空間超大視場相機(jī)速度失配對成像質(zhì)量的影響

董龍平，徐菲菲，黃小仙，尹達(dá)一

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空間超大視場相機(jī)速度失配對成像質(zhì)量的影響

董龍平1,2，徐菲菲1，黃小仙1，尹達(dá)一1

（1.中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海 200083；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

空間超大視場時(shí)間延遲積分電荷耦合器件（TDI-CCD）相機(jī)能在提高觀測刈幅的同時(shí)有效提高相機(jī)靈敏度，然而在其遙感過程中，由于存在地球曲率，導(dǎo)致相機(jī)邊緣視場地面分辨率退化嚴(yán)重。在分析空間超大視場相機(jī)成像的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出空間超大視場相機(jī)在不同視場位置速度失配比和調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）的計(jì)算公式。并以某空間超大視場相機(jī)為例，分析了TDI-CCD探測器統(tǒng)一和分片調(diào)整行轉(zhuǎn)移周期對成像質(zhì)量的影響。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以MTF在空間奈奎斯特頻率處下降不超過10%為約束條件，在TDI-CCD積分階數(shù)為4階時(shí)，當(dāng)空間超大視場相機(jī)總視場不超過55°時(shí)，可以采用統(tǒng)一調(diào)整探測器行轉(zhuǎn)移周期的方法進(jìn)行像移補(bǔ)償；當(dāng)空間超大視場相機(jī)總視場達(dá)到120°時(shí)，采用分片調(diào)整行轉(zhuǎn)移周期的方法可將滿足要求的像元視場從47.8%提高到86.5%。

空間遙感；速度失配；超大視場相機(jī)；調(diào)制傳遞函數(shù)；TDI-CCD

0 引言

隨著航天遙感器朝著超大視場（一般總視場角＞70°）和高分辨率觀測方向發(fā)展，對時(shí)間延遲積分電荷耦合器件（TDI-CCD）相機(jī)的研究成為現(xiàn)代遙感技術(shù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)[1]。TDI-CCD相機(jī)通過采用多級(jí)累加的成像方式來延長探測器的等效積分時(shí)間，在保證系統(tǒng)信噪比的同時(shí)，可以有效降低相機(jī)鏡頭的相對孔徑，從而可以減小整個(gè)成像系統(tǒng)的體積和成本[2]。在遙感衛(wèi)星相對于地面高度一定時(shí)，增大相機(jī)的空間視場角可以有效增加其地面覆蓋范圍。空間超大視場相機(jī)可以在不損失相機(jī)空間分辨率的情況下提高對目標(biāo)的快速搜索能力[3]。

對于空間超大視場TDI-CCD相機(jī)在軌成像時(shí)，像面上各像點(diǎn)像速差異較大。產(chǎn)生像移的原因很多，最主要的原因是衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)，其次是衛(wèi)星姿態(tài)的變化、地球自轉(zhuǎn)等[4]。像移導(dǎo)致像元光生電荷包或電壓的轉(zhuǎn)移速度與像的轉(zhuǎn)移速度不匹配，從而導(dǎo)致相機(jī)輸出圖像的模糊[5]。

對于成像視場較小的空間相機(jī)，可以采用基于星下點(diǎn)的像移計(jì)算模型[6]，即采用探測器中心視場像移速度代替其他視場像移速度來進(jìn)行全視場像移補(bǔ)償[7-8]。而對于超大視場TDI-CCD成像相機(jī)，邊緣視場的像移速度與中心視場的像移速度相差較大，在這種情況下如果仍然采用探測器中心視場像移速度來進(jìn)行像移補(bǔ)償，就會(huì)使得邊緣視場像移匹配殘差過大，最終導(dǎo)致成像質(zhì)量下降。

林明漢等[9-10]就空間大視場成像相機(jī)的邊緣視場畸變做了研究，王翀等[11-12]就空間TDI大視場相機(jī)側(cè)擺成像導(dǎo)致的邊緣視場速度失配做了相關(guān)的研究，總的來說所研究的視場都較小，都不考慮超大視場在TDI情況下的影響。本文首先分析并建立空間超大視場相機(jī)的速度失配模型，在此基礎(chǔ)上分別就統(tǒng)一和分片調(diào)整探測器的行轉(zhuǎn)移周期兩種模式對圖像調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）的影響做了詳細(xì)的計(jì)算分析，最終得到空間超大視場相機(jī)最佳工作模式下的參數(shù)。

1 空間超大視場TDI-CCD相機(jī)速度失配模型

根據(jù)圖1、圖2計(jì)算得到空間超大視場相機(jī)邊緣視場穿軌方向像元分辨率為：

圖2 邊緣視場像元分辨率計(jì)算示意圖

空間超大視場相機(jī)邊緣視場沿軌方向像元分辨率為：

圖2中，點(diǎn)為空間大視場相機(jī)偏離星下點(diǎn)處的地物點(diǎn)，在點(diǎn)相機(jī)成像時(shí)探測器電荷讀出速度為，像移速度為v，速度失配量為D。

D＝－v(3)

