且不能單獨(dú)勝任穩(wěn)像任務(wù);主動(dòng)形式優(yōu)點(diǎn)較多,但要增加額外裝置[5]。

（3）光學(xué)穩(wěn)像技術(shù)

光學(xué)穩(wěn)像技術(shù)是在光路中設(shè)置一些光學(xué)元件作為對(duì)不穩(wěn)定圖像的補(bǔ)償。典型的光學(xué)穩(wěn)像方法是利用光楔來(lái)控制瞄準(zhǔn)線(xiàn)的方向,通過(guò)移動(dòng)或者轉(zhuǎn)動(dòng)光楔,改變出射光線(xiàn)的角度和方向,來(lái)進(jìn)行像移的補(bǔ)償,從而達(dá)到穩(wěn)像的目的。光學(xué)穩(wěn)像技術(shù)的主要缺陷是僅適用于振動(dòng)較小的環(huán)境條件,且補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)和制造工藝太復(fù)雜[5]。同時(shí),如果僅依靠棱鏡、反射鏡或者光楔等光學(xué)元件進(jìn)行被動(dòng)補(bǔ)償,穩(wěn)定能力受到較大限制。

圖1 偏轉(zhuǎn)鏡穩(wěn)像系統(tǒng)原理

（4）微機(jī)械穩(wěn)像技術(shù)

微機(jī)械穩(wěn)像技術(shù)是通過(guò)微機(jī)械裝置直接控制偏轉(zhuǎn)鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)或成像焦面移動(dòng),補(bǔ)償像移,完成穩(wěn)像任務(wù),圖1為偏轉(zhuǎn)鏡穩(wěn)像系統(tǒng)原理圖,焦面接收?qǐng)D像,根據(jù)相應(yīng)算法得到控制量,通過(guò)控制器控制偏轉(zhuǎn)鏡微動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。微機(jī)械穩(wěn)像系統(tǒng)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊,但需要通過(guò)一定方法來(lái)獲得焦面位置并對(duì)位移進(jìn)行控制。[6]

（5）電子穩(wěn)像技術(shù)

電子穩(wěn)像技術(shù)是應(yīng)用數(shù)字圖像處理的方法來(lái)直接確定圖像序列的偏移并進(jìn)行補(bǔ)償?shù)募夹g(shù),處理流程如圖2所示。電子穩(wěn)像具有易操作、更精確、體積小以及價(jià)格低、能耗小等特點(diǎn),其優(yōu)點(diǎn)在于可以補(bǔ)償任何形式的作用量,而不依賴(lài)任何支撐系統(tǒng)。[6]但目前計(jì)算的實(shí)時(shí)性不好,只用在圖像后期復(fù)原和分析。隨著數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor,DSP）等電子器件的推廣使用,這種方法正在逐漸用于實(shí)時(shí)的像移補(bǔ)償。[7]

圖2 電子穩(wěn)像處理流程

（6）綜合穩(wěn)像技術(shù)

綜合穩(wěn)像技術(shù)就是應(yīng)用多種穩(wěn)像技術(shù)控制遙感器,以獲得更好像質(zhì)的技術(shù)。隨著空間光學(xué)遙感器性能指標(biāo)的不斷提高,對(duì)成像環(huán)境要求也隨之提高,而上述介紹的幾種穩(wěn)像技術(shù)受制于環(huán)境、各有利弊。隨著空間光學(xué)遙感器性能的提高,成像環(huán)境復(fù)雜。為了更好的地完成成像任務(wù),應(yīng)該綜合應(yīng)用多種穩(wěn)像技術(shù),利用各種方法的優(yōu)勢(shì)滿(mǎn)足穩(wěn)像任務(wù)的不同需求,更好的地解決像穩(wěn)定問(wèn)題。

4 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

4.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外穩(wěn)像技術(shù)發(fā)展比較早,從最早的單一穩(wěn)像技術(shù)到現(xiàn)在的綜合穩(wěn)像技術(shù),已逐步應(yīng)用在空間光學(xué)遙感器上,取得了較好的效果。

