天問一號高分相機CMOS曝光參數(shù)設計與卷簾校正

李云輝，王曉東，劉文光，周鵬驥，黃敬濤，董吉洪

天問一號高分相機CMOS曝光參數(shù)設計與卷簾校正

李云輝*，王曉東，劉文光，周鵬驥，黃敬濤，董吉洪

（中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033）

為獲取高信噪比、明暗度適宜的火表圖像，對天問一號火星高分相機CMOS探測器曝光參數(shù)開展了詳細設計，并對卷簾效應畸變進行了量化分析與校正。首先建立了CMOS探測器光電響應模型，對比了曝光參數(shù)中曝光時間與PGA增益對成像信噪比的影響，確定曝光時間為優(yōu)先調(diào)節(jié)參量。在分析曝光時間約束條件、明確靶面輻照度計算方法后，給出了不同火表反射率、太陽天頂角及軌道高度參數(shù)下的曝光時間設計結(jié)果與成像信噪比。最后針對CMOS探測器卷簾畸變機理進行分析，給出了校正方法及理論校正精度。仿真實驗結(jié)果表明：成像信噪比在非軌道像移受限區(qū)域保持在48.28 dB左右，在受限區(qū)域則逐步降低，反射率取0.1時最低值為32.45 dB，典型輻照環(huán)境下成像信噪比為45.56 dB。根據(jù)實際軌道像移分析，CMOS探測器卷簾效應會造成數(shù)十像素傾斜畸變，在軌道像移測量誤差不超過3.46‰前提下，所述方法校正后圖像特征點位移量優(yōu)于1個像素。

火星高分相機；CMOS探測器；曝光參數(shù)；卷簾畸變校正

1 引　言

傳統(tǒng)航天光學遙感載荷中普遍采用TDI CCD探測器實現(xiàn)沿軌推掃或垂軌擺掃成像，在CCD探測器本身所具備的高量子效率、低噪聲、高動態(tài)范圍等優(yōu)勢基礎上，增加時間延時積分模式，使其在高速像移下仍可獲得高信噪比圖像。但CCD探測器所需外圍電路復雜，對驅(qū)動信號時序及模擬信號采集要求高，導致焦平面電路系統(tǒng)龐雜，硬件體積、質(zhì)量及功耗代價均較高；且逐像素讀出方式也無法實現(xiàn)高數(shù)據(jù)吞吐率［1-3］。相比之下，CMOS探測器將調(diào)理電路及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路集成于內(nèi)部，外圍電路簡單，極大降低了焦平面電路復雜度，利于系統(tǒng)小型化，同時具有成本低、功耗低的優(yōu)勢［4］。隨著近年來技術飛速發(fā)展，CMOS探測器在量子效率、噪聲水平及動態(tài)范圍等關鍵性能參數(shù)上已能夠與CCD相媲美，有逐步取代CCD探測器的趨勢［5］。在消費電子、工業(yè)領域及遙感領域得到廣泛應用。

CMOS探測器按曝光機理可分為全局快門與卷簾快門兩種。相比于卷簾快門的片內(nèi)相關雙采樣（CDS）電路，全局快門一般采用外部數(shù)字CDS方式來抑制復位噪聲，因此讀出噪聲相對偏高；同時由于在像素內(nèi)增加電荷存儲器降低了電荷勢阱深度，動態(tài)范圍有所下降。但基于像素同步曝光特性，適于高速像移場合應用。而卷簾快門作為目前應用更廣泛的CMOS探測器曝光模式，在噪聲水平、滿阱電荷量、動態(tài)范圍等方面均有優(yōu)勢，且成本較低；但缺點是卷簾效應在高速像移下會導致圖像產(chǎn)生“果凍”畸變現(xiàn)象［6-7］。

卷簾效應的獨特性使其在光電領域得到了充分運用。劉智等人探討了一種利用卷簾CMOS計算運動目標位姿和速度的方法［8］。劉海龍等人基于卷簾CMOS自相關成像實現(xiàn)空間相機振動參數(shù)檢測［9］。但對于航天光學遙感載荷來說，除少數(shù)靜止軌道外，絕大多數(shù)軌道具有像移特征，且軌道高度越低，像移速度越大。此時卷簾效應則成為一種負面影響，需要通過調(diào)整工作參數(shù)規(guī)避其影響或采取有效措施進行校正。

