高行頻混合域TDI累加成像技術(shù)研究

梁楠 賀強(qiáng)民 李博 李濤

高行頻混合域TDI累加成像技術(shù)研究

梁楠 賀強(qiáng)民 李博 李濤

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

隨著航天遙感領(lǐng)域高分辨率時(shí)間延遲積分成像中行頻的提高，在一個(gè)積分時(shí)間內(nèi)入瞳能量逐漸減少，在弱光條件下成像品質(zhì)下降，需要采用增大積分級(jí)數(shù)的方法彌補(bǔ)能量的不足?，F(xiàn)有傳統(tǒng)數(shù)字域累加勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致疊加引入過多噪聲，而模擬域又受到器件工藝的影響無法實(shí)現(xiàn)大級(jí)數(shù)累加。文章首先提出了一種基于電荷域和數(shù)字域混合的累加方式，并闡述了具體成像方案。同時(shí)，結(jié)合相機(jī)在軌成像方式，對(duì)混合域累加方式下的信噪比和調(diào)制傳遞函數(shù)（Modulation Transfer Function，MTF）進(jìn)行了理論推導(dǎo)。文章最后搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境對(duì)混合域累加方式下信噪比和MTF進(jìn)行測(cè)試，并與傳統(tǒng)電荷域進(jìn)行比較，驗(yàn)證了混合域累加理論的正確性以及實(shí)現(xiàn)方法的可行性。根據(jù)分析與驗(yàn)證，文章所提方法有效的解決了單純電荷域與數(shù)字域的主要瓶頸，為超高分辨率成像領(lǐng)域提供了有效的解決方案。

高分辨率 混合域時(shí)間延遲積分 信噪比 調(diào)制傳遞函數(shù) 航天遙感

0 引言

TDI（Time Delayed and Integration）技術(shù)一直以來在航天遙感領(lǐng)域的應(yīng)用較為普遍[1]。高分辨率可見光遙感相機(jī)為了增強(qiáng)入瞳能量，主要采用TDI掃描方式，通過景物與傳感器之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行疊加成像，從而提高成像品質(zhì)。然而隨著分辨率的進(jìn)一步提高，積分時(shí)間極具縮短，TDI探測(cè)器的單像元尺寸勢(shì)必減小。單像元在一個(gè)積分時(shí)間內(nèi)入瞳能量成指數(shù)倍降低。因此需要探測(cè)器具有更加優(yōu)異的量子效率，以及更大規(guī)模的TDI級(jí)數(shù)累加電路[2]。受限于工藝原因，電荷域TDI探測(cè)器的累加級(jí)數(shù)過大會(huì)導(dǎo)致電荷轉(zhuǎn)移效率的降低，從而使得調(diào)制傳遞函數(shù)下降。針對(duì)上述問題，文獻(xiàn)[3]提出了通過卷簾曝光的面陣器件，以一定時(shí)序關(guān)系將每行圖像進(jìn)行數(shù)字疊加的級(jí)數(shù)累加方式。而該方式采用大規(guī)模數(shù)字累加又會(huì)使得大量的量化噪聲、讀出噪聲等得到累加，使得圖像品質(zhì)并不能按預(yù)期增強(qiáng)；圖像動(dòng)態(tài)范圍理論上沒有得到增強(qiáng)，圖像信噪比也提升有限[4]。

基于此種背景下，針對(duì)超大規(guī)模TDI級(jí)數(shù)累加成像，本文提出了一種電荷域與數(shù)字域共存的大級(jí)數(shù)累加控制方法，并提出了基于FPGA進(jìn)行數(shù)字累加的實(shí)現(xiàn)方式。與傳統(tǒng)累加方式進(jìn)行對(duì)比，通過理論推導(dǎo)分析出混合域級(jí)數(shù)累加在電荷轉(zhuǎn)移效率、圖像信噪比方面的優(yōu)勢(shì)。最終，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，驗(yàn)證了本文所提出的混合域累加方法的有效性和可實(shí)現(xiàn)性。本文所提方法有效的解決了單純電荷域或數(shù)字域累加在超高分辨率成像上的主要瓶頸，為后續(xù)航天產(chǎn)品提供了高分辨率成像有效的解決方案。