20世紀(jì)90年代,美國(guó)NASA的GOES I-M衛(wèi)星的五波段成像儀和十九波段測(cè)深器具有穩(wěn)定成像子系統(tǒng)。穩(wěn)像子系統(tǒng)通過(guò)衛(wèi)星姿態(tài)和軌道控制系統(tǒng)得到光軸偏差的數(shù)據(jù),給掃描伺服控制器施加相應(yīng)的控制信號(hào);兩臺(tái)伺服電機(jī)在兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)反光鏡便可以有效消除光軸偏差,完成穩(wěn)定成像功能。[8]

圖3 推掃成像系統(tǒng)焦面穩(wěn)定技術(shù)

2004 年,德國(guó)的Janschek Klaus,Tchernykh Valerij等人提出了一種敏捷衛(wèi)星推掃成像系統(tǒng)焦面穩(wěn)定技術(shù)[4],原理如圖3。通過(guò)視覺(jué)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng),在光路上依靠主動(dòng)光機(jī)補(bǔ)償來(lái)穩(wěn)定焦平面上的運(yùn)動(dòng)圖像。圖像運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)測(cè)量是通過(guò)一個(gè)輔助面陣圖像傳感器和光學(xué)相關(guān)器來(lái)完成的。此系統(tǒng)可以有效減少姿態(tài)不穩(wěn)、顫振帶來(lái)的影響,提高了圖像品質(zhì),使相機(jī)對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定度的要求也大為降低。

2006 年,法國(guó)的Blanc P和Monroig G針對(duì)高軌高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)提出并討論了兩種互補(bǔ)性的方法——過(guò)累積法和閉環(huán)控制法——進(jìn)行光軸抖動(dòng)補(bǔ)償。[9]

過(guò)累積法的目標(biāo)是取足夠小的積分時(shí)間來(lái)降低光軸抖動(dòng)的影響,用單元積分時(shí)間獲得的短曝光圖像來(lái)構(gòu)建最終的一幅圖像。其主要缺點(diǎn)是:由于單元積分時(shí)間很短,短曝光圖像的數(shù)目會(huì)很多,比如在2ms的積分條件下,過(guò)累積法大約需要800幅短曝光圖像。

過(guò)累積法需要的大量短曝光圖像給處理過(guò)程帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題:首先,在兩次單元積分時(shí)間中間要有固定的時(shí)間間隔用來(lái)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯?chǔ)器。過(guò)累積法處理整個(gè)單元圖像序列需要幾十秒甚至幾分鐘的時(shí)間,這樣遙感器平臺(tái)與地面運(yùn)動(dòng)物體間會(huì)產(chǎn)生較明顯的相對(duì)運(yùn)動(dòng),帶來(lái)圖像中運(yùn)動(dòng)物體模糊的問(wèn)題,需要特殊的算法來(lái)解決這一問(wèn)題。其次,在重采樣的過(guò)程中,一般都需要處理幾百幅百萬(wàn)像素的圖像,非常耗時(shí)和耗存儲(chǔ)空間。

為了解決以上問(wèn)題,Blanc P和Monroig G首先提出用閉環(huán)控制光軸抖動(dòng),再應(yīng)用過(guò)累積法進(jìn)行處理的思想。其閉環(huán)控制的原理如圖4所示:傳感器陣列與焦面成像陣列固連在一起,直接對(duì)偏移進(jìn)行測(cè)量,再通過(guò)控制器輸出控制信號(hào),改變快速傾斜鏡角度補(bǔ)償光軸抖動(dòng)。通過(guò)閉環(huán)控制可以在一定程度上減少抖動(dòng)幅度,這樣過(guò)累積法2ms積分條件下所需要的800幅圖像就可以減少到20～40幅。閉環(huán)控制為過(guò)累積法節(jié)省了大量的時(shí)間和存儲(chǔ)空間,使其實(shí)際應(yīng)用成為可能。

