空間光學(xué)相機(jī)焦面拼接熱變形對(duì)圖像配準(zhǔn)影響

梅強(qiáng) 曹學(xué)強(qiáng) 張博文 呂秋風(fēng) 張澤敏

空間光學(xué)相機(jī)焦面拼接熱變形對(duì)圖像配準(zhǔn)影響

梅強(qiáng) 曹學(xué)強(qiáng) 張博文 呂秋風(fēng) 張澤敏

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

空間相機(jī)廣泛采用光學(xué)拼接方式擴(kuò)大幅寬。拼接組件的熱變形對(duì)探測(cè)器圖像的配準(zhǔn)造成影響。文章通過對(duì)空間光學(xué)相機(jī)拼接組件的光機(jī)熱分析和試驗(yàn)，得出拼接組件熱穩(wěn)定性對(duì)光學(xué)拼接焦面圖像配準(zhǔn)的影響，為空間相機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了依據(jù)。文章選擇空間相機(jī)入軌初期的開始成像時(shí)刻和成像12min結(jié)束時(shí)刻兩個(gè)工況進(jìn)行仿真分析和成像試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)由于溫度分布的變化，拼接組件熱變形導(dǎo)致成像開始時(shí)刻不同探測(cè)器間圖像發(fā)生約3個(gè)像元的錯(cuò)行誤差，并在成像結(jié)束時(shí)刻減小至約2個(gè)像元。試驗(yàn)結(jié)果表明，拼接組件熱穩(wěn)定性對(duì)光學(xué)拼接焦面圖像配準(zhǔn)有顯著影響，在空間相機(jī)的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)考慮該因素。

熱變形 圖像配準(zhǔn) 光學(xué)拼接 航天遙感

0 引言

為了提高遙感衛(wèi)星一次成像的覆蓋范圍，縮短對(duì)同一區(qū)域的重訪周期，遙感衛(wèi)星不僅需要具備敏捷機(jī)動(dòng)能力，作為有效載荷空間相機(jī)的幅寬也要滿足較高的要求，通常達(dá)到10km以上?？臻g相機(jī)焦面所需的探測(cè)器陣列長(zhǎng)度也相應(yīng)較長(zhǎng)，遠(yuǎn)超出單片探測(cè)器長(zhǎng)度。因此，大多數(shù)空間相機(jī)的焦面是由多片探測(cè)器拼接而成的[1-2]。常見的拼接方法有機(jī)械拼接[3-4]、視場(chǎng)拼接[5]、光學(xué)拼接[6-7]等。不同的拼接方法各有特點(diǎn)，對(duì)拼接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求也不同。

光學(xué)拼接是利用光學(xué)方法，將成像光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)分割到不同的空間位置，用多塊焦面接收；再通過圖像處理的方法把多塊焦面獲取的圖像進(jìn)行拼接，從而等效為連續(xù)、完整的長(zhǎng)線陣成像，達(dá)到擴(kuò)大成像系統(tǒng)幅寬的目的[8]。光學(xué)拼接要求實(shí)現(xiàn)拼接功能的光路和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)保證視場(chǎng)無縫，各探測(cè)器間幾何關(guān)系固定，同時(shí)結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、可靠等，這其中涉及到拼接誤差分析[9]、拼接反射鏡分光方式的設(shè)計(jì)[10]、重疊像元數(shù)的計(jì)算[11]、拼接反射鏡參數(shù)設(shè)計(jì)與雜光分析[12-13]、拼接結(jié)構(gòu)材料選擇、拼接設(shè)備和幾何關(guān)系檢測(cè)方法[14]、拼接結(jié)構(gòu)溫度穩(wěn)定性控制[15-16]、拼接反射鏡熱變形對(duì)調(diào)制傳遞函數(shù)（Modulation Transfer Function，MTF）的影響[17-19]等光機(jī)熱多個(gè)學(xué)科的設(shè)計(jì)和分析要素的研究[20-22]。

某型高分辨率空間相機(jī)采用了全反射式分光的光學(xué)拼接方式。本文通過對(duì)拼接組件進(jìn)行光機(jī)熱集成分析，得出在成像過程中不同探測(cè)器的圖像之間存在錯(cuò)行配準(zhǔn)誤差，并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，為熱控和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)提供依據(jù)。