1 超大規(guī)模TDI級(jí)數(shù)累加方法

對(duì)于像元尺寸較小的探測(cè)器而言，在低電壓驅(qū)動(dòng)環(huán)境下，探測(cè)器滿阱電荷無法提高到一個(gè)較高的量級(jí)，因此會(huì)使得所成圖像在較高輻亮度下過早飽和，進(jìn)而影響了圖像的信噪比、動(dòng)態(tài)范圍[5]。另外，由于探測(cè)器采用CMOS單層POLY結(jié)構(gòu)，較雙層POLY的CCD工藝在轉(zhuǎn)移效率上有所減弱，限制了級(jí)數(shù)的增加。因此超高分辨率相機(jī)在弱光成像能力受到了極大的限制[6]。

針對(duì)以上兩個(gè)限制因素，本文提出了一種混合域級(jí)數(shù)累加方法。主要思想如下：首先通過多片探測(cè)器感光單元分別感光；根據(jù)感光區(qū)物理位置的不同將感光后的多片數(shù)據(jù)通過FPGA進(jìn)行一定緩存，將緩存后的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字累加。如此實(shí)現(xiàn)了多片電荷域累加圖像的數(shù)字累加。感光單元數(shù)量可根據(jù)需求自由調(diào)整，結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中為感光單元數(shù)量。

首先，根據(jù)預(yù)設(shè)的積分時(shí)間，生成時(shí)間延遲積分電荷轉(zhuǎn)移時(shí)序，控制探測(cè)器進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移，假設(shè)所有感光單元總累加級(jí)數(shù)為，將總累加數(shù)平均分為個(gè)感光單元。針對(duì)同一景物感光產(chǎn)生的電荷，按列進(jìn)行累加，將累加后的電荷進(jìn)行量化并輸出灰度值，得到按TDI掃描方向分時(shí)產(chǎn)生的組數(shù)字圖像；

其次，根據(jù)每一組圖像的物理間隔進(jìn)行延遲積分操作，將每一組數(shù)字圖像延遲特定的時(shí)間，該時(shí)間由感光區(qū)中有效感光區(qū)最后一行至下一感光區(qū)第一行的間隔決定；圖像延遲時(shí)間計(jì)算公式（1）為：

式中 Li為第i個(gè)子感光區(qū)最后一級(jí)物理位置；Li+1為第i+1個(gè)子感光區(qū)第1級(jí)物理位置；d為像元尺寸；為積分時(shí)間。

圖2 多片感光區(qū)累加圖

2 混合域累加參數(shù)分析

由于混合域累加方式與原有電荷域累加方式相比，在圖像信噪比、MTF方面有著一定程度的優(yōu)化[7-8]。因此，本文針對(duì)混合域累加原理，結(jié)合所述TDI探測(cè)器特性對(duì)圖像信噪比和MTF分別進(jìn)行理論推導(dǎo)。下文中的分析均為滿級(jí)數(shù)下的參數(shù)特性。

2.1 信噪比分析

探測(cè)器輸出的噪聲包括了暗電流噪聲、光子噪聲、內(nèi)部鏈路噪聲、相關(guān)雙采樣噪聲、放大器噪聲、量化噪聲等。本文將成像條件分為兩種情況，即低端和高端兩種輻照度下情況分別分析[9-10]。

對(duì)地觀測(cè)成像時(shí)，當(dāng)處于入瞳能量較弱條件下，即低端輻亮度下，圖像所表現(xiàn)出的主要噪聲為暗電流噪聲、電路噪聲，還有部分散粒噪聲?；旌嫌蚶奂臃绞街?，一方面，電荷域累加在不增大電路噪聲與暗電流噪聲的情況下，增加了感光電荷量，因此光子噪聲有所增加[11]；另一方面，多片感光圖像的數(shù)字域累加使得信號(hào)大小提高了多倍，但對(duì)圖像而言，同時(shí)也引入了暗電流噪聲、電路噪聲等ADC前的噪聲。這些噪聲由于統(tǒng)計(jì)特性獨(dú)立，因此累加后的圖像噪聲以均方根的方式遞增[12]。

當(dāng)入瞳能量較強(qiáng)時(shí)，即高端輻亮度下，圖像所表現(xiàn)出的主要噪聲為散粒噪聲。當(dāng)數(shù)字累加時(shí)，散粒噪聲的統(tǒng)計(jì)特性仍然獨(dú)立，因此累加后圖像噪聲水平仍舊以平方和開跟的方式遞增。