空間超大視場TDI-CCD相機(jī)探測器行轉(zhuǎn)移周期為，則探測器的電荷讀出速度為：

衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)周期為T，則點(diǎn)的像移速度為：

圖3 像元速度失配度計(jì)算模型

由上述分析得到像元速度失配度為：

2 調(diào)整行轉(zhuǎn)移周期對成像質(zhì)量的影響

相機(jī)的MTF是評(píng)價(jià)相機(jī)成像質(zhì)量的重要參數(shù)，表征成像系統(tǒng)再現(xiàn)景物的能力[13]。對于階積分的TDI相機(jī)來說由于速度失配導(dǎo)致的MTF下降公式可以表示為[14]：

式中：為相機(jī)空間采樣頻率即奈奎斯特頻率，＝1/(2)；為探測器單個(gè)像元尺寸；為TDI積分階數(shù)；D/為像元速度失配度。

以某一空間超大視場TDI-CCD相機(jī)為例，詳細(xì)分析統(tǒng)一和分片調(diào)整探測器行轉(zhuǎn)移周期對相機(jī)成像質(zhì)量的影響。該空間超大視場TDI-CCD相機(jī)的參數(shù)如表1所示。

該空間超大視場TDI-CCD相機(jī)的探測器是由7片子探測器在一塊基板上拼接而成。7片子探測器拼接結(jié)構(gòu)以及各子探測器中心位置如圖4所示。

圖4中每片子探測器是相互獨(dú)立的，因此可以單獨(dú)設(shè)置每片子探測器的行轉(zhuǎn)移周期。設(shè)置每片子探測器中心像元不失配時(shí)的行轉(zhuǎn)移周期為該片子探測器的行轉(zhuǎn)移周期。下文就統(tǒng)一和分片調(diào)整探測器行轉(zhuǎn)移周期對空間超大視場TDI-CCD相機(jī)成像質(zhì)量的影響做詳細(xì)的分析。

2.1 統(tǒng)一調(diào)整探測器行轉(zhuǎn)移周期對成像質(zhì)量的影響

統(tǒng)一調(diào)整探測器行轉(zhuǎn)移周期是將中心像元（圖4中0位置）不失配時(shí)的行轉(zhuǎn)移周期（＝80ms）作為整個(gè)探測器的行轉(zhuǎn)移周期。圖5(a)為空間超大視場TDI-CCD相機(jī)在統(tǒng)一調(diào)整行轉(zhuǎn)移周期的情況下，1個(gè)行轉(zhuǎn)移周期內(nèi)像移距離S和沿軌方向像元分辨率隨視場位置的變化曲線。圖5(b)為空間超大視場TDI-CCD相機(jī)像元速度失配度隨視場位置的變化曲線。由圖5可知，在統(tǒng)一調(diào)整行轉(zhuǎn)移周期時(shí)，一個(gè)行周期內(nèi)像移距離基本不變，但沿軌方向的像元分辨率退化嚴(yán)重，從而導(dǎo)致像元速度失配度很大，并且探測器越遠(yuǎn)離星下點(diǎn)像元速度失配越嚴(yán)重。

在統(tǒng)一調(diào)整探測器行轉(zhuǎn)移周期的成像模式下，由式(6)、(7)得統(tǒng)一調(diào)整探測器行轉(zhuǎn)移周期像元速度失配對成像的影響為：

2.2 分片調(diào)整探測器行轉(zhuǎn)移周期對成像質(zhì)量的影響

由圖4探測器結(jié)構(gòu)可知，每片子探測器可以具有單獨(dú)的行轉(zhuǎn)移周期，即圖4中每片子探測器中心像元（－3，－2，－1，0，＋1，＋2，＋3）不失配時(shí)的行轉(zhuǎn)移周期作為該子探測器的行轉(zhuǎn)移周期。圖6(a)為空間超大視場TDI-CCD相機(jī)在分片調(diào)整行轉(zhuǎn)移周期的情況下，一個(gè)行轉(zhuǎn)移周期內(nèi)像移距離S和沿軌方向像元分辨率隨視場位置的變化曲線。圖6(b)為分片調(diào)整時(shí)空間超大視場TDI-CCD相機(jī)像元速度失配度隨視場位置的變化曲線。由圖6可知，在分片調(diào)整行轉(zhuǎn)移周期時(shí)，所有像元的像元速度失配度都在0.3以下，像元失配度較統(tǒng)一調(diào)整行轉(zhuǎn)移周期時(shí)有較明顯的改善。

表1 某空間超大視場TDI-CCD相機(jī)的參數(shù)

圖4 空間超大視場TDI-CCD相機(jī)探測器結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 統(tǒng)一調(diào)整探測器行轉(zhuǎn)移周期時(shí)像元的速度失配度

圖6 分片調(diào)整探測器行轉(zhuǎn)移周期時(shí)像元的速度失配度

表2為每片子探測器中心像元不失配情況下的行轉(zhuǎn)移周期。由表可知越往邊緣的子探測器其行轉(zhuǎn)移周期增加越快。

在分片調(diào)整探測器行轉(zhuǎn)移周期的成像模式下，由式(6)，(7)得分片調(diào)整探測器行轉(zhuǎn)移周期時(shí)像元速度失配對成像的影響為：

