全景式航空遙感器TDI CCD精密裝調(diào)必要性分析及實(shí)現(xiàn)方法

張 健,張玲花,劉立國,張景國,陳 偉,張 雷

(1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 航空光學(xué)成像與測量中國科學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林 長春 130033；2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049；3.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所應(yīng)用光學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林 長春 130033)

全景式航空遙感器TDI CCD精密裝調(diào)必要性分析及實(shí)現(xiàn)方法

張 健1,2*,張玲花3,劉立國1,張景國1,陳 偉1,張 雷1

(1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 航空光學(xué)成像與測量中國科學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林 長春 130033；2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049；3.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所應(yīng)用光學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林 長春 130033)

為保證全景式航空遙感器的成像質(zhì)量，對其TDI CCD精密裝調(diào)展開了研究。首先介紹了全景式航空遙感器及TDI CCD的工作原理；然后對TDI CCD時間延遲積分方向與擺掃像移方向夾角引起的TDI CCD調(diào)制傳遞函數(shù)的下降展開理論研究，計(jì)算結(jié)果表明全景式航空遙感器TDI CCD必須進(jìn)行精密裝調(diào)；最后給出了全景式航空遙感器TDI CCD精密裝調(diào)的實(shí)現(xiàn)方法。裝調(diào)結(jié)果表明，該方法可達(dá)到很高的裝調(diào)精度，當(dāng)級數(shù)為200級時，裝調(diào)誤差引起TDI CCD在乃奎斯特頻率處的調(diào)制傳遞函數(shù)下降為0.999 9，完全滿足全景式航空遙感器的使用要求。

全景式航空遙感器；TDI CCD；裝調(diào)誤差；調(diào)制傳遞函數(shù)；積分級數(shù)

1 引言

航空遙感是獲取地面信息的重要技術(shù)手段，廣泛應(yīng)用于資源普查、地形測繪和軍事偵察等許多領(lǐng)域。航空遙感器按成像方式可以分為推掃式、畫幅式和全景式(擺掃式)航空遙感器［1-2］。全景式航空遙感器垂直于飛行方向擺掃成像，探測器一般選用時間延遲積分電荷耦合元件(Time Delay and Integration Charge-Coupled Devices，TDI CCD)。TDI CCD是一種特殊的線陣CCD器件，它利用時間延遲積分技術(shù)，通過TDI CCD的多級光敏元對運(yùn)動的同一目標(biāo)多次積分，可在低照度條件下獲得高靈敏度、高分辨率的圖像［3-4］。在全景式航空遙感器擺掃成像過程中，要求TDI CCD的光生電荷包在各級之間的轉(zhuǎn)移速度與靶面上的像移速度相同(包括大小和方向)，任何誤匹配都將導(dǎo)致圖像模糊［5-7］。

文獻(xiàn)［8］給出了TDI CCD全景式航空遙感器擺掃像移的補(bǔ)償方法，該方法實(shí)現(xiàn)擺掃像移正確補(bǔ)償?shù)那疤崾荰DI CCD時間延遲積分方向與擺掃像移方向一致。文獻(xiàn)［9］分析了光學(xué)拼接誤差對TDI CCD相機(jī)的影響，給出了TDI CCD在焦平面上的光學(xué)拼接的精度要求。而焦平面組件在航空遙感器整機(jī)裝調(diào)過程中難免產(chǎn)生裝調(diào)誤差，使TDI CCD的時間延遲積分方向與擺掃像移方向存在夾角，影響全景式航空遙感器成像質(zhì)量。未見文獻(xiàn)對全景式航空遙感器TDI CCD精密裝調(diào)進(jìn)行研究。本文對裝調(diào)誤差導(dǎo)致的TDI CCD調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)的下降進(jìn)行了理論計(jì)算，對全景式航空遙感器TDI CCD精密裝調(diào)的必要性進(jìn)行了分析。最后給出了一種可行的全景式航空遙感器TDI CCD高精度裝調(diào)方法。

2 全景式航空遙感器及TDI CCD工作原理

2.1 全景式航空遙感器工作原理

全景式航空遙感器通過鏡筒擺掃對地面景物進(jìn)行成像，地面景物通過掃描反射鏡、鏡頭、調(diào)焦反射鏡成像在TDI CCD上，如圖1所示。全景式航空遙感器鏡筒轉(zhuǎn)軸與航向平行，擺掃方向與航向垂直，掃描反射鏡、鏡頭、調(diào)焦反射鏡和TDI CCD同時繞鏡筒轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，從而使TDI CCD對地面景物掃描成像［10］。