2.2 MTF分析

MTF是光學(xué)系統(tǒng)成像品質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。成像系統(tǒng)MTF的高低直接影響到成像品質(zhì)的好壞：MTF越高，所獲得的遙感圖像的邊緣紋理等細(xì)節(jié)就越清晰，相反，就會(huì)越模糊[14]。

航天遙感成像相機(jī)圖像的MTF由靜態(tài)MTF和動(dòng)態(tài)MTF兩部分構(gòu)成。動(dòng)態(tài)MTF影響因素包括大氣湍流導(dǎo)致圖像模糊、光學(xué)系統(tǒng)導(dǎo)致圖像模糊、平臺(tái)顫振導(dǎo)致的圖像模糊、探測(cè)器內(nèi)部電荷轉(zhuǎn)移效率所帶來的模糊、探測(cè)器運(yùn)動(dòng)向離散采樣所帶來的圖像模糊。

本文著重分析混合域累加方式下，探測(cè)器內(nèi)部轉(zhuǎn)移效率所帶來的圖像模糊、探測(cè)器運(yùn)動(dòng)向離散采樣所帶來的圖像模糊、以及外部導(dǎo)致的速度失配所帶來的模糊影響。

2.2.1 轉(zhuǎn)移效率

探測(cè)器自身的MTF是較為重要的一項(xiàng)指標(biāo)，而探測(cè)器的靜態(tài)MTF主要為電荷轉(zhuǎn)移效率所決定。對(duì)于TDI探測(cè)器而言，運(yùn)動(dòng)方向的轉(zhuǎn)移效率均遵循下述公式（4）[15]。

式中 CTE為探測(cè)器每轉(zhuǎn)移一次電荷的轉(zhuǎn)移效率；當(dāng)前行所處垂直區(qū)位置；為不同行的位置轉(zhuǎn)移完成所需轉(zhuǎn)移次數(shù)；TDI為轉(zhuǎn)移累加次數(shù)，即級(jí)數(shù)與隔離行數(shù)之和，由于隔離行數(shù)較少，后面計(jì)算時(shí)近似忽略隔離行數(shù)。

計(jì)算混合域累加轉(zhuǎn)移效率時(shí)，可根據(jù)多個(gè)感光區(qū)先拆分為多個(gè)電荷轉(zhuǎn)移單元，先計(jì)算每個(gè)電荷轉(zhuǎn)移單元的轉(zhuǎn)移效率。再通過下面公式將所有感光區(qū)合并計(jì)算。

式中 CTE1、CTE2、CTE3、CTE為不同感光區(qū)域的轉(zhuǎn)移效率。代表不同感光區(qū)域。

根據(jù)上面兩個(gè)公式，以=4片感光區(qū)為例，假設(shè)探測(cè)器轉(zhuǎn)移效率CTE為0.999 7，最大累加級(jí)數(shù)為512；在全級(jí)數(shù)成像時(shí)垂直方向MTF的優(yōu)化情況如下。

不考慮工藝限制問題，若成像電路采用單片感光累加512級(jí)方式，根據(jù)公式取TDI=512，CTE=0.999 7，CTE512=0.926 8。

如果采用4片感光區(qū)分別讀出再累加的方式，每一片的級(jí)數(shù)為128。單片感光區(qū)的電荷域128級(jí)累加的轉(zhuǎn)移效率CTE1=0.980 9。根據(jù)公式得到4片累加方式下轉(zhuǎn)移效率為0.953 1。對(duì)比一片模式有0.03的提升。若單次轉(zhuǎn)移效率低于0.999 7，則混合域累加方式的轉(zhuǎn)移效率提升更為明顯。

2.2.2 失配模糊

對(duì)于空間超大視場(chǎng)TDI相機(jī)在軌成像時(shí)，像面上像點(diǎn)與被測(cè)物體間會(huì)形成些許速度失配，該速度失配主要由以下兩部分組成。

探測(cè)器的離散采樣與像面的失配，該影響因素會(huì)導(dǎo)致被采樣景物在很小的移動(dòng)時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的改變無法量化，產(chǎn)生混疊。從而導(dǎo)致相機(jī)輸出圖像的模糊[16-17]。