我國首次火星探測任務“天問一號”探測器已于2020年7月23日在海南文昌中心成功發(fā)射，將一步實現(xiàn)“繞-落-巡”三個目標。作為火星環(huán)繞器有效載荷之一的高分辨率相機，承擔獲取火星表面高分辨率全色及彩色影像功能，將對局部重點區(qū)域進行高精度成像與詳細勘測，以開展地形地貌及地質(zhì)構造研究［10-11］。環(huán)繞器工作于近地點265 km、遠地點超過10 000 km的環(huán)火大橢圓軌道，高分相機將在軌道高度800 km以下?lián)駲C成像。其焦平面采用TDI CCD探測器加CMOS探測器組合形式，兼?zhèn)渫茠叱上衽c畫幅成像功能。

在深空探測任務中，地空數(shù)據(jù)鏈帶寬資源十分寶貴，因此設置合理參數(shù)，保證每一次成像質(zhì)量尤為重要。對于TDI CCD探測器來說，一方面高分相機增加了自動調(diào)光功能，在軌可根據(jù)實時灰度值自動完成級數(shù)調(diào)節(jié)；另一方面制定了預設曝光級數(shù)表，供地面控制人員上注成像參數(shù)指令時參考。這些在遙感載荷中均有相對成熟的應用。而對于承擔畫幅成像功能的CMOS探測器，曝光參數(shù)設計方法并未成熟，尤其大橢圓軌道像移特性將對其曝光參數(shù)的合理設置提出嚴峻挑戰(zhàn)。一方面在曝光參數(shù)設計時需要避免欠曝而導致圖像信噪比過低，同時又需要避免曝光過曝而導致圖像模糊；另一方面需要對軌道像移造成的卷簾畸變進行定量分析與有效校正。

本文從CMOS探測器的光電響應模型出發(fā)，分析了曝光時間及PGA增益對信噪比的影響，并依據(jù)CMOS探測器性能參數(shù)及軌道像移特性參數(shù)，計算得到了不同輻照環(huán)境及軌道參數(shù)下的曝光時間設計結(jié)果與對應信噪比，可供地面控制人員上注CMOS探測器成像指令時參考。同時，基于CMOS探測器卷簾畸變工作機理，分析了不同軌道高度下畸變情況，并給出了校正方法，仿真實驗結(jié)果表明在目前系統(tǒng)參數(shù)下校正精度優(yōu)于1個像素。

2 CMOS探測器光電響應模型

CMOS探測器雖然與CCD探測器在制造工藝及工作機理上不盡相同，但從光電響應過程角度二者遵循同樣的物理規(guī)律，參照EMVA1288相機測試標準，CMOS探測器的光電響應數(shù)學模型如圖1所示［12］。

圖1　CMOS探測器光電響應模型

CMOS探測器的成像過程可以描述為：在曝光時間內(nèi)入射到靶面上的光子轉(zhuǎn)換為電子，然后經(jīng)電荷存儲電容將電子轉(zhuǎn)換為電壓信號，進而再經(jīng)放大及量化轉(zhuǎn)換為數(shù)字灰度值輸出。其產(chǎn)生的電子數(shù)與入射光子數(shù)之比為量子效率。

入射到靶面的光子轉(zhuǎn)換成的電子，其波動性符合統(tǒng)計規(guī)律，表現(xiàn)為泊松分布，稱之為光子散粒噪聲，其特征是均值與方差相同，即有=2。將探測器讀出噪聲以及放大電路等噪聲統(tǒng)一歸化為噪聲02，其統(tǒng)計規(guī)律表現(xiàn)為高斯分布，均值為零。暗底信號0表現(xiàn)為一固定值。暗電流噪聲為熱生電子噪聲，同樣滿足泊松分布，即有=2，且暗電流噪聲與溫度及曝光時間有關，正比于曝光時間。為電荷轉(zhuǎn)換因子，單位為DN/e-。在模數(shù)轉(zhuǎn)換量化過程還會引入一個量化噪聲2（以數(shù)字灰度值度量），其計算方法為：

