空間超大視場相機速度失配對成像質量的影響

董龍平，徐菲菲，黃小仙，尹達一

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空間超大視場相機速度失配對成像質量的影響

董龍平1,2，徐菲菲1，黃小仙1，尹達一1

（1.中國科學院上海技術物理研究所，上海 200083；2.中國科學院大學，北京 100049）

空間超大視場時間延遲積分電荷耦合器件（TDI-CCD）相機能在提高觀測刈幅的同時有效提高相機靈敏度，然而在其遙感過程中，由于存在地球曲率，導致相機邊緣視場地面分辨率退化嚴重。在分析空間超大視場相機成像的基礎上，推導出空間超大視場相機在不同視場位置速度失配比和調制傳遞函數（MTF）的計算公式。并以某空間超大視場相機為例，分析了TDI-CCD探測器統一和分片調整行轉移周期對成像質量的影響。分析實驗結果表明，以MTF在空間奈奎斯特頻率處下降不超過10%為約束條件，在TDI-CCD積分階數為4階時，當空間超大視場相機總視場不超過55°時，可以采用統一調整探測器行轉移周期的方法進行像移補償；當空間超大視場相機總視場達到120°時，采用分片調整行轉移周期的方法可將滿足要求的像元視場從47.8%提高到86.5%。

空間遙感；速度失配；超大視場相機；調制傳遞函數；TDI-CCD

0 引言

隨著航天遙感器朝著超大視場（一般總視場角＞70°）和高分辨率觀測方向發展，對時間延遲積分電荷耦合器件（TDI-CCD）相機的研究成為現代遙感技術發展的重要環節[1]。TDI-CCD相機通過采用多級累加的成像方式來延長探測器的等效積分時間，在保證系統信噪比的同時，可以有效降低相機鏡頭的相對孔徑，從而可以減小整個成像系統的體積和成本[2]。在遙感衛星相對于地面高度一定時，增大相機的空間視場角可以有效增加其地面覆蓋范圍。空間超大視場相機可以在不損失相機空間分辨率的情況下提高對目標的快速搜索能力[3]。

對于空間超大視場TDI-CCD相機在軌成像時，像面上各像點像速差異較大。產生像移的原因很多，最主要的原因是衛星的運動，其次是衛星姿態的變化、地球自轉等[4]。像移導致像元光生電荷包或電壓的轉移速度與像的轉移速度不匹配，從而導致相機輸出圖像的模糊[5]。

對于成像視場較小的空間相機，可以采用基于星下點的像移計算模型[6]，即采用探測器中心視場像移速度代替其他視場像移速度來進行全視場像移補償[7-8]。而對于超大視場TDI-CCD成像相機，邊緣視場的像移速度與中心視場的像移速度相差較大，在這種情況下如果仍然采用探測器中心視場像移速度來進行像移補償，就會使得邊緣視場像移匹配殘差過大，最終導致成像質量下降。

林明漢等[9-10]就空間大視場成像相機的邊緣視場畸變做了研究，王翀等[11-12]就空間TDI大視場相機側擺成像導致的邊緣視場速度失配做了相關的研究，總的來說所研究的視場都較小，都不考慮超大視場在TDI情況下的影響。本文首先分析并建立空間超大視場相機的速度失配模型，在此基礎上分別就統一和分片調整探測器的行轉移周期兩種模式對圖像調制傳遞函數（MTF）的影響做了詳細的計算分析，最終得到空間超大視場相機最佳工作模式下的參數。

1 空間超大視場TDI-CCD相機速度失配模型

根據圖1、圖2計算得到空間超大視場相機邊緣視場穿軌方向像元分辨率為：

圖2 邊緣視場像元分辨率計算示意圖

空間超大視場相機邊緣視場沿軌方向像元分辨率為：

圖2中，點為空間大視場相機偏離星下點處的地物點，在點相機成像時探測器電荷讀出速度為，像移速度為v，速度失配量為D。

D＝－v(3)