對(duì)于TDI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公式（6）：

式中為相機(jī)空間采樣頻率即奈奎斯特頻率，=1/(2)；為探測(cè)器像元尺寸。

圖3 四項(xiàng)連續(xù)轉(zhuǎn)移時(shí)序

以上為探測(cè)器自身離散性帶來的MTF下降。在混合累加方式下，由于驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)序在多片感光區(qū)均響應(yīng)一致，因此自身離散性帶來的MTF下降水平與傳統(tǒng)電荷累加方式一致[18]。

對(duì)于第二種影響因素，相機(jī)在軌狀態(tài)下的速度失配帶來的MTF下降，在混合域級(jí)數(shù)累加方式下進(jìn)行分析。

分析采用4片感光區(qū)方式累加成像，由于每片感光區(qū)可認(rèn)為獨(dú)立的探測(cè)器，因此可認(rèn)為兩片感光區(qū)邊界處為不感光區(qū)。在不感光區(qū)與感光區(qū)之間所產(chǎn)生的速度失配會(huì)較每片感光區(qū)內(nèi)部失配程度大。那么景物與感光區(qū)之間的離散所帶來的MTF下降遵循下面公式[19-20]。

式中TDI為成像級(jí)數(shù)；為一片探測(cè)器運(yùn)動(dòng)方向尺寸；為一片探測(cè)器與另一片探測(cè)器非感光范圍。因此當(dāng)遠(yuǎn)小于時(shí)，即單片級(jí)數(shù)遠(yuǎn)大于非感光區(qū)間隔時(shí)，失速帶來的影響在兩種方案間的區(qū)別可忽略不計(jì)。因此若為固定參數(shù)時(shí)，當(dāng)圖像成像級(jí)數(shù)較少時(shí)，帶來影響較大。

綜上，多片感光區(qū)混合域級(jí)數(shù)累加的方法可有效改善大級(jí)數(shù)累加帶來的轉(zhuǎn)移效率下降的問題。同時(shí)在運(yùn)動(dòng)方向上同等失速比下，該方法通過限制兩片感光區(qū)間的間隔距離，可將失速帶來的MTF下降控制在非常小的程度。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述理論分析，本文通過在實(shí)驗(yàn)室搭建的成像環(huán)境，用以驗(yàn)證上述分析的正確性。主要驗(yàn)證傳統(tǒng)電荷域累加與混合域累加在信噪比、MTF參數(shù)上的優(yōu)化是否有效。

3.1 信噪比驗(yàn)證

搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境如下：成像電路放置在均勻光照射下，在某一積分時(shí)間條件下，通過改變光源亮度來控制探測(cè)器光生電荷數(shù)量，從而達(dá)到圖像灰度值的變化。

在一片感光區(qū)工作模式下，增益為6dB。采集20組圖像繪制其信噪比曲線如圖4（a）。成像模式為兩片感光區(qū)混合域累加的情況下，采用同一級(jí)數(shù)，同一積分時(shí)間。為了圖像DN值接近，選取增益為0dB下，圖像信噪比如圖4（b）所示。

圖4 信噪比灰度曲線對(duì)比圖

根據(jù)圖4（a）可知，一片模式圖像在15 000灰度處，信噪比優(yōu)于46dB。根據(jù)上圖4（b）可知，采用混合域累加產(chǎn)生的圖像在15 000灰度處，信噪比優(yōu)于49dB。因此可知，采用混合域累加的方式，可以在原有探測(cè)器水平基礎(chǔ)上有效的提高圖像信噪比。

3.2 MTF驗(yàn)證

搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境如下：成像電路放置在一標(biāo)準(zhǔn)暗箱內(nèi)，焦面處安裝數(shù)為5.6的光學(xué)鏡頭，在鏡頭另一側(cè)安裝半徑為20cm圓形滾筒。滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)方向經(jīng)光學(xué)鏡頭反向后與探測(cè)器電荷運(yùn)動(dòng)方向一致。拼接時(shí)，兩片感光區(qū)探測(cè)器放置間隔盡可能小。將滾筒與成像電路行頻設(shè)置為一致參數(shù)后，對(duì)滾動(dòng)靶標(biāo)進(jìn)行成像測(cè)試。其中靶標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)ISO-12233，選取所成圖像其中一個(gè)斜邊。通過刃邊法分別計(jì)算兩種方式MTF，并進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。

