天問(wèn)一號(hào)高分相機(jī)火表復(fù)雜照度下自動(dòng)調(diào)光成像電路設(shè)計(jì)

黃敬濤，王曉東，孫振亞，周大立，周鵬驥

天問(wèn)一號(hào)高分相機(jī)火表復(fù)雜照度下自動(dòng)調(diào)光成像電路設(shè)計(jì)

黃敬濤*，王曉東，孫振亞，周大立，周鵬驥

（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）

航天相機(jī)的成像質(zhì)量是獲取遙感數(shù)據(jù)的關(guān)鍵，航天相機(jī)設(shè)計(jì)中調(diào)光是影響相機(jī)的成像質(zhì)量的重要參數(shù)，自動(dòng)調(diào)光是預(yù)先獲取目標(biāo)場(chǎng)景的信息，根據(jù)信息確定調(diào)光參數(shù)，避免過(guò)度曝光或曝光不足帶來(lái)的圖像信息損失。我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)天問(wèn)一號(hào)高分相機(jī)，針對(duì)火表復(fù)雜照度，為獲取高質(zhì)量圖像數(shù)據(jù)，提出了基于TDI CCD推掃成像與CMOS凝視成像自動(dòng)調(diào)光成像電路設(shè)計(jì)，并提出了基于FPGA的自動(dòng)調(diào)光算法。對(duì)天問(wèn)一號(hào)高分相機(jī)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)光試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：自動(dòng)調(diào)光后圖像的動(dòng)態(tài)傳函MTF提升0.013，外場(chǎng)試驗(yàn)中，對(duì)實(shí)際景物進(jìn)行自動(dòng)調(diào)光前后對(duì)比拍攝，結(jié)果表明自動(dòng)調(diào)光成像效果良好，具備較好的場(chǎng)景適應(yīng)能力，滿足火表復(fù)雜照度下自動(dòng)調(diào)光成像需求。

TDICCD；CMOS；自動(dòng)調(diào)光；天問(wèn)一號(hào)；MTF

1 引　言

我國(guó)第一顆火星探測(cè)器“天問(wèn)一號(hào)”，邁出了我國(guó)深空探測(cè)的第一步，高分辨率相機(jī)（以下簡(jiǎn)稱高分相機(jī)）是火星環(huán)繞器上的有效載荷之一，主要完成對(duì)火星表面精細(xì)觀測(cè)的任務(wù)，旨在為我國(guó)的火星探測(cè)和為人類全面了解火星地貌地表狀況、太陽(yáng)系起源與演化以及為后續(xù)的火星登陸計(jì)劃做出重要貢獻(xiàn)。

火星表面的太陽(yáng)輻亮度約為地球的0.43倍，不同區(qū)域如沙丘、冰川、崩塌等輻亮度會(huì)有所不同，為實(shí)現(xiàn)火星表面地形地貌高精度成像和詳細(xì)勘測(cè)，對(duì)相機(jī)的成像質(zhì)量有著很高的要求，航天相機(jī)在不同照度下的自動(dòng)調(diào)光是相機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，影響著航天相機(jī)的成像質(zhì)量［1］。

高分相機(jī)采用時(shí)間延遲積分（Time Delayed and Integration，TDI）電荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）作為主探測(cè)器，進(jìn)行推掃成像，但在對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景成像時(shí)只進(jìn)行一次推掃成像，因此無(wú)法預(yù)知目標(biāo)場(chǎng)景的特征信息，進(jìn)而無(wú)法確定調(diào)光參數(shù)，星上自動(dòng)調(diào)光實(shí)現(xiàn)難度較大［2］。

為了實(shí)現(xiàn)線陣TDI CCD推掃式相機(jī)的星上自動(dòng)調(diào)光，高分相機(jī)設(shè)計(jì)了面陣CMOS與TDI CCD相結(jié)合的焦平面結(jié)構(gòu)，利用CMOS預(yù)先采集目標(biāo)場(chǎng)景，對(duì)場(chǎng)景信息進(jìn)行分析預(yù)判進(jìn)而確定調(diào)光參數(shù)，實(shí)現(xiàn)星上自動(dòng)調(diào)光［3］。TDI CCD作為主探測(cè)器獲取火星表面的全色圖像和彩色圖像，面陣CMOS傳感器通過(guò)凝視成像輔助TDI CCD實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)光進(jìn)而提高成像質(zhì)量。

