天問(wèn)一號(hào)高分辨率相機(jī)成像參數(shù)設(shè)置及定標(biāo)測(cè)試

劉文光，王曉東，董吉洪，張帆

天問(wèn)一號(hào)高分辨率相機(jī)成像參數(shù)設(shè)置及定標(biāo)測(cè)試

劉文光*，王曉東，董吉洪，張帆

（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033）

為了使天問(wèn)一號(hào)有效載荷高分辨率相機(jī)在軌工作期間獲取到高質(zhì)量圖像，對(duì)高分辨率相機(jī)成像參數(shù)的設(shè)置進(jìn)行說(shuō)明。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)測(cè)試結(jié)果，給出了相機(jī)在軌工作默認(rèn)參數(shù)以及不同地面反射率和不同太陽(yáng)高度角下的成像參數(shù)。首先，根據(jù)大氣輻射傳輸模型計(jì)算出各譜段在相機(jī)入瞳處的輻亮度。接著，利用光電轉(zhuǎn)換模型計(jì)算出CCD探測(cè)器信號(hào)輸出電荷值。然后，在滿足圖像信噪比大于100的系統(tǒng)要求下，計(jì)算出相機(jī)成像參數(shù)。最后，在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行相機(jī)光譜定標(biāo)和輻射定標(biāo)測(cè)試及定標(biāo)誤差分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：高分辨率相機(jī)的視頻響應(yīng)曲線呈線性關(guān)系，圖像灰度值和成像參數(shù)呈線性關(guān)系，線性擬合相關(guān)系數(shù)均在0.999以上，線陣CCD各譜段響應(yīng)非均勻性均不超過(guò)1%，典型照明條件下信噪比不低于100倍，相對(duì)輻射定標(biāo)不確定度優(yōu)于3%，絕對(duì)輻射定標(biāo)不確定度優(yōu)于7%。理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)測(cè)試結(jié)果基本符合，成像參數(shù)設(shè)計(jì)合理，定標(biāo)測(cè)試結(jié)果滿足系統(tǒng)要求。

天問(wèn)一號(hào)；高分辨率相機(jī)；成像參數(shù)；定標(biāo)測(cè)試

1 引　言

火星是太陽(yáng)系中的類地行星之一，從距離太陽(yáng)由近至遠(yuǎn)的角度而言，火星是太陽(yáng)系中第4個(gè)行星?；鹦擒壍赖耐鈧?cè)鄰近的是小行星帶和木星，內(nèi)側(cè)最靠近它的行星是地球。由于火星與地球的某些類似物理特性以及其獨(dú)特的地形地貌，引起了人類對(duì)火星探測(cè)的濃厚興趣，從人類進(jìn)入航天時(shí)代開(kāi)始，火星就是最重要的地外天體探測(cè)目標(biāo)之一。迄今為止，人類已執(zhí)行了40多次火星飛行探測(cè)任務(wù)，取得了大量的探測(cè)成果［1-2］。

2020年7月23日12時(shí)41分，中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器在海南文昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空。長(zhǎng)春光機(jī)所研制的火星高分辨率相機(jī)（簡(jiǎn)稱“高分相機(jī)”）作為火星環(huán)繞器上的有效載荷之一，隨“天問(wèn)一號(hào)”發(fā)射升空。該高分相機(jī)采用了集光能力強(qiáng)、有效口徑利用充分、光學(xué)傳遞函數(shù)高、雜光抑制能力強(qiáng)的長(zhǎng)焦距大視場(chǎng)離軸光學(xué)系統(tǒng)，以全碳化設(shè)計(jì)理念解決了相機(jī)長(zhǎng)焦距技術(shù)指標(biāo)與重量資源緊張之間的矛盾，通過(guò)碳纖維桁架實(shí)現(xiàn)了光學(xué)元件的位置保證和高輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。相機(jī)配置了五譜段TDI CCD和國(guó)產(chǎn)面陣探測(cè)器兩種成像探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)線陣推掃和面陣成像的兼容，有望獲得火星表面真彩色融合圖像及視頻圖像。為了使高分相機(jī)在軌工作期間獲取到高質(zhì)量圖像，對(duì)成像參數(shù)的設(shè)置進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行定標(biāo)測(cè)試，給出了高分相機(jī)在軌工作默認(rèn)參數(shù)以及不同地面反射率和不同太陽(yáng)高度角下的成像參數(shù)。