依據(jù)上述成像過程描述及噪聲因素分析，若以電子數(shù)度量，成像信噪比SNR可按照下式計算：

若以數(shù)字灰度值度量，成像信噪比SNR可按照下式計算：

3 CMOS探測器曝光設計約束

3.1　曝光調(diào)節(jié)參量分析

在入射到探測器靶面的輻照度一定時，可以通過兩種有效方式獲取適宜灰度值的圖像，一種為曝光時間調(diào)節(jié)，另一種是PGA增益調(diào)節(jié)。

以火星高分相機所采用的HR400型CMOS探測器為例，在火表典型輻照環(huán)境下探測器靶面獲得輻照度約為0.075 W·m-2，如圖2所示為采用增加曝光時間與提升PGA增益對灰度值及信噪比的影響。由于采用數(shù)字4×4 Binning模式，等效于信噪比提升為原始圖像的4倍。兩種情況的初始參數(shù)均為曝光時間0.42 ms，PGA增益0.66×，灰度值為101，此時將曝光時間增加至4.63 ms或?qū)GA增益提升至7.25×能夠獲得同樣的灰度值，但顯然增加曝光時間會顯著提升信噪比，而提升PGA增益對信噪比提升十分有限。圖示結(jié)果變化趨勢與理論分析相符。

圖2　曝光調(diào)節(jié)參量對信噪比和數(shù)字灰度值的影響

由上述分析結(jié)果可以得出：相比于調(diào)節(jié)PGA增益，調(diào)節(jié)曝光時間是一種優(yōu)選方式，在常規(guī)成像環(huán)境下一般不進行PGA增益的調(diào)節(jié)。但在極端成像環(huán)境下，如當采用探測器工作頻率約束下的最短曝光時間，圖像灰度值仍然飽和時，可以嘗試降低PGA增益；當采用像移約束下的最長曝光時間，圖像灰度值仍然較低時，可以嘗試提升PGA增益。尤其在灰度值很低時會凸顯出量化噪聲，提升PGA增益會帶來信噪比的有限提升，如圖2所示，在PGA增益由0.66×提升至1.29×，信噪比提升0.11 dB。

3.2　曝光時間調(diào)節(jié)約束

321最短曝光時間

火星高分相機采用HR400在HDR模式下高增益HG通道圖像數(shù)據(jù)，其行時間與曝光時間表示為：

其中，像素時鐘設計為25 MHz，即pix_clk=0.04 μs，對應行時間line=20.52 μs。式（5）中曝光行數(shù)原則上可取0至任意正整數(shù)，當取0時為最短曝光時間9.76 μs。需要注意曝光時間并非可連續(xù)設置，而是以行時間為間隔的一系列離散值。最短曝光時間設置不受像移等外界環(huán)境因素影響，只受限于探測器自身工作頻率。

322最長曝光時間

依據(jù)CMOS探測器曝光機理，原則上曝光時間可設置為無限長。但長曝光一方面會帶來暗電流噪聲的線性增長，降低動態(tài)范圍；更重要的是由于軌道像移特性，長曝光將導致圖像模糊。軌道像移特性對單行像素來說，可能會導致曝光時間內(nèi)的圖像模糊；對單幀圖像來說，可能會導致幾何畸變。需要明確的是，最長曝光時間設置只受圖像模糊因素限制，圖像幾何畸變與曝光時間設置無關。

設在火星環(huán)繞器軌道參數(shù)下，折算到探測器靶面的像移速度為，則在曝光時間內(nèi)目標場景像移量（單位：像素）為：

其中，為探測器像元尺寸。為保證圖像清晰度，通常像移量不超過1/3像素。因采用數(shù)字4×4 Binning模式，像移量的限值可以放寬至4/3像素。此時最長曝光時間應滿足：

3.3　Binning數(shù)字像元合并處理

在數(shù)字4×4 Binning模式下，由于采用16個臨近灰度值數(shù)字疊加，無論是否均值化處理，等效信噪比均提升至原始圖像的4倍。若不采取均值化處理，直接以16個灰度值疊加作為輸出，在獲取相同灰度值時，曝光時間縮短至原來1/16，則原始圖像信噪比下降至原來1/4，Binning后信噪比不變。若采取均值化處理，在獲取相同灰度值時，曝光時間保持不變，則原始圖像信噪比不變，Binning后信噪比提升至4倍。