1 拼接組件及其熱變形分析

1.1 拼接組件的組成

某型高分辨率空間相機(jī)拼接組件如圖1所示。包括拼接基框、拼接鏡組件、3片CCD及其支架和電路。拼接鏡組件由拼接鏡1#、拼接鏡2#、拼接鏡3#和拼接鏡框組成，拼接鏡使用室溫硫化硅橡膠與鏡框粘接。3片CCD分別對(duì)應(yīng)拼接鏡1#、拼接鏡2#和拼接鏡3#，其中拼接鏡1#和拼接鏡3#將入射光線折向上方，拼接鏡2#將入射光線折向下方，兩者在空間上相互垂直，從而相應(yīng)的CCD及其電路可放置在兩個(gè)互相平行的安裝面上，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電路布局更加簡(jiǎn)潔緊湊。

圖1 焦面拼接組件

通過拼接鏡分光，該空間相機(jī)的焦面實(shí)現(xiàn)了全反射的光學(xué)拼接，使得同一譜段的CCD在設(shè)計(jì)上共線，可以對(duì)地同時(shí)成像，保證對(duì)地成像時(shí)的幾何精度。

1.2 拼接組件熱分析

空間相機(jī)入軌后，受到空間環(huán)境和自身熱源的作用，光機(jī)結(jié)構(gòu)各個(gè)部分的溫度時(shí)刻處在動(dòng)態(tài)變化中。在初步熱控設(shè)計(jì)方案中，由于熱控資源以及拼接基框設(shè)計(jì)空間的限制，拼接基框上無主動(dòng)熱控措施，只在拼接鏡框上布置有1個(gè)加熱回路。為獲取相機(jī)在軌工作時(shí)拼接組件的溫度場(chǎng)分布及其變化，選取相機(jī)壽命初期、外熱流極小、熱控系統(tǒng)工作狀態(tài)下相機(jī)焦面CCD器件開機(jī)成像和成像12min結(jié)束兩個(gè)時(shí)刻，分別作為熱分析工況1和工況2進(jìn)行分析，分析過程如圖2～圖5所示。分析得出拼接組件的溫度分布，其中拼接基框、拼接鏡的最高溫度、最低溫度和平均溫度匯總見表1。分析結(jié)果表明，在CCD未開機(jī)成像時(shí)，拼接基框平均溫度約7.4℃，拼接鏡平均溫度約14.2℃；成像12min后，由于CCD器件工作散熱，拼接基框平均溫度顯著升高，至11.5℃，拼接鏡平均溫度則基本不變，約為14.4℃。兩個(gè)工況的溫度分布與相機(jī)裝調(diào)時(shí)的（20±1）℃的溫度環(huán)境相比均有一定差距。

圖2 工況1拼接基框溫度分布

圖3 工況1拼接鏡組件溫度分布

圖4 工況2拼接基框溫度分布

圖5 工況2拼接鏡組件溫度分布

表1 熱分析結(jié)果

Tab.1 Thermal analysis results

1.3 拼接組件熱變形分析

分析拼接組件熱變形對(duì)圖像配準(zhǔn)的影響，需要獲取3片CCD和3個(gè)拼接鏡在兩個(gè)工況的溫度場(chǎng)載荷作用下各自的位移。根據(jù)幾何光學(xué)的原理，CCD和拼接鏡在不同方向的位移對(duì)圖像產(chǎn)生的影響也是不同的。其中對(duì)CCD而言，沿線陣方向的平移導(dǎo)致相鄰兩片CCD之間重疊像元數(shù)量的變化，沿積分方向的平移導(dǎo)致兩片CCD之間圖像發(fā)生錯(cuò)行，沿像元平面法線方向的平移導(dǎo)致整片CCD離焦，繞線陣方向和繞積分方向的轉(zhuǎn)動(dòng)分別導(dǎo)致CCD在相應(yīng)方向的兩端發(fā)生不同方向的離焦，繞像元平面法線的轉(zhuǎn)動(dòng)則導(dǎo)致斜推掃成像。對(duì)拼接鏡而言，由于拼接鏡是平面反射鏡，鏡面平面內(nèi)的小幅平移和轉(zhuǎn)動(dòng)都對(duì)成像沒有影響，鏡面法線方向的平移和轉(zhuǎn)動(dòng)則都導(dǎo)致焦面圖像發(fā)生沿積分方向的移動(dòng)。