2 高分相機(jī)成像參數(shù)設(shè)置

2.1　高分相機(jī)入瞳輻亮度估算

將公式（2）代入公式（1）得式（3）：

火星的軌道半徑平均2.28×108千米，而地球的軌道半徑為1.5×108千米，火星的軌道半徑大約是地球的1.5倍，按照距離平方反比定率，得出火星大氣上界的太陽(yáng)直射輻照度是地球的0.432 8倍。通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料［3-9］，火星軌道太陽(yáng)高度角在20°～85°之間，即太陽(yáng)天頂角在5°～70°之間，火星表面地物反射率大約在5%～80%之間。利用大氣輻射傳輸模型Modtran4.0可以估算出各譜段地球大氣上界輻照度，如表1所示。

表1地球大氣上界太陽(yáng)輻照度

Tab.1　Solar irradiance at the upper limit of the earth atmosphere

利用式（3）和表1可以估算出高分相機(jī)各譜段入瞳輻亮度，表2只列出全色入瞳輻亮度。

表2不同太陽(yáng)高度角和反射率全色譜段入瞳輻亮度估算

Tab.2　Estimation of panchromatic radiance with different solar altitudes and reflectances

2.2　高分相機(jī)探測(cè)器電荷估算

我們利用式（4）可以計(jì)算得到焦平面光照度，進(jìn)一步根據(jù)式（5），可以得到CCD輸出信號(hào)幅值。

表3積分時(shí)間統(tǒng)計(jì)

Tab.3　Table of integral time

2.3　高分相機(jī)成像參數(shù)估算

我們已經(jīng)得到CCD的信號(hào)幅值，在不考慮任何噪聲的情況下，圖像信噪比等于電荷信號(hào)的平方根，系統(tǒng)要求圖像信噪比大于100，也就是電荷信號(hào)的平方根要大于100，通過(guò)探測(cè)器手冊(cè)可知，全色譜段的電荷轉(zhuǎn)移效率按照11.86 μV/e計(jì)算，多光譜譜段的電荷轉(zhuǎn)移效率按照5.22 μV/e計(jì)算，最終得到不同地面反射率、不同太陽(yáng)高度角下的積分級(jí)數(shù)，增益的放大倍數(shù)為1，表4只列出了反射率0.2時(shí)的部分全色譜段積分級(jí)數(shù)。

表4反射率0.2積分級(jí)數(shù)統(tǒng)計(jì)

Tab.4　Integral numbers with 0.2 reflectance coefficient

3 高分相機(jī)定標(biāo)測(cè)試與結(jié)果

3.1　光譜定標(biāo)測(cè)試

在正式進(jìn)行光譜定標(biāo)之前利用汞燈特征譜線和陷阱探測(cè)器對(duì)光譜定標(biāo)裝置的波長(zhǎng)位置準(zhǔn)確性和相對(duì)光譜輻射強(qiáng)度進(jìn)行了校準(zhǔn)和溯源［10］。高分相機(jī)CCD探測(cè)器全色和多光譜的相對(duì)光譜響應(yīng)曲線如圖1所示。

圖1　高分相機(jī)相對(duì)光譜響應(yīng)曲線

3.2　視頻響應(yīng)線性測(cè)試

在整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，對(duì)于每個(gè)光譜和成像通道分別利用積分球光源提供一系列輻亮度等級(jí)（不少于8個(gè)），記錄相應(yīng)圖像灰度輸出，然后利用最小二乘擬合來(lái)獲得視頻響應(yīng)曲線，據(jù)此計(jì)算響應(yīng)線性度指標(biāo)以及像元級(jí)的相對(duì)/絕對(duì)定標(biāo)系數(shù)，圖2給出了全色譜段的響應(yīng)線性測(cè)試結(jié)果。