雖然曝光參數(shù)設計表面上是為了獲取適宜灰度值的圖像，但因此而犧牲圖像信噪比卻是得不償失的。在保證信噪比優(yōu)先前提下，完全可借助數(shù)字后處理獲得適宜灰度值的圖像。基于上述分析，為充分利用像移約束下的曝光時間以提升信噪比，系統(tǒng)設計采用數(shù)字4×4 Binning模式下16個臨近像素灰度值均值化處理后的數(shù)值作為數(shù)字圖像輸出。

4 CMOS探測器曝光參數(shù)設計

4.1　探測器性能參數(shù)

火星高分相機采用長光辰芯的HR400型面陣CMOS探測器，其關鍵性能參數(shù)如表1所示。

表1HR400關鍵性能參數(shù)

Tab.1　Key performance of HR400

依據(jù)CMOS探測器光電響應模型，其輸入靶面輻照度與輸出響應灰度值之間的關系可表示為：

4.2　靶面輻照度計算

由文獻［13］可查得地球大氣層外的太陽光譜輻照度，根據(jù)式（9）可以等效得到火星表面的太陽光譜輻照度。由于火星大氣稀薄，大氣密度約為地球的1%，忽略大氣吸收、散射等因素影響。

其中：earth（）表示地球大氣層外光譜輻照度，mars（）表示火表光譜輻照度，earth為日地平均距離，mars為日火平均距離。

再基于高分相機觀測火表特定目標的區(qū)域特征，根據(jù)式（10）確定入瞳光譜輻亮度：

其中：為目標區(qū)域反射率，為太陽天頂角，（）為入瞳光譜輻亮度。

進而再根據(jù)式（11）計算得到高分相機探測器靶面的光譜輻照度：

其中：表示光學系統(tǒng)透過率，表示光學系統(tǒng)數(shù)。

在獲取靶面光譜輻照度后，將其代入式（8）即可計算得到輸出圖像灰度值。

4.3　曝光時間表計算

首先，根據(jù)火星環(huán)繞器軌道參數(shù)，可以計算得到不同軌道高度下，折算到CMOS探測器靶面的像移速度，二者關系如圖3所示。

圖3　像移速度隨軌道高度變化關系

其次，在暫不考慮軌道像移對曝光時間約束的前提下，以經(jīng)驗值1/4飽和灰度值為設計目標，計算不同火表反射率、太陽天頂角參數(shù)下的曝光時間值。具體計算過程為：在一組反射率、天頂角參數(shù)下，依次根據(jù)式（10）計算入瞳輻亮度（），根據(jù)式（11）計算靶面輻照度（）；進而再將其代入式（8），并以1 024灰度值為目標，逆向求解理想曝光時間。最后依據(jù)探測器實際可設置值，將曝光時間離散化。圖4所示為反射率在0.1～0.3范圍內(nèi)取不同值時，曝光時間設計結(jié)果隨太陽天頂角的變化關系曲線。整體趨勢表現(xiàn)為曝光時間隨火表反射率降低、太陽天頂角增大而增加。

圖4　曝光時間設計結(jié)果隨太陽天頂角的變化關系

最后，在上述設計結(jié)果基礎上，增加軌道像移的曝光時間約束。將不同軌道高度下的像移速度代入式（7）中計算得到最長曝光時間，并進行離散化，將此曝光時間與上述結(jié)果取較小值，作為最終的曝光時間設計值。如圖5所示分別為在反射率取0.1～0.3時，不同軌道高度、不同太陽天頂角參數(shù)下的曝光時間設計結(jié)果。

圖5　曝光時間設計結(jié)果

圖5中所示的曲面部分為非軌道像移因素受限區(qū)域，此時曝光時間未受到像移約束最長曝光時間限制，可以獲取到較為理想的目標設計灰度值；所示的傾斜平面部分為軌道像移因素受限區(qū)域，此時受限于軌道像移，曝光時間無法滿足目標設計灰度值，實際成像灰度值將小于1/4飽和值。