圖1 全景式航空遙感器工作示意圖Fig.1 Schematic diagram of sweep aerial remote sensor

2.2 TDI CCD工作原理

TDI CCD是一種時間延遲積分CCD器件，它的結(jié)構(gòu)像一個長方形面陣器件，從功能上講，它是一個線陣器件。它的行數(shù)為延遲積分的級數(shù)(M)，它的列數(shù)為CCD器件一行的像元數(shù)［11］。TDI CCD工作原理如圖2所示，TDI CCD沿級數(shù)方向擺掃成像，假設(shè)在第一個積分周期T內(nèi)，某列第一個像元對目標(biāo)進(jìn)行曝光積分，得到的光生電荷包不讀出而是下移到該列第二個像元中；在第二個積分周期，恰好該列的第二個像元對該目標(biāo)曝光積分，得到的光生電荷包與上一個像元移來的電荷包相加，再轉(zhuǎn)移到該列第三個像元……，直到第M個積分周期，該列第M個像元將其對目標(biāo)曝光積分產(chǎn)生的電荷包和前面(M-1)個像元轉(zhuǎn)移過來的電荷包相加后，移入讀出寄存器。由此可見，必須保證TDI CCD像元的每一級依次對同一物點(diǎn)成像，故要使TDI CCD時間延遲積分方向與靶面上的擺掃像移方向一致，且TDI CCD積分方向電荷轉(zhuǎn)移速度也要與擺掃像移速度大小相同。

圖2 TDI CCD工作原理圖Fig.2 Working principle of TDI CCD

在全景式航空遙感器裝調(diào)過程中勢必存在裝調(diào)誤差，導(dǎo)致TDI CCD時間延遲積分方向與擺掃像移方向存在夾角。下文將結(jié)合TDI CCD調(diào)制傳遞函數(shù)理論對全景式航空遙感器TDI CCD精密裝調(diào)必要性展開分析。

3 全景式航空遙感器TDI CCD精密裝調(diào)必要性分析

根據(jù)2.2節(jié)分析，假設(shè)裝調(diào)完成后，TDI CCD時間延遲積分方向與擺掃像移方向夾角為θ，即裝調(diào)誤差，如圖3所示。此時雖然TDI CCD電荷包轉(zhuǎn)移速度VTDI與靶面上像移速度Vi夾角為θ，但二者大小相等［8］。將Vi分解為Vix和Viy，其中Viy與VTDI方向相同，Vix與TDI CCD行方向平行。

對TDI CCD探測器，通過計(jì)算得到其調(diào)制傳遞函數(shù)為［12］：

圖3 裝調(diào)誤差示意圖Fig.3 Sketch map of assemble error

式中，f為空間頻率，L為有效采樣間隔。對于TDI CCD，其像元尺寸為b×b，級數(shù)為M，則TDI CCD的奈奎斯特頻率為fN=1/(2b)。下面通過計(jì)算TDI CCD的調(diào)制傳遞函數(shù)分析裝調(diào)誤差θ對TDI CCD成像質(zhì)量的影響。

由于Viy=Vicosθ＜VTDI，故TDI CCD積分方向上電荷包轉(zhuǎn)移速度與擺掃像移速度不匹配，速度差為ΔV1=Vi(1-cosθ)，這將導(dǎo)致TDI CCD在時間延遲積分方向的調(diào)制傳遞函數(shù)產(chǎn)生退化。經(jīng)過M級積分后，與同步條件下應(yīng)處的位置相比，電荷包的位移為：

有效采樣間隔即為s1，用s1代替式(1)中的L，得到由于TDI CCD積分方向上VTDI與Vi不匹配引起的MTF退化為：

同理，裝調(diào)誤差θ也導(dǎo)致了TDI CCD行方向上MTF的下降。通過計(jì)算得，此時采樣間隔為Mbtanθ，代入式(1)，得到由θ引起TDI CCD行方向上的MTF退化為：