圖2　全色譜段響應(yīng)線性測(cè)試結(jié)果

3.3　圖像灰度與成像參數(shù)之間的線性關(guān)系測(cè)試

分別固定積分時(shí)間、增益和積分級(jí)數(shù)中的兩種參數(shù)，改變第三個(gè)成像參數(shù)測(cè)試相機(jī)輸出圖像灰度隨第三個(gè)成像參數(shù)之間的線性關(guān)系，圖3～圖5分別給出了全色譜段圖像與積分級(jí)數(shù)、增益和積分時(shí)間之間的關(guān)系。

圖3　全色譜段圖像灰度與積分級(jí)數(shù)之間的關(guān)系

圖4　全色譜段圖像灰度輸出與增益之間的關(guān)系

圖5　全色譜段圖像灰度輸出與積分時(shí)間之間的關(guān)系

3.4　響應(yīng)非均勻性測(cè)試

對(duì)于探測(cè)器全色和多光譜譜段的每一個(gè)光譜通道，分別調(diào)整積分球光源的輻亮度輸出，啟用校正系數(shù)并使得該譜段圖像灰度輸出達(dá)到飽和值的一半左右，此時(shí)采集并記錄定標(biāo)圖像作為事后計(jì)算PRNU的依據(jù)，經(jīng)過(guò)處理獲得響應(yīng)非均勻性指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5所示。

表5相機(jī)各譜段響應(yīng)非均勻性測(cè)試結(jié)果

Tab.5　Result of camera response nonuniformity

3.5　信噪比測(cè)試結(jié)果

信噪比測(cè)試需要給出指定太陽(yáng)高度角和地面反照率下［11-12］，根據(jù)總體研制任務(wù)書(shū)要求，在太陽(yáng)高角30°和地面反照率0.2的典型照明情況下，相機(jī)信噪比應(yīng)不低于100倍。相機(jī)在軌垂直對(duì)火星觀測(cè)時(shí)相機(jī)入瞳處的輻射亮度值，作為實(shí)驗(yàn)室輻射定標(biāo)積分球光源輸出輻射亮度值設(shè)定的依據(jù)，根據(jù)輻射傳輸模型可以估算相機(jī)各工作譜段內(nèi)入瞳輻亮度如表6所示；在該亮度下采集各譜段圖像500行進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，高分相機(jī)各譜段默認(rèn)級(jí)數(shù)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表7；在太陽(yáng)高度角30°和地面反照率0.2的典型照明情況下，全色級(jí)數(shù)理論計(jì)算結(jié)果與定標(biāo)測(cè)試結(jié)果基本符合，具體結(jié)果見(jiàn)表4和表7。

表6典型照明條件下相機(jī)各通道入瞳輻亮度估算

Tab.6　Estimation of camera radiance with typical lighting condition

表7典型照明條件下信噪比測(cè)試結(jié)果

Tab.7　Result of SNR with typical lighting condition

3.6　定標(biāo)精度分析

361相對(duì)輻射定標(biāo)精度

相機(jī)相對(duì)輻射定標(biāo)主要包括響應(yīng)非均勻性和非線性的定標(biāo)，影響測(cè)量精度的因素包括定標(biāo)用積分球光源輻射輸出、相機(jī)讀出誤差、相機(jī)響應(yīng)非線性、定標(biāo)數(shù)據(jù)計(jì)算誤差。

積分球光源輻射輸出的不確定度影響主要來(lái)自兩個(gè)方面：一是積分球開(kāi)口處的非均勻性誤差、另一個(gè)是非余弦誤差。相機(jī)入瞳尺寸為385 mm，光學(xué)視場(chǎng)角為2°，積分球光源在該尺寸下的非均勻性不確定度=0.6%，在該視場(chǎng)角下的非余弦不確定度=2.3%。

相機(jī)讀出誤差引起的不確定度CCD=1%；相機(jī)響應(yīng)非線性不確定度nul=1%；定標(biāo)數(shù)據(jù)計(jì)算（定標(biāo)圖像數(shù)據(jù)的提取和計(jì)算）不確定度cal=0.5%。合成后相對(duì)輻射定標(biāo)不確定度R為：