首先測(cè)試一片感光模式下64級(jí)電荷累加圖像，圖像如下所示。經(jīng)計(jì)算，一片感光模式64級(jí)累加后圖像在0.1歸一化頻率處的MTF為0.322，如圖5（a）所示。再測(cè)試兩片模式下，每片模式為32級(jí)電荷累加，總累加級(jí)數(shù)與一片感光方式的累加級(jí)數(shù)相同。再通過FPGA將兩片數(shù)字圖像逐級(jí)累加。累加后所成圖像如下所示。經(jīng)計(jì)算，兩片感光區(qū)混合域累加后圖像在0.1歸一化頻率處的MTF為0.387。如圖5（b）所示。

圖5 MTF曲線對(duì)比圖

綜上，根據(jù)前后兩張圖分別通過同一位置圖像，采用刃邊法計(jì)算MTF，可知由于優(yōu)化了轉(zhuǎn)移效率，同時(shí)在一定程度上控制探測(cè)器與景物的失速比，混合域累加的MTF有所提升，同時(shí)根據(jù)分析結(jié)果，若采用較大規(guī)模級(jí)數(shù)累加，MTF將會(huì)有更大幅度提升。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首先針對(duì)高分辨率成像的特點(diǎn)，提出了一種超大規(guī)模級(jí)數(shù)累加方法：混合域級(jí)數(shù)累加，并闡述了具體實(shí)現(xiàn)方式。更進(jìn)一步，通過對(duì)信噪比、MTF等關(guān)鍵成像參數(shù)的理論推導(dǎo)，論證了混合域累加方式在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。最后，通過實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下搭建成像測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)所成圖像信噪比和MTF進(jìn)行了實(shí)測(cè)。通過實(shí)測(cè)對(duì)比說明，混合域累加有效的改善了超大規(guī)模級(jí)數(shù)成像的電荷轉(zhuǎn)移效率，同時(shí)該方法一定程度上提高了圖像信噪比，對(duì)超高分辨率弱光成像品質(zhì)的提升有著十分顯著的效果。

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Research on Mixing Domain TDI Accumulation Imaging Technology with High Line Frequency

LIANG Nan HE Qiangmin LI Bo LI Tao

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

With the increase of the line frequency in high-resolution Time Delay Integration(TDI) imaging in the field of space remote sensing, the camera's input energy is gradually reduced in one integration time, and the camera's imaging ability is reduced under weak illumination. It is necessary to increase the integral number to compensate for the lack of energy. The existed traditional digital domain accumulation methods will inevitably lead to excessive noise introduced by the superposition, and the analog domain is affected by the device process and cannot achieve large-scale accumulation. This paper first proposes an accumulation method based on the mixture of charge domain and digital domain, and describes the specific imaging scheme. At the same time, the paper makes a theoretical analysis on the signal noise ratio (SNR) and modulation transfer function (MTF) in the mixed domain accumulation mode combining with the on-orbit imaging mode of the camera. Finally, the experimental environment is built to test the SNR and MTF in the mixed domain accumulation mode. compared with the traditional charge domain, the correctness of the mixed domain accumulation theory and the feasibility of the implementation method are verified. According to the analysis and verification results, the proposed method effectively solves the main bottleneck in charge domain and digital domain TDI, and provides an effective solution in the high resolution field.

high resolution; mixed-domain time delay integration; signal noise ratio; modulation transfer function; space remote sensing

TN401

A

1009-8518(2020)01-0039-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2020.01.005

2019-10-20

航天五院杰出青年人才基金

梁楠, 賀強(qiáng)民, 李博, 等. 高行頻混合域TDI累加成像技術(shù)研究[J]. 航天返回與遙感, 2020, 41(1): 39-46.

LIANG Nan, HE Qiangmin, LI Bo, et al. Research on Mixing Domain TDI Accumulation Imaging Technology with High Line Frequency[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2020, 41(1): 39-46. (in Chinese)

梁楠，男，1985年生，2009年獲北京交通大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)碩士學(xué)位，現(xiàn)在中國(guó)空間技術(shù)研究院攻讀博士學(xué)位，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)楦叻直媛食上窦夹g(shù)。E-mail：ln19@163.com。

（編輯：劉穎）