因此，裝調(diào)誤差θ引起的TDI CCD探測器總的MTF為［13］：

圖4給出了不同級數(shù)及裝調(diào)誤差θ情況下得到的TDI CCD的MTF曲線。由曲線可知，在角度θ一定的情況下，隨著級數(shù)M增大，TDI CCD的調(diào)制傳遞函數(shù)退化愈加嚴(yán)重；當(dāng)級數(shù)M一定時，隨著角度θ增大，TDI CCD的調(diào)制傳遞函數(shù)退化越來越嚴(yán)重。當(dāng)TDI級數(shù)M=200級，裝調(diào)誤差θ= 0.7°時，TDI CCD的調(diào)制傳遞函數(shù)未達(dá)到奈奎斯特極限頻率fN就已經(jīng)衰減到0，導(dǎo)致全景式遙感器失效。因此，全景式航空遙感器TDI CCD必須進(jìn)行精密裝調(diào)，保證TDI CCD時間延遲積分方向與擺掃像移方向同向，否則將嚴(yán)重影響其成像質(zhì)量。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)M=200，θ=0.03°時，MTF(fN)= 0.995，因此，要求消像旋裝調(diào)誤差θ≤0.03°。

圖4 不同級數(shù)及角度θ下TDI CCD傳遞函數(shù)曲線Fig.4 Calculated modulation transfer function associated with different stages and different assemble errors

4 全景式航空遙感器TDI CCD精密裝調(diào)實(shí)現(xiàn)方法

圖5 全景式航空遙感器TDI CCD精密裝調(diào)示意圖Fig.5 Schematic diagram of precise assembling of TDI CCD in sweep aerial remote sensing

圖6 星點(diǎn)像與TDI CCD靶面坐標(biāo)系示意圖Fig.6 Pinhole image and TDI CCD image plane coordinate system

為了方便TDI CCD裝調(diào)，許多廠家的線陣TDI CCD具有面陣模式功能，可以利用TDI CCD的面陣模式對平行光管成像，實(shí)現(xiàn)全景式航空遙感器TDI CCD的精密裝調(diào)，裝調(diào)試驗(yàn)平臺如圖5所示。具體裝調(diào)過程如下：將平行光管和全景式航空遙感器(安裝在支架上)放置在隔振平臺上，掃描反射鏡處于45°位置，旋轉(zhuǎn)全景式航空遙感器機(jī)身，使掃描反射鏡對準(zhǔn)平行光管，利用限位銷釘鎖住機(jī)身，在平行光管焦平面處安裝十字線分劃板，調(diào)整全景式航空遙感器鏡頭光軸大致與平行光管光軸垂直，在平行光管焦平面上安裝星點(diǎn)板；將全景式航空遙感器的TDI CCD設(shè)置為面陣模式，利用數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時采集TDI CCD的輸出圖像，并在計(jì)算機(jī)中實(shí)時顯示；調(diào)節(jié)全景式航空遙感器支架上的3個調(diào)節(jié)地腳，使星點(diǎn)成像在全景式航空遙感器中心視場附近；在45°附近擺動掃描反射鏡，星點(diǎn)像將在TDI CCD靶面上直線移動，采集掃描反射鏡不同位置時TDI CCD輸出的星點(diǎn)像，如圖6(a)所示；在CCD靶面上以像元為單位建立坐標(biāo)系OCCD-xCCDyCCD，坐標(biāo)原點(diǎn)位于兩個TDI CCD拼接后靶面的最上端中心處，OCCD-xCCD為線陣CCD行方向，OCCD-yCCD為線陣CCD探測器TDI方向的反方向，如圖6(b)所示，利用軟件讀取掃描反射鏡不同位置時采集到的星點(diǎn)像中心像素坐標(biāo)，觀察星點(diǎn)像的縱坐標(biāo)是否基本一致。如果此時各星點(diǎn)像的縱坐標(biāo)相差較多，星點(diǎn)像在坐標(biāo)系OCCD-xCCDyCCD中運(yùn)動軌跡為一條斜線，可以利用微調(diào)機(jī)構(gòu)通過旋轉(zhuǎn)掃描頭和焦平面組件進(jìn)行調(diào)整，直至星點(diǎn)像的縱坐標(biāo)基本一致，然后對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，給出最后結(jié)果。由于試驗(yàn)中采用的隔振平臺隔振效果不理想，星點(diǎn)像在TDI CCD靶面上并非靜止不動，無法將各星點(diǎn)像的縱坐標(biāo)調(diào)整到完全相等。試驗(yàn)最終得到的不同掃描反射鏡位置處星點(diǎn)像坐標(biāo)值如表1所示。

表1 不同掃描反射鏡位置處星點(diǎn)像坐標(biāo)Tab.1 Coordinates for pinhole image at different scan reflector positions