2 成像系統(tǒng)組成

整個(gè)系統(tǒng)由CCD預(yù)放電路、CCD視頻處理電路和CCD驅(qū)動(dòng)電路及控制器電路組成。CCD預(yù)放電路實(shí)現(xiàn)對(duì)CCD輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，包括信號(hào)放大和抑制噪聲，以保證模擬信號(hào)傳輸?shù)耐暾裕籆CD視頻處理電路實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)放電路處理后的CCD模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字圖像信號(hào)；CCD驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)CCD工作所需的時(shí)序信號(hào)進(jìn)行功率驅(qū)動(dòng)；控制器電路用于產(chǎn)生CCD與CMOS工作所需的時(shí)序，接收CCD與CMOS輸出的圖像數(shù)據(jù)并整理輸出［4-5］。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1　成像系統(tǒng)組成框圖

3 成像電路設(shè)計(jì)

3.1　TDI CCD

高分相機(jī)根據(jù)任務(wù)要求，設(shè)計(jì)選用了DALSA公司的CORONA型TDI CCD，實(shí)物如圖2所示。該探測(cè)器全色像元數(shù)6 144、彩色像元數(shù)3 072，具有全色，藍(lán)色，綠色，紅色和近紅外五個(gè)譜段，光譜區(qū)共96行像素，可以通過(guò)5個(gè)級(jí)間選擇控制信號(hào)分別實(shí)現(xiàn)8行、16行、32行、48行、64行和96行6種TDI積分級(jí)數(shù)工作模式，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。TDI CCD主要指標(biāo)見(jiàn)表1。

圖2　TDI CCD實(shí)物圖

圖3　TDI CCD結(jié)構(gòu)

3.2　CCD預(yù)放電路

CCD預(yù)放電路用于對(duì)CCD輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行信號(hào)放大和噪聲抑制，設(shè)計(jì)采用運(yùn)算放大器構(gòu)造同相放大電路。通過(guò)交流耦合的方式，將視頻信號(hào)中的直流偏置隔離掉，利用運(yùn)算放大器將低壓信號(hào)放大至后端視頻處理器需要的幅度范圍。

器件選用TI公司的視頻寬帶運(yùn)算放大器LMH6722，該器件3 dB帶寬可達(dá)300 MHz， CCD視頻輸出信號(hào)頻率設(shè)計(jì)值為12.65 MHz，滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。CCD預(yù)放電路如圖4所示。

表1TDI CCD的主要技術(shù)指標(biāo)

Tab.1　Main technical indicators of TDI CCD

圖4　CCD預(yù)放電路

3.3　CCD視頻處理電路

CCD視頻處理電路用于采集CCD輸出的模擬視頻信號(hào)，并進(jìn)行相關(guān)雙采樣、自動(dòng)增益控制、抑制噪聲和高速A/D變換。

由于CCD頻率較高，為了能實(shí)現(xiàn)對(duì)像元進(jìn)行及時(shí)的處理和獲得高質(zhì)量的圖像，相應(yīng)的對(duì)視頻處理單元的帶寬和量化精度要求也變高。CCD視頻處理單元的目的是消除KTC 噪聲，抑制低頻噪聲和寬帶白噪聲，并且保證在CCD的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)圖像信號(hào)隨目標(biāo)亮度成線性變化，通過(guò)綜合比較，采用TI公司視頻處理器LM98640。

設(shè)計(jì)采用全色與彩色均單抽頭輸出，全4路，彩色各1路，共8路輸出，其中全色圖像設(shè)計(jì)每路輸出頻率為12.65 MHz，彩色圖像設(shè)計(jì)每路輸出頻率為3.11 MHz，量化為12位，該器件滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。

3.4　CCD驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

CCD驅(qū)動(dòng)電路用于對(duì)FPGA產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行功率放大，將驅(qū)動(dòng)時(shí)序轉(zhuǎn)換為符合TDI CCD工作要求的電平信號(hào)。根據(jù)TDI CCD對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的要求，驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)選用Intersil公司的 ISL7457，該芯片內(nèi)部集成了電平轉(zhuǎn)換功能，前端輸入可以是3 V或5 V的TTL電平，輸出信號(hào)的高低電平由其VH和VL決定。同時(shí)ISL7457輸入脈沖頻率最高40 MHz，能滿足系統(tǒng)TDI CCD的單路最大像元讀出速率12.65 MHz的設(shè)計(jì)需求。

3.5　CMOS探測(cè)器

CMOS探測(cè)器設(shè)計(jì)選用長(zhǎng)光辰芯的HR400型CMOS探測(cè)器，該器件是一款高動(dòng)態(tài)范圍面陣探測(cè)器，有效像元數(shù)2 048（H）×2 048（V），像元尺寸11 μm×11 μm，量化位數(shù)為12 bit，主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2CMOS主要技術(shù)指標(biāo)