使用有限元分析軟件Hypermesh建立拼接組件的有限元模型，如圖6所示。將熱分析得到的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)映射到拼接組件的結(jié)構(gòu)模型上，進(jìn)行熱變形仿真。讀取仿真結(jié)果后，對(duì)每個(gè)CCD和拼接鏡分別設(shè)置局部坐標(biāo)系，并選取CCD像元平面和拼接鏡反射平面的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)坐標(biāo)系下的位移計(jì)算，結(jié)果見表 2。注意表中給出的位移是各元件相對(duì)其自身局部坐標(biāo)系的位移。可以看到，由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱的特點(diǎn)，CCD 1#和CCD3#的位移基本相同。

表2 CCD與拼接鏡的位移

Tab.2 Displacements of CCDs and butting mirrors

1.4 像配準(zhǔn)誤差分析

將上述位移帶入到光學(xué)系統(tǒng)模型中進(jìn)行幾何光學(xué)分析，就能夠分別得到3片CCD上的總像移量，反映到推掃成像過程中即體現(xiàn)為相對(duì)于無偏差無離焦設(shè)計(jì)狀態(tài)的圖像滯后或超前，進(jìn)而得出圖像之間的配準(zhǔn)誤差。

1）在工況1條件下，CCD 1#和CCD 3#的圖像滯后14.1μm，離焦16μm，并且與CCD 2#的重疊區(qū)增加5.6μm；CCD 2#的圖像滯后53.1μm，離焦15.3μm。從而，CCD 2#的圖像滯后CCD 1#、CCD 3#的圖像約3.6個(gè)像元。

2）在工況2條件下，CCD 1#和CCD 3#的圖像滯后12.0μm，離焦13μm，并且與CCD 2#的重疊區(qū)增加4.6μm；CCD 2#的圖像滯后42.1μm，離焦12.3μm。從而，CCD 2#的圖像滯后CCD 1#、CCD 3#的圖像約2.6個(gè)像元。

3）兩個(gè)工況比較，反映工況2相比工況1，CCD 2#的圖像滯后減小了約1個(gè)像元。

4）兩種工況下CCD 1#和CCD 3#都發(fā)生了1″以內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致斜推掃。

5）工況1反映了空間相機(jī)從地面裝調(diào)環(huán)境到在軌空間環(huán)境的變化所引起的拼接組件變形和圖像配準(zhǔn)誤差，CCD 2#相對(duì)于CCD 1#和CCD 3#的3.6個(gè)像元滯后可以作為系統(tǒng)誤差，通過圖像處理基本解決。工況2相比工況1而言，CCD 2#的圖像滯后減小了約1個(gè)像元，這反映出空間相機(jī)從成像開始到12min成像結(jié)束之間的過程中，圖像配準(zhǔn)的誤差在不斷變化，成像起始時(shí)刻、成像時(shí)長(zhǎng)等的不同都會(huì)改變誤差水平，這給圖像處理帶來顯著影響。

2 成像驗(yàn)證試驗(yàn)

針對(duì)仿真結(jié)果反映的圖像配準(zhǔn)誤差問題，開展了空間相機(jī)成像驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖 7所示。將帶有橫條紋靶標(biāo)置于轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)前方，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)使靶標(biāo)與空間相機(jī)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。積分球發(fā)出的光照射在靶標(biāo)上，并通過平行光管，最終成像在空間相機(jī)焦面。整個(gè)裝置放置在真空罐中，結(jié)合紅外籠共同模擬相機(jī)在軌工作的真空環(huán)境和外熱流變化，建立起相機(jī)壽命初期、外熱流極小、熱控系統(tǒng)工作狀態(tài)下相機(jī)開機(jī)成像到成像12min結(jié)束的物理過程。試驗(yàn)過程中，通過調(diào)整空間相機(jī)與轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)的相對(duì)位置，保證CCD 2#與靶標(biāo)直線平行，對(duì)比計(jì)算不同時(shí)刻CCD 1#及CCD 3#相對(duì)CCD 2#的位置，進(jìn)而與仿真結(jié)果進(jìn)行比較。

圖7 成像試驗(yàn)系統(tǒng)