表2 分片調(diào)整時(shí)每片子探測器的行轉(zhuǎn)移周期

2.3 兩種成像模式對MTF影響的比較

圖7為統(tǒng)一和分片調(diào)整探測器行轉(zhuǎn)移周期時(shí)像元速度失配對圖像MTF的影響隨視場位置的變化曲線。從圖中可以看出分片調(diào)整探測器行轉(zhuǎn)移周期后邊緣子探測器的成像質(zhì)量有了明顯的改善，并且越往邊緣的子探測器改善效果越是明顯。在航天遙感中，認(rèn)為對成像質(zhì)量的影響MIF(Dv)下降不超過10%時(shí)，成像結(jié)果是在可接受的范圍之內(nèi)的。由圖7可知，統(tǒng)一調(diào)整時(shí)MIF(Dv)下降不超過10%的視場角為55°，占總視場的47.8%，而采用分片調(diào)整時(shí)MIF(Dv)下降不超過10%的視場占總視場的86.5%。使4階空間超大視場TDI-CCD相機(jī)可用視場范圍得到大大提高，也使得空間超大視場TDI-CCD相機(jī)成像質(zhì)量有所提高。

圖7 統(tǒng)一和分片調(diào)整對圖像MTF的影響

為了更具體地表征速度失配對圖像MTF的影響，試探性的提出MTF熵的概念，定義MTF熵為所有像元的MTF之和。表3為統(tǒng)一和分片調(diào)整探測器行轉(zhuǎn)移周期的圖像MTF熵，表中顯示分片調(diào)整行轉(zhuǎn)移周期圖像MTF熵比統(tǒng)一調(diào)整MTF熵提高35%，表明分片調(diào)整行轉(zhuǎn)移周期時(shí)相機(jī)的綜合成像質(zhì)量較高。

3 結(jié)論

空間超大視場TDI-CCD相機(jī)遙感過程中由于地球存在曲率，使得相機(jī)邊緣視場存在速度失配。本文推導(dǎo)了空間超大視場相機(jī)邊緣視場速度失配度的計(jì)算公式，并就統(tǒng)一和分片調(diào)整探測器行轉(zhuǎn)移周期這兩種成像模式下，邊緣視場的速度失配對空間超大視場

表3 統(tǒng)一和分片調(diào)整的MTF熵

TDI-CCD相機(jī)成像質(zhì)量做出詳細(xì)的分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明，以MTF在空間奈奎斯特頻率處下降不超過10%為約束條件，在TDI-CCD積分階數(shù)為4階時(shí)，在空間超大視場相機(jī)總視場不超過55°的情況下，應(yīng)采用統(tǒng)一調(diào)整探測器行轉(zhuǎn)移周期的方法進(jìn)行像移補(bǔ)償；當(dāng)空間超大視場相機(jī)總視場達(dá)到120°時(shí)，采用分片調(diào)整行轉(zhuǎn)移周期的方法可將滿足要求的像元視場從47.8%提高到86.5%，總視場圖像MTF熵提高35%。當(dāng)總視場超過120°時(shí)，在星上做TDI時(shí)將導(dǎo)致邊緣視場成像質(zhì)量嚴(yán)重下降，建議在數(shù)傳速度允許的情況下，將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嫔线M(jìn)行TDI算法。

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The Influence on Image Quality by Speed Mismatch of Space Camera With Huge FOV

DONG Longping1,2，XU Feifei1，HUANG Xiaoxian1，YIN Dayi1

(1.,,200083,； 2.,100049,)

Space charge-coupled device time delay integration(TDI-CCD) camera with huge FOV can improve the observation swath and the camera sensitivity effectively. But during the imaging process of space camera with huge field of view, because of the curvature of the earth, the edge field resolution of camera reduced. It is derived that formula for calculating speed mismatch ratio and Modulation Transfer Function(MTF) of space camera with huge field of view in a different field position. The influence on TDI-CCD detector imaging quality by adjusting row transfer periods uniformly and separately in a camera with a space huge field of view is analyzed. The results of experiments and analysis suggest when the falling of MTF no more than 10% in spatial Nyquist frequency, the integration time is 4, adjusting row transfer periods uniformly can be used with the huge field no more than 55°for image motion compensation, when the total huge field reach 120°, the field of view pixels witch meet the requirements increase from 47.8% to 86.5% when adjusting row transfer periods separately.

spatial remote sensing，speed mismatch，huge FOV camera，MTF，TDI-CCD

V445.8

A

1001-8891(2016)09-0733-06

2016-01-27；

2016-04-11.

董龍平（1989-），男，安徽合肥人，碩士研究生，主要從事空間光電遙感技術(shù)方面研究。E-mail：dlp_sitp@163.com。

尹達(dá)一（1976-），男，河南開封人，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事空間光電遙感技術(shù)等方面的研究。E-mail：yindayi@mail.sitp.ac.cn。

國家自然科學(xué)基金（40776100）。