在坐標(biāo)系OCCD-xCCDyCCD中，利用最小二乘法擬合星點(diǎn)像運(yùn)動方程為：

如圖7所示。由此可計(jì)算出裝調(diào)誤差θ：

圖7 最小二乘擬合曲線Fig.7 Curve fitting with the principle of least-squares

將θ=-0.0045°，M=200代入式(5)得MTF(fN)=0.999 9。由此可見，裝調(diào)誤差θ對TDI CCD調(diào)制傳遞函數(shù)的影響幾乎可以忽略不計(jì)，故該方法可實(shí)現(xiàn)全景式航空遙感器TDI CCD高精度裝調(diào)。

5 結(jié)論

全景式航空遙感器采用TDI CCD擺掃成像，要求TDI CCD的電荷包在各級之間的轉(zhuǎn)移速度與擺掃引起的像移速度相等(包括大小和方向)。在全景式航空遙感器TDI CCD裝調(diào)過程中，由于裝調(diào)誤差的存在導(dǎo)致TDI CCD時間延遲積分方向與擺掃像移方向存在夾角θ。通過計(jì)算裝調(diào)誤差θ引起的TDI CCD調(diào)制傳遞函數(shù)的下降，提出TDI CCD必須進(jìn)行高精度裝調(diào)，從而保證全景式航空遙感器成像質(zhì)量。最后給出了全景式航空遙感器TDI CCD精密裝調(diào)的實(shí)現(xiàn)方法(針對具有面陣模式的TDI CCD探測器)。裝調(diào)結(jié)果表明，該裝調(diào)方法精度非常高，幾乎對TDI CCD的調(diào)制傳遞函數(shù)沒有影響，完全滿足全景式航空遙感器的使用要求。

［1］張樹青，丁亞林，李友一，等.應(yīng)用數(shù)學(xué)坐標(biāo)變換方法計(jì)算航空相機(jī)像面旋轉(zhuǎn)［J］.光學(xué)儀器，2007，29(1)：22-26.

ZHANG S Q，DING Y L，LI Y Y，et al..Computing aerial camera′s image plane revolution by coordinate conversion［J］.Optical Instruments，2007，29(1)：22-26.(in Chinese)

［2］陳偉，丁亞林，惠守文，等.推掃式航空遙感器像面調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.中國光學(xué)，2012，5(1)：30-34.CHEN W，DING

Y L，HUI SH W，et al..Design of image plane focusing structure for push-scan aerial remote sensing instrument［J］.Chinese Optics，2012，5(1)：30-34.(in Chinese)

［3］王德江，匡海鵬，蔡希昌，等.TDI-CCD全景航空相機(jī)前向像移補(bǔ)償?shù)臄?shù)字實(shí)現(xiàn)方法［J］.光學(xué)精密工程，2008，16 (2)：2465-2472.

WANG D J，KUANG H P，CAI X C，et al..Digital implementation of forward motion compensation in TDI CCD panoramic aerial camera［J］.Opt.Precision Eng.，2008，16(7)：2465-2472.(in Chinese)

［4］薛旭成，傅瑤，韓城山.TDI CCD相機(jī)的衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定度確定［J］.中國光學(xué)，2013，6(5)：767-772.

XUE X CH，F(xiàn)U Y，HANC SH.Confirmation of satellite attitude stabilization for TDI CCD camera［J］.Chinese Optics，2013，6(5)：767-772.(in Chinese)

［5］楊秀彬，賀小軍，張劉，等.偏流角誤差對TDI CCD相機(jī)成像的影響與仿真［J］.光電工程，2008，35(11)：45-50.

YANG X B，HE X J，Z L，et al..Effect and simulation of the deviant angle error on TDI CCD cameras image［J］.Opto-E-lectronic Engineering，2008，35(11)：45-50.(in Chinese)

［6］TAO SH P，JIN G，ZHANG X Y，et al..Wavelet power spectrum-based autofocusing algorithm for time delayed and integration charge coupled device space camera［J］.Applied Optics，2012，51(21)：5216-5223.

［7］HORST SCHWARZER，ANKO BOERNER，KARL-HEINZ DEGEN，et al..Dynamic PSF and MTF measurements on a 9k TDI CCD［J］.SPIE，2008，7106：71061F.

［8］吳宏圣，潘凝，翟林培.TDI CCD全景式航空相機(jī)的像移補(bǔ)償誤差分析［J］.光學(xué)精密工程，2003，11(6)：545-549.