圖6　基于曝光時間設計結(jié)果的信噪比

圖6所示分別為在反射率取0.1～0.3時，不同軌道高度、不同太陽天頂角參數(shù)下，依據(jù)曝光設計結(jié)果得到的圖像信噪比。與圖5中對應區(qū)域?qū)Ρ瓤梢钥闯觯悍擒壍老褚埔蛩厥芟迏^(qū)域信噪比始終保持在48.28 dB附近；在軌道像移因素受限區(qū)域逐漸降低，反射率取0.1時最低值為32.45 dB。在反射率=0.2、太陽天頂角z=30°的火表典型輻照環(huán)境下，265 km軌道高度上成像信噪比能夠達到45.56 dB。

5 CMOS卷簾效應畸變幾何校正

5.1　卷簾效應產(chǎn)生機理

軌道像移除導致圖像模糊外，還會因CMOS探測器卷簾式快門工作機理造成幾何畸變。卷簾式快門曝光過程如圖7所示，每個行時間被劃分為兩部分：讀取操作與復位操作，復位操作等效于開始曝光時刻，讀取操作等效于停止曝光時刻。對任意一行像素來說，其復位與讀取操作之間的時間間隔即為曝光時間，在連續(xù)成像模式下，每一行像素的曝光時間都是等同的。對整個探測器來說，某一行像素較其上一行曝光起始時刻滯后一個行時間line，依此類推，第2 047行較第0行像素曝光起始時刻滯后了2 047line，這種曝光非同步性是產(chǎn)生卷簾畸變的根本原因。

圖7　卷簾式快門曝光過程

探測器中第0行與第2 047行像素產(chǎn)生最大相對畸變，在相距2 047line時間內(nèi)的畸變位移量S為：

圖7所示卷簾快門工作過程分為兩種情況：曝光時間小于幀時間與曝光時間大于幀時間。對于后者來說，由于曝光設計結(jié)果能夠滿足曝光時間內(nèi)圖像不模糊，則在小于曝光時間的幀時間內(nèi)，畸變位移量很小，此種情況下卷簾效應畸變可忽略。

而對于火星高分相機來說，其曝光時間設計結(jié)果均小于幀時間42 ms，為上述第一種情況。如圖3所示，在265～800 km軌道高度范圍，靶面像移速度為18.10～70.50 μm/ms，代入式（12）計算得到畸變位移量為86.89～338.44像元，在4×4 Binning模式基礎上，等效畸變21.72～84.61像素，有必要采取措施進行校正。

5.2　傾斜畸變校正

CMOS探測器卷簾方向與軌道像移方向存在兩種相對關系：垂直與平行。當二者垂直時，卷簾效應表現(xiàn)為傾斜畸變，校正過程只涉及逆映射及重新采樣；當二者平行時，按照方向相同或相反，卷簾效應表現(xiàn)為拉伸或壓縮，由于存在過采樣或欠采樣問題，校正過程稍顯復雜，且對校正后圖像質(zhì)量有一定影響。因此火星高分相機采用卷簾方向與軌道像移垂直的安裝型式。

相比于光學系統(tǒng)內(nèi)畸變校正及未知運動矢量的幾何畸變校正過程，CMOS探測器卷簾效應畸變較為單一，引起該畸變的像移過程表現(xiàn)為所有像素統(tǒng)一的全局運動矢量，且該矢量值可依據(jù)軌道像移參數(shù)計算得到。卷簾畸變校正的思路為：首先確定目標景物到畸變圖像的正向映射矩陣，然后通過取其逆過程即得到校正矩陣。

設原始目標景物的某一特征點坐標為（，），對應畸變圖像的坐標為（，），則二者的正向映射關系為：

取其逆過程，畸變校正矩陣可表示為：

火星高分相機成像焦平面共有兩片CMOS探測器，考慮硬件結(jié)構及電路布局一致性，CMOS#A與CMOS#B采用中心對稱安裝形式，如圖8所示。二者卷簾方向均與像移方向垂直，但彼此相反。因此在卷簾畸變校正時，CMOS#A像移速度應取正值，而CMOS#B像移速度應取負值。

圖8　兩CMOS探測器卷簾畸變對應關系

5.3　畸變校正精度

在CMOS探測器像素時鐘一定的前提下，作為畸變校正過程的唯一輸入?yún)⒘?，像移速度精度將直接決定卷簾畸變校正精度。根據(jù)環(huán)繞器姿軌測量及控制精度指標，當環(huán)繞器無側(cè)擺、俯仰時，在265～800 km軌道高度下像移速度相對誤差Δ/約為2.38～3.46‰，則根據(jù)式（15）計算得到對應畸變校正誤差最大不超過1.17像元，在4×4 Binning模式下等效畸變0.29像素，此校正誤差量值可忽略。