在外熱流達(dá)到工況1條件時(shí)開機(jī)成像，測(cè)得的圖像如圖8所示。左右兩部分分別為CCD 1#和CCD 2#的圖像，提取圖像DN值隨像元列號(hào)的變化曲線如圖9所示。可知CCD 2#滯后約3個(gè)像元。曲線同時(shí)反映出CCD 1#與CCD 2#的DN值峰值有較大差值，這與CCD之間輻射響應(yīng)差異、系統(tǒng)透過率差異、拼接重疊區(qū)漸暈等因素有關(guān)，需要做相對(duì)輻射校正[23]，本文對(duì)此不做討論。

圖8 工況1試驗(yàn)圖像

注：X為像元列號(hào)

在開機(jī)成像12min后達(dá)到工況2狀態(tài)，測(cè)得的圖像如圖10所示。左右兩部分分別為CCD 1#和CCD 2#的圖像，提取圖像DN值隨像元列號(hào)的變化曲線如圖11所示?？芍狢CD 2#滯后約2個(gè)像元。

圖10 工況2試驗(yàn)圖像

注：X為像元列號(hào)

試驗(yàn)結(jié)果的量級(jí)和變化趨勢(shì)與仿真分析結(jié)果完全吻合，驗(yàn)證了分析的正確性，表明如果以該設(shè)計(jì)狀態(tài)入軌工作，則由于拼接組件的熱變形及其波動(dòng)，光學(xué)拼接的3片探測(cè)器的圖像會(huì)發(fā)生約3個(gè)像元的錯(cuò)行誤差，并且誤差量在成像時(shí)間達(dá)到12min時(shí)降低至約2個(gè)像元，呈現(xiàn)隨成像時(shí)間不斷變化的特征。由于誤差量的不穩(wěn)定，在圖像處理時(shí)無法將其作為系統(tǒng)誤差整體扣除，對(duì)圖像配準(zhǔn)造成一定影響。

3 結(jié)束語

文章針對(duì)某型高分辨率空間相機(jī)的光學(xué)拼接方式，分析了拼接組件熱變形對(duì)圖像配準(zhǔn)的影響。仿真分析和試驗(yàn)結(jié)果共同反映出，拼接組件由于天地溫度不一致性以及成像過程的溫度變化而發(fā)生的熱變形，會(huì)導(dǎo)致光學(xué)拼接的探測(cè)器圖像出現(xiàn)數(shù)量不斷變化的錯(cuò)行誤差。研究結(jié)果表明，空間相機(jī)設(shè)計(jì)以及圖像處理需要考慮這些因素。

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Analysis of the Effect of Butting Assembly Thermal Deformation on Image Registration

MEI Qiang CAO Xueqiang ZHANG Bowen LYU Qiufeng ZHANG Zemin

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

Optical butting is used to expand the coverage width of space cameras. The thermal deformation of the butting assembly affects image registration between different detectors. The purpose of this paper is to testify the influence of thermal stability of the butting assembly on image registration of the optical splicing focal plane, and provide a basis for the design optimization of the space camera. In this paper, two operating conditions are selected, i.e. the beginning time of the space camera imaging process in orbit and the end time after 12-minutes imaging. The test system is built to carry out the thermal vacuum imaging experiment. Due to changes in temperature distribution and thermal deformation of the butting assembly, the misalignment error of about 3 pixels between different detectors occurs at the beginning of imaging, and the error is reduced to about 2 pixels at the end of imaging. The research results show that the thermal stability of the butting assembly has important impacts on the image registration of the optical splicing focal plane, which should be considered in the design optimization of the space camera.

thermal deformation; image registration; optical butting; space remote sensing

TH754; V474.2+91

A

1009-8518(2021)05-0031-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2021.05.004

梅強(qiáng)，男，1983年生，2012年獲中國(guó)空間技術(shù)研究院光學(xué)工程碩士學(xué)位，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)楹教爝b感器總體設(shè)計(jì)。E-mail：39624876@qq.com。

2021-05-22

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2016YFB0500503）

梅強(qiáng), 曹學(xué)強(qiáng), 張博文, 等. 空間光學(xué)相機(jī)焦面拼接熱變形對(duì)圖像配準(zhǔn)影響[J]. 航天返回與遙感, 2021, 42(5): 31-38.

MEI Qiang, CAO Xueqiang, ZHANG Bowen, et al. Analysis of the Effect of Butting Assembly Thermal Deformation on Image Registration[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2021, 42(5): 31-38. (in Chinese)

（編輯：龐冰）