WU H SH，PAN N，ZHAI L P.Image motion compensation error analysis for TDI CCD panoramic aerial camera［J］.Opt. Precision Eng.，2003，11(6)：545-549.(in Chinese)

［9］肖占全，翟林培，丁亞林，等.光學(xué)拼接誤差對TDI CCD相機(jī)的影響［J］.半導(dǎo)體光電，2008，29(5)：795-798.

XIAO ZH Q，ZHAI L P，DING Y L，et al..Research of optical assembly errors effects on TDI-CCD camera［J］.Semiconductor Optoelectronics，29(5)：795-798.(in Chinese)

［10］田海英，惠守文，李友一，等.用作圖法判定航空相機(jī)TDI CCD積分方向［J］.光學(xué)精密工程，2007，15(11)：1784-1788.

TIAN H Y，HUI SH W，LI Y Y，et al.Estimation of TDI direction of CCD sensor in aerial camera by graphing method［J］.Opt.Precision Eng.，2007，15(11)：1784-1788.(in Chinese)

［11］劉亞俠.TDI CCD遙感相機(jī)標(biāo)定技術(shù)的研究［D］.北京：中國科學(xué)院研究生院，2005：13-18.

LIU Y X.Research on the calibration technique of the TDI CCD remote sensing camera［D］.Beijing：Graduation School of Chinese Academy of Sciences，2005：13-18.(in Chinese)

［12］WONG H S，YAO Y L，SCHLIG E S.TDI charge-coupled devices：design and applications［J］.IBM J.Research and Development，1992，36(1)：83-106.

［13］HOLST G C，LOMHEIM T S.CMOS/CCD Sensors and Camera Systems［M］.Washington：SPIE PRESS，2007：244.

Necessity and implement method of precise assembling of TDI CCD in sweep aerial remote sensor

ZHANG Jian1，2*，ZHANG Ling-hua3，LIU Li-guo1，ZHANG Jing-guo1，CHEN Wei1，ZHANG Lei1
(1.Key Laboratory of Airborne Optical Imaging and Measurement，Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；3.State Key Laboratory of Applied Optics，Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China)

In order to ensure the imaging quality of sweep aerial remote sensor，the precise assembling of TDI CCD is researched.Firstly，the working principle of sweep aerial remote sensor and TDI CCD is introduced. Secondly，degradation in the Modulation Transfer Function(MTF)of TDI CCD caused by the angle between TDI direction of TDI CCD and image motion in the direction of pendulum swing is discussed.And the calculat-ed results demonstrate that precise assembling is indispensable to TDI CCD in sweep aerial remote sensor.Finally，the method of precise assembling of TDI CCD in sweep aerial remote sensor is provided.The assembling and adjusting results show that the assembled method of TDI CCD can give very high precision，and the MTF at Nyquist frequency of TDI CCD caused by the assembling error is 0.999 9，when the stages of TDI CCD are 200.

sweep aerial remote sensor；TDI CCD；assembling error；modulation transfer function；integration stage

V447.3

A

10.3788/CO.20140706.0996

2095-1531(2014)06-0996-07

張 健(1986—)，男，山東濟(jì)南人，博士研究生，助理研究員，2010年于哈爾濱工業(yè)大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事航空光學(xué)遙感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究。E-mail：zjian000@163.com

張景國(1972—)，男，黑龍江雙鴨山市人，副研究員，2006年于長春理工大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事航空光學(xué)遙感器光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究。E-mail：hitzjg@126.com

張玲花(1984—)，女，山西朔州人，助理研究員，2010年于哈爾濱工業(yè)大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事超精密光學(xué)加工與檢測方面的研究。E-mail：zhanglinghuahit@163.com

劉立國(1978—)，男，黑龍江七臺河人，副研究員，2001年于北京理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事航空光學(xué)遙感器光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究。E-mail：952892203@qq.com

陳 偉(1984—)，男，河南浙川人，助理研究員，主要從事航空遙感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究。E-mail：chenw2001@126.com

張 雷(1982—)，男，吉林長春人，博士，助理研究員，2010年于中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得博士學(xué)位，主要從事航空相機(jī)簾幕式快門小型化技術(shù)方面的研究。E-mail：zhangl-1982@163.com

2014-09-11；

2014-11-13

國家863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(No.2010AA010102)

*Corresponding author，E-mail：zjian000@163.com