5.4　仿真實驗驗證

以火星表面沙丘景物圖為對象，通過仿真分別計算了在265 km軌道、500 km軌道及800 km軌道高度下的成像畸變效果及對應校正后圖像，如圖9所示。軌道高度愈底，卷簾畸變愈嚴重，在500 km軌道高度以下成像時，已經(jīng)肉眼可見圖形畸變。經(jīng)所述方法校正后，畸變消失，且特征點坐標與原始圖像景物一致，校正精度優(yōu)于1個像素。

圖9　卷簾畸變校正前后圖像對比（從左至右依次為原始圖像、畸變圖像及校正后圖像）

6 結(jié)　論

為獲取高信噪比、明暗度適宜的火表圖像，對火星高分相機CMOS探測器曝光參數(shù)開展了詳細設計，并對卷簾畸變效應進行了量化分析與校正。設計給出了不同火表反射率、太陽天頂角及軌道高度參數(shù)下的曝光時間值，以及對應的成像信噪比。針對CMOS探測器卷簾畸變機理進行分析，給出了校正方法及校正精度。

仿真實驗結(jié)果表明：依據(jù)曝光時間設計結(jié)果，在非軌道像移因素受限區(qū)域的信噪比能夠始終保持在48.28 dB附近，而在軌道像移因素受限區(qū)域逐漸降低，在反射率取0.1時最低值降為32.45 dB。在典型火表輻照環(huán)境（反射率0.2、太陽天頂角30°）下，近地點265 km軌道高度上成像信噪比能夠達到45.56 dB。經(jīng)分析，CMOS探測器在工作軌道高度范圍內(nèi)存在數(shù)十像素幾何畸變，在環(huán)繞器軌道像移測量誤差不超過3.46‰前提下，所述方法校正后特征點位移量優(yōu)于1個像素。所述內(nèi)容對深空探測光學成像載荷的曝光參數(shù)設計及卷簾畸變校正具有指導意義。

［1］ 寧永慧，劉輝，趙慶磊，等. 大面陣高幀頻CMOS成像電子學系統(tǒng)設計［J］. 光學精密工程， 2019， 27（5）： 1167-1177.

NING Y H， LIU H， ZHAO Q L，. High-frame frequency imaging system of large area CMOS image sensor［J］.， 2019， 27（5）： 1167-1177.（in Chinese）

［2］ 孫宏海，何舒文，吳培，等. 高動態(tài)科學級CMOS相機設計與成像分析［J］. 液晶與顯示， 2017， 32（3）： 240-248.

SUN H H， HE S W， WU P，. Design and imaging analysis of high dynamics scientific CMOS camera［J］.， 2017， 32（3）： 240-248.（in Chinese）

［3］ 曲宏松，張葉，金光. 基于數(shù)字域TDI算法改進面陣CMOS圖像傳感器功能［J］. 光學精密工程， 2010， 18（8）： 1896-1903.

QU H S， ZHANG Y， JIN G. Improvement of performance for CMOS area image sensors by TDI algorithm in digital domain［J］.， 2010， 18（8）： 1896-1903.（in Chinese）

［4］ MEHTA S， PATEL A， MEHTA J. CCD or CMOS Image sensor for photography［C］. 2015（）24，2015，，，2015： 291-294.

［5］ 張曉祥，趙金宇，賈建祿，等. 卷簾快門sCMOS相機對空間碎片觀測的影響研究［J］. 光學精密工程， 2018， 26（6）： 1441-1449.

ZHANG X X， ZHAO J Y， JIA J L，. Study on the effect of rolling shutter sCMOS camera on space debris observation［J］.， 2018， 26（6）： 1441-1449.（in Chinese）

［6］ KOZACEK B， GRAUZEL J， FRIVALDSKY M. The main capabilities and solutions for different types of the image sensors［C］. 20182123，2018，，， 2018： 1-5.

［7］ ALBL C， KUKELOVA Z， LARSSON V，. From two rolling shutters to one global shutter［C］. 2020（）1319，2020，，，， 2020： 2502-2510.