圖4 閉環(huán)原理

高速小型CMOS陣列作為振動(dòng)傳感器,分布于成像焦面的邊緣,如圖5所示。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是:由于傳感器陣列與焦面成像陣列在一起,傳感器可以直接對(duì)偏移進(jìn)行測(cè)量。同時(shí),傳感器與成像陣列通過(guò)同一套光學(xué)系統(tǒng)成像,路徑相同。最重要的是,這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,不需要任何附加的復(fù)雜光學(xué)或機(jī)械子系統(tǒng)來(lái)測(cè)量振動(dòng),如加速度計(jì)。

4.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)在穩(wěn)像方面的研究起步比較晚,對(duì)探測(cè)運(yùn)動(dòng)像移算法的研究比較多,在實(shí)際中應(yīng)用還比較少。目前,浙江大學(xué)、中科院國(guó)家天文臺(tái)、長(zhǎng)春光機(jī)所等單位在穩(wěn)像技術(shù)方面取得了一定的研究成果。

圖5 傳感器分布示意圖

浙江大學(xué)的一些研究人員提出了利用高速CCD及電子穩(wěn)像算法獲得光軸偏移矢量、閉環(huán)控制焦平面微動(dòng)穩(wěn)定補(bǔ)償?shù)目臻g相機(jī)穩(wěn)定成像方法[10]。其中,電子穩(wěn)像部分計(jì)算過(guò)程為:首先由灰度投影算法得到整像素位移矢量;再利用拋物線(xiàn)插值算法分別對(duì)行列相關(guān)值序列進(jìn)行插值,求取最小值,最終得到亞像素級(jí)的位移矢量探測(cè)精度。該方法的光軸補(bǔ)償機(jī)構(gòu)通過(guò)二維微位移執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)焦平面補(bǔ)償光軸偏移,如圖6。

圖6 焦面主動(dòng)補(bǔ)償

長(zhǎng)春光機(jī)所的李清軍等人采用穩(wěn)定平臺(tái)與面陣CCD的TDI讀出算法相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)像移補(bǔ)償。其中,相機(jī)拍照時(shí)根據(jù)速高比計(jì)算行轉(zhuǎn)移頻率,控制CCD的TDI進(jìn)行像素轉(zhuǎn)移,直到曝光結(jié)束,實(shí)現(xiàn)像移補(bǔ)償。[11]

中科院國(guó)家天文臺(tái)在其研制的太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡樣機(jī)上利用相關(guān)跟蹤器進(jìn)行穩(wěn)像控制。該技術(shù)采用面陣高速CCD完成像移的測(cè)量,利用壓電偏轉(zhuǎn)鏡完成像移的補(bǔ)償,保持入射光線(xiàn)基本不變,從而在確定的曝光時(shí)間內(nèi)能夠得到清晰的圖像[12]。圖7為CCD相關(guān)跟蹤器原理圖。

圖7 相關(guān)跟蹤器原理

4.3 穩(wěn)像技術(shù)發(fā)展情況總結(jié)

根據(jù)空間遙感器各種穩(wěn)像技術(shù)的特點(diǎn)以及國(guó)內(nèi)外對(duì)穩(wěn)像控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀,對(duì)現(xiàn)有不同穩(wěn)像技術(shù)發(fā)展情況總結(jié)如下:

（1）姿態(tài)控制技術(shù)

通過(guò)平臺(tái)姿態(tài)控制的改進(jìn)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)像控制的效果,但是平臺(tái)姿態(tài)控制改進(jìn)的周期和成本是很高的,因此這種技術(shù)不是穩(wěn)像控制的核心方法,只能作為穩(wěn)像控制中一個(gè)綜合的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。

（2）減振隔離技術(shù)