Tab.2　Main technical indicators of CMOS

3.6　CMOS成像電路設(shè)計(jì)

由于CMOS器件自身集成了地址譯碼器、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器等，外圍電路提供合適的供電、偏置電壓及驅(qū)動(dòng)時(shí)序即可工作［6-7］，設(shè)計(jì)采用FPGA產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)時(shí)序直接驅(qū)動(dòng)CMOS探測(cè)器，F(xiàn)PGA選用XILINX公司的XQ4VSX55，該器件具有IODELAY功能，可以滿足CMOS探測(cè)器LVDS輸出需進(jìn)行training操作的需求。

4 自動(dòng)調(diào)光算法

自動(dòng)調(diào)光的目的是改變圖像的灰度值，通過(guò)改變成像參數(shù)，使相機(jī)輸出圖像的灰度趨近于目標(biāo)灰度值，目標(biāo)灰度值的選取需根據(jù)實(shí)際成像場(chǎng)景。

其中：τ是光學(xué)系統(tǒng)平均透過(guò)率；是光學(xué)系統(tǒng)相對(duì)孔徑；是TDI CCD探測(cè)器響應(yīng)度，單位V·M2·J1；G是電子學(xué)量化增益，單位DN/V，本設(shè)計(jì)中選用的LM98640量化位數(shù)12 bit，=2 048 DN/V。

通常TDI CCD在不同軌道高度需要設(shè)置不同的積分時(shí)間來(lái)進(jìn)行像移匹配［8］，CCD的積分時(shí)間t可表示為：

其中：GSD為地面像元分辨率，為飛船速度。任務(wù)要求火表面像元分辨率全色為0.5 m、彩色為2.0 m，飛船速度根據(jù)任務(wù)的軌道高度而確定，積分時(shí)間在不同軌道高度基本是定值，所以調(diào)節(jié)圖像的灰度值的直接手段即調(diào)節(jié)積分級(jí)數(shù)，自動(dòng)調(diào)光的實(shí)現(xiàn)即通過(guò)改變積分級(jí)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，在公式（1）中，入瞳輻亮度B是唯一的未知數(shù)，其可以通過(guò)面陣CMOS圖像數(shù)據(jù)求得。

其中：是CMOS積分時(shí)間；是CMOS探測(cè)器響應(yīng)度，單位V·M2·J1。

CMOS像面輻照度E與相機(jī)入瞳輻亮度B的關(guān)系為：

根據(jù)公式（6）得到的入瞳輻亮度B代入公式（1）中，即可確定積分級(jí)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)光。

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)調(diào)光算法，利用面陣CMOS圖像數(shù)據(jù)求出相機(jī)入瞳輻亮度B，進(jìn)而根據(jù)當(dāng)前軌道高度，選取合適的積分時(shí)間和積分級(jí)數(shù)，得到趨近于目標(biāo)灰度值TDI CCD圖像［9-11］，實(shí)現(xiàn)星上自動(dòng)調(diào)光。

5 試驗(yàn)結(jié)果

5.1　自動(dòng)調(diào)光測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室條件下，利用積分球作為均勻光源，測(cè)試自動(dòng)調(diào)光功能，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。

圖5　實(shí)驗(yàn)室測(cè)試自動(dòng)調(diào)光

圖6是自動(dòng)調(diào)光的圖像數(shù)據(jù)，上半部分是自動(dòng)調(diào)光前的圖像信息，下半部分是自動(dòng)調(diào)光后的圖像信息，從圖中可以看出，自動(dòng)調(diào)光前圖像平均灰度值為57.1，設(shè)置目標(biāo)灰度值為120，開(kāi)啟自動(dòng)調(diào)光功能后圖像平均灰度值為115.12，自動(dòng)調(diào)光功能得到驗(yàn)證。

5.2　MTF測(cè)試

在相機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)MTF測(cè)試時(shí)，對(duì)自動(dòng)調(diào)光效果進(jìn)行評(píng)估。通過(guò)動(dòng)態(tài)目標(biāo)發(fā)生器和平行光管模擬無(wú)窮遠(yuǎn)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，調(diào)整動(dòng)態(tài)目標(biāo)發(fā)生器的目標(biāo)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速，模擬典型軌道高度下的探測(cè)器星下點(diǎn)速度，采用1倍頻靶標(biāo)，模擬軌道高度265 km進(jìn)行固定行頻設(shè)置，增益設(shè)置為1倍增益，積分級(jí)數(shù)分別設(shè)置CCD全色的96級(jí)、64級(jí)、48級(jí)、32級(jí)、16級(jí)、8級(jí)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)傳函的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3各積分級(jí)數(shù)對(duì)應(yīng)的MTF