［8］ 劉智，柴華，李娜娜. CMOS圖像傳感器中卷簾式快門特性及其應用［J］. 光學精密工程， 2009， 17（8）： 2017-2023.

LIU Z， CHAI H， LI N N. Shutter mode of CMOS image sensor and its application［J］.， 2009， 17（8）： 2017-2023.（in Chinese）

［9］ 劉海龍，李祥之，薛旭成，等. 利用卷簾快門面陣CMOS自相關成像的空間相機振動參數(shù)檢測［J］. 光學精密工程， 2016， 24（6）： 1474-1481.

LIU H L， LI X Z， XUE X C，. Vibration parameter detection of space camera by taking advantage of CMOS self-correlation Imaging of plane array of roller shutter［J］.， 2016， 24（6）： 1474-1481.（in Chinese）

［10］ 李春來，劉建軍，耿言，等. 中國首次火星探測任務科學目標與有效載荷配置［J］. 深空探測學報， 2018， 5（5）： 406-413.

LI C L， LIU J J， GENG Y，. Scientific objectives and payload configuration of China's first Mars exploration mission［J］.， 2018， 5（5）： 406-413.（in Chinese）

［11］ 朱巖，白云飛，王連國，等. 中國首次火星探測工程有效載荷總體設計［J］. 深空探測學報， 2017， 4（6）： 510-514， 534.

ZHU Y， BAI Y F， WANG L G，. Integral technical scheme of payloads system for Chinese Mars-1 exploration［J］.， 2017， 4（6）： 510-514， 534.（in Chinese）

［12］ European Machine Vision Association. EMVA Standard 1288 Release 3.1 ［S］. 2016.

［13］ 都亨，葉宗海. 低軌道航天器空間環(huán)境手冊［M］. 北京：國防工業(yè)出版社，1996.

DU H， YE Z H.［M］. Beijing： National Defense Industry Press， 1996. （in Chinese）

CMOS exposure parameter design and rolling shutter distortion correction for Tianwen-1 high-resolution camera

LI Yunhui*，WANG Xiaodong，LIU Wenguang，ZHOU Pengji，HUANG Jingtao，DONG Jihong

（，，，130033，），：

To obtain an image of the Martian surface with a high signal-to-noise ratio （SNR） and suitable brightness， the exposure parameters of the CMOS detector in the Mars high-resolution camera were designed， and the rolling shutter distortion was analyzed and corrected quantitatively. First， the photoelectric response model of the CMOS detector was established. By comparing the influence of exposure time and PGA gain on SNR， the exposure time was determined as the priority adjustment parameter. After analyzing the constraints of exposure time and clarifying the calculation method of target irradiance， the exposure time design results and SNR under different reflectivities， solar zenith angle， and orbit height parameters were given. Finally， the distortion mechanism of the rolling shutter was analyzed， and the correction method and theoretical correction accuracy were presented. The simulation results indicate that the SNR remains at approximately 48.28 dB in the non-orbital image-motion restricted area， and gradually decreases in the restricted area， with a minimum value of 32.45 dB when the reflectivity is 0.1. The SNR is 45.56 dB in a typical irradiation environment. Under the orbital parameters， the rolling shutter of the CMOS detector causes tens of pixels of tilt distortion. Under the premise that the image motion measurement error does not exceed 3.46‰， the image displacement after correction using the proposed method is better than 1 pixel.

Mars high-resolution camera； complementary metal oxide semiconductor detector； exposure parameters； correction of rolling shutter distortion

TP722.4；TP751.1

A

10.37188/OPE.20223002.0143

李云輝（1989），男，黑龍江哈爾濱人，博士，助理研究員，2012年與2014年于哈爾濱工業(yè)大學分別獲得學士及碩士學位，2019年于中國科學院大學獲得博士學位，現(xiàn)為中國科學院長春光學精密機械與物理研究所助理研究員，主要從事空間光學遙感成像系統(tǒng)及空間目標穩(wěn)像與跟蹤控制方面的研究。E-mail：liyunhui@ciomp.ac.cn

1004-924X（2022）02-0143-10

2020-09-14；

2020-11-12.

國家自然科學基金項目（No.62005266）