分析表明高分相機(jī)的輻射定標(biāo)方案可滿足相對(duì)輻射定標(biāo)不確定度優(yōu)于3%的要求。

362絕對(duì)輻射定標(biāo)精度

相機(jī)絕對(duì)輻射定標(biāo)所用光源亮度是通過(guò)光譜輻射計(jì)測(cè)量得到的，光譜輻射計(jì)亮度基準(zhǔn)是通過(guò)NIST標(biāo)準(zhǔn)燈傳遞得到的。影響絕對(duì)輻射定標(biāo)精度的因素包括：標(biāo)準(zhǔn)光源的不確定度=1.015%；輻射量值標(biāo)準(zhǔn)傳遞的不確定度=3%；積分球光源測(cè)量不確定度=3%；積分球光源非均勻性不確定度=0.6%；積分球光源非余弦不確定度=2.3%；相機(jī)輸出不確定度CCD=1%；相機(jī)響應(yīng)非線性不確定度nul=1%；定標(biāo)數(shù)據(jù)計(jì)算不確定度cal=0.5%。合成后絕對(duì)輻射定標(biāo)不確定度a為：

分析表明高分相機(jī)的輻射定標(biāo)方案可滿足絕對(duì)輻射定標(biāo)不確定度優(yōu)于7%的要求。

4 結(jié)　論

本文為了使天問(wèn)一號(hào)有效載荷高分辨率相機(jī)在軌工作期間獲取到高質(zhì)量圖像，對(duì)成像參數(shù)的設(shè)置進(jìn)行說(shuō)明，給出了相機(jī)在軌工作默認(rèn)參數(shù)以及不同地面反射率和不同太陽(yáng)高度角下的成像參數(shù)。定標(biāo)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：高分相機(jī)的視頻響應(yīng)曲線呈線性關(guān)系，圖像灰度值和成像參數(shù)呈線性關(guān)系，線性擬合相關(guān)系數(shù)均在0.999以上，線陣CCD各譜段響應(yīng)非均勻性均不超過(guò)1%，典型照明條件下信噪比不低于100倍，相對(duì)輻射定標(biāo)不確定度優(yōu)于3%，絕對(duì)輻射定標(biāo)不確定度優(yōu)于7%。

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Imaging parameter setting and calibration test of Tianwen-1 high-resolution camera

LIU Wenguang*，WANG Xiaodong，DONG Jihong，ZHANG Fan

（，，，130033，），：

To obtain high-quality images during the operation of the Tianwen-1 payload high-resolution camera， the imaging parameter settings were investigated. Combined with the results of laboratory calibration experiments， the default parameters of the camera in orbit and the imaging parameters under different ground reflectivities and sun altitudes were determined. First， the radiance of each spectral segment at the entrance pupil of the camera was calculated based on the atmospheric radiation transfer model. Then， the output charge value of the CCD detector was obtained by applying the photoelectric conversion model. Furthermore， the imaging parameters of the camera were obtained， and were found to meet the requirement of SNR > 100. Finally， spectral calibration and radiometric calibration were conducted under laboratory conditions， and the calibration error was analyzed. The experimental results indicate that the video response of the high-resolution camera is linear， relationship between the gray value and imaging parameter is linear， correlation coefficients of linear fitting are all above 0.999， non-uniformity of each spectral segment is less than 1%， and SNR is no less than 100 under typical lighting conditions. The relative radiometric calibration uncertainty is better than 3%， and the absolute radiometric calibration uncertainty is better than 7%. The results of the theoretical calculation and calibration are found to be basically consistent. Thus， the imaging parameters are designed reasonably， and the calibration results meet the system requirements.

Tianwen-1； high-resolution camera； imaging parameter； calibration

V19；V447.1

A

10.37188/OPE.20223002.0178

劉文光（1983），男，吉林長(zhǎng)春人，碩士，副研究員，2008年于吉林大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事光電載荷成像控制與信息處理方面的研究。E-mail： liuwenguangace@gmail.com

1004-924X（2022）02-0178-07

2020-09-23；

2020-11-19.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No.62005266）