Tab.3　MTF corresponding to each integral series

由表中測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，積分級(jí)數(shù)48級(jí)時(shí)，圖像MTF最大為0.104。

同樣測(cè)試條件下，對(duì)比相機(jī)開(kāi)啟自動(dòng)調(diào)光前后的全色譜段MTF值，圖7為未開(kāi)啟自動(dòng)調(diào)光功能，TDI CCD以默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行成像，默認(rèn)積分級(jí)數(shù)為8級(jí)，默認(rèn)增益為1，平均MTF為0.092。

圖7　自動(dòng)調(diào)光前MTF測(cè)試圖像

開(kāi)啟自動(dòng)調(diào)光，積分級(jí)數(shù)自動(dòng)調(diào)整為 48 級(jí)，增益為1，平均MTF為0.105，如圖8所示。

圖8　自動(dòng)調(diào)光后MTF測(cè)試圖像

測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4自動(dòng)調(diào)光前后MTF值對(duì)比

Tab.4　MTF value comparison before and after adaptive automatic exposure

相機(jī)動(dòng)態(tài)MTF測(cè)試中，開(kāi)啟自動(dòng)調(diào)光功能后，相機(jī)根據(jù)當(dāng)前入瞳輻亮度，自動(dòng)選擇48級(jí)進(jìn)行成像，較默認(rèn)8級(jí)成像時(shí)MTF提升0.013，自動(dòng)調(diào)光效果良好。

6 外景成像試驗(yàn)

在室溫條件下，利用單軸轉(zhuǎn)臺(tái)模擬推掃成像，對(duì)室外3.5 km外的目標(biāo)進(jìn)行推掃成像，首先使用默認(rèn)成像參數(shù)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行成像，得到的圖像灰度值較低，圖像層次不分明，如圖9所示。

開(kāi)啟自動(dòng)調(diào)光功能后，對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行再次推掃成像，如圖10所示，圖像灰度值明顯增加，層次分明，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

圖9　自動(dòng)調(diào)光前外景圖像

圖10　自適應(yīng)調(diào)光后外景圖像

7 結(jié)　論

我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)天問(wèn)一號(hào)上的高分相機(jī)，為獲取高質(zhì)量圖像數(shù)據(jù)，針對(duì)火表復(fù)雜照度，提出了基于TDI CCD推掃成像與CMOS凝視成像自動(dòng)調(diào)光成像電路設(shè)計(jì)，并提出了基于FPGA的自動(dòng)調(diào)光算法。在實(shí)驗(yàn)室利用積分球?qū)ψ詣?dòng)調(diào)光功能進(jìn)行了驗(yàn)證，在外場(chǎng)試驗(yàn)中，對(duì)實(shí)際景物進(jìn)行自動(dòng)調(diào)光前后對(duì)比拍攝。結(jié)果表明，自動(dòng)調(diào)光成像效果良好，具備較好的場(chǎng)景適應(yīng)能力，滿足火表復(fù)雜照度下自動(dòng)調(diào)光成像需求。

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Design of auto-exposure imaging circuit under complex illuminance of Mars in Tianwen-1 high-resolution camera

HUANG Jingtao*，WANG Xiaodong，SUN Zhenya，ZHOU Dali，ZHOU Pengji

（，，，130033，）

，：3511643163

The imaging quality of a space-borne camera is key to accurately obtain remote-sensing data. Exposure is an important parameter in the design of a space-borne camera， which affects the image quality of the camera. Auto-exposure obtains information from the target scene in advance and uses it as the basis for determining the exposure， which can avoid the loss of image information by overexposure or underexposure. In order to obtain high-quality image data from the high-resolution camera in Tianwen-1 under the complex illuminance of Mars， an auto-exposure imaging circuit， based on TDI CCD push-broom and CMOS staring imaging， and an FPGA-based auto-exposure algorithm is proposed. The auto-exposure experimental results from the high-resolution camera in Tianwen-1 show that the dynamic transfer function MTF of the image after auto-exposure is increased by 0.013. In an outdoor test， a comparison of the actual scene before and after the auto-exposure shows that the effect of auto-exposure is good， with better scene adaptation. The proposed circuit has the ability to meet the requirements of auto-exposure imaging under the complex illumination of Mars.

TDI CCD； CMOS； auto-exposure； Tianwen-1；MTF

TP272

A

10.37188/OPE.20223002.0191

黃敬濤（1988），男，吉林通化人，碩士，助理研究員，2013年于吉林大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事空間光電探測(cè)方面研究。E-mail：3511643@163.com

1004-924X（2022）02-0191-08

2020-11-12；

2021-01-02.

北京市科技計(jì)劃課題資助項(xiàng)目（No.Z191100004319001）