減振隔離技術(shù)可以有效減少高頻的干擾,能夠在一定程度上減少姿態(tài)擾動(dòng)對(duì)成像的影響,但不能單獨(dú)完成穩(wěn)像任務(wù)。對(duì)于該技術(shù)的研究還在不斷的探索,通過(guò)采用先進(jìn)的執(zhí)行部件和智能的控制算法的配合,可以使該技術(shù)發(fā)揮出更多的作用。

（3）光學(xué)穩(wěn)像技術(shù)

傳統(tǒng)的光學(xué)補(bǔ)償方法是較早采用的穩(wěn)像技術(shù),隨著相機(jī)指標(biāo)的提高,這種方式中已不能勝任更高任務(wù)的需要。

（4）微機(jī)械穩(wěn)像技術(shù)

微機(jī)械穩(wěn)像方式是對(duì)傳統(tǒng)光機(jī)穩(wěn)像方式的全面改進(jìn),具有高速、高精度的像移探測(cè)能力和補(bǔ)償執(zhí)行能力,并且利用該技術(shù)組成的系統(tǒng)還具有體積小、功耗低、對(duì)遙感器光學(xué)系統(tǒng)影響小和對(duì)像質(zhì)影響小等眾多優(yōu)點(diǎn),因此微機(jī)械補(bǔ)償方式將成高分辨率遙感器首選的穩(wěn)像技術(shù)之一。

（5）電子穩(wěn)像技術(shù)

電子穩(wěn)像是具有較好發(fā)展前景的技術(shù),由于該方法不需要在遙感器成像系統(tǒng)附加任何機(jī)械裝置,因此產(chǎn)生的影響最小。隨著新算法和新運(yùn)算器件的發(fā)展,可以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的處理效果。

（6）綜合穩(wěn)像技術(shù)

綜合穩(wěn)像技術(shù)通常由2～3種穩(wěn)像技術(shù)組成,采用綜合穩(wěn)像技術(shù)可以在一定穩(wěn)像技術(shù)要求下降低各穩(wěn)像單元的技術(shù)難度,也可以通過(guò)綜合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的穩(wěn)像技術(shù)指標(biāo)。因此這是未來(lái)穩(wěn)像控制技術(shù)的發(fā)展方向。目前,對(duì)于單一穩(wěn)像技術(shù)應(yīng)用較多,綜合穩(wěn)像技術(shù)有一定研究,但實(shí)際應(yīng)用較少,基本還停留在簡(jiǎn)單的將幾種方法一起使用,未考慮各種方法之間的相互影響和聯(lián)系,沒(méi)有真正將各種方法綜合應(yīng)用。所以,為了保證綜合穩(wěn)像技術(shù)成功應(yīng)用于空間遙感器,在繼續(xù)深入研究各種穩(wěn)像技術(shù)的同時(shí),應(yīng)注重分析各種技術(shù)間的聯(lián)系。

5 結(jié)束語(yǔ)

穩(wěn)定成像技術(shù)對(duì)提高空間相機(jī)成像分辨率及成像品質(zhì)具有重要意義,不斷提高穩(wěn)像技術(shù)才能更好的滿(mǎn)足戰(zhàn)場(chǎng)偵察、目標(biāo)監(jiān)視、預(yù)警監(jiān)測(cè)、資源勘測(cè)等各方面的需求。

作為穩(wěn)像技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),綜合穩(wěn)像技術(shù)具備多種穩(wěn)像方法的優(yōu)點(diǎn),能夠適應(yīng)不同領(lǐng)域?qū)ο穹€(wěn)越來(lái)越高的要求,可以更好的完成穩(wěn)像任務(wù)。

我國(guó)穩(wěn)像技術(shù)與國(guó)外相比還有一定差距。在發(fā)展單一穩(wěn)像技術(shù)的同時(shí),更應(yīng)該注重研究技術(shù)間聯(lián)系,綜合應(yīng)用各種穩(wěn)像技術(shù),以更好的完成航天遙感任務(wù)。

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