空間超大視場TDI-CCD相機探測器行轉移周期為，則探測器的電荷讀出速度為：

衛星運動周期為T，則點的像移速度為：

圖3 像元速度失配度計算模型

由上述分析得到像元速度失配度為：

2 調整行轉移周期對成像質量的影響

相機的MTF是評價相機成像質量的重要參數，表征成像系統再現景物的能力[13]。對于階積分的TDI相機來說由于速度失配導致的MTF下降公式可以表示為[14]：

式中：為相機空間采樣頻率即奈奎斯特頻率，＝1/(2)；為探測器單個像元尺寸；為TDI積分階數；D/為像元速度失配度。

以某一空間超大視場TDI-CCD相機為例，詳細分析統一和分片調整探測器行轉移周期對相機成像質量的影響。該空間超大視場TDI-CCD相機的參數如表1所示。

該空間超大視場TDI-CCD相機的探測器是由7片子探測器在一塊基板上拼接而成。7片子探測器拼接結構以及各子探測器中心位置如圖4所示。

圖4中每片子探測器是相互獨立的，因此可以單獨設置每片子探測器的行轉移周期。設置每片子探測器中心像元不失配時的行轉移周期為該片子探測器的行轉移周期。下文就統一和分片調整探測器行轉移周期對空間超大視場TDI-CCD相機成像質量的影響做詳細的分析。

2.1 統一調整探測器行轉移周期對成像質量的影響

統一調整探測器行轉移周期是將中心像元（圖4中0位置）不失配時的行轉移周期（＝80ms）作為整個探測器的行轉移周期。圖5(a)為空間超大視場TDI-CCD相機在統一調整行轉移周期的情況下，1個行轉移周期內像移距離S和沿軌方向像元分辨率隨視場位置的變化曲線。圖5(b)為空間超大視場TDI-CCD相機像元速度失配度隨視場位置的變化曲線。由圖5可知，在統一調整行轉移周期時，一個行周期內像移距離基本不變，但沿軌方向的像元分辨率退化嚴重，從而導致像元速度失配度很大，并且探測器越遠離星下點像元速度失配越嚴重。

在統一調整探測器行轉移周期的成像模式下，由式(6)、(7)得統一調整探測器行轉移周期像元速度失配對成像的影響為：

2.2 分片調整探測器行轉移周期對成像質量的影響

由圖4探測器結構可知，每片子探測器可以具有單獨的行轉移周期，即圖4中每片子探測器中心像元（－3，－2，－1，0，＋1，＋2，＋3）不失配時的行轉移周期作為該子探測器的行轉移周期。圖6(a)為空間超大視場TDI-CCD相機在分片調整行轉移周期的情況下，一個行轉移周期內像移距離S和沿軌方向像元分辨率隨視場位置的變化曲線。圖6(b)為分片調整時空間超大視場TDI-CCD相機像元速度失配度隨視場位置的變化曲線。由圖6可知，在分片調整行轉移周期時，所有像元的像元速度失配度都在0.3以下，像元失配度較統一調整行轉移周期時有較明顯的改善。

表1 某空間超大視場TDI-CCD相機的參數

圖4 空間超大視場TDI-CCD相機探測器結構示意圖

圖5 統一調整探測器行轉移周期時像元的速度失配度

圖6 分片調整探測器行轉移周期時像元的速度失配度

表2為每片子探測器中心像元不失配情況下的行轉移周期。由表可知越往邊緣的子探測器其行轉移周期增加越快。

在分片調整探測器行轉移周期的成像模式下，由式(6)，(7)得分片調整探測器行轉移周期時像元速度失配對成像的影響為：

表2 分片調整時每片子探測器的行轉移周期

2.3 兩種成像模式對MTF影響的比較

圖7為統一和分片調整探測器行轉移周期時像元速度失配對圖像MTF的影響隨視場位置的變化曲線。從圖中可以看出分片調整探測器行轉移周期后邊緣子探測器的成像質量有了明顯的改善，并且越往邊緣的子探測器改善效果越是明顯。在航天遙感中，認為對成像質量的影響MIF(Dv)下降不超過10%時，成像結果是在可接受的范圍之內的。由圖7可知，統一調整時MIF(Dv)下降不超過10%的視場角為55°，占總視場的47.8%，而采用分片調整時MIF(Dv)下降不超過10%的視場占總視場的86.5%。使4階空間超大視場TDI-CCD相機可用視場范圍得到大大提高，也使得空間超大視場TDI-CCD相機成像質量有所提高。

圖7 統一和分片調整對圖像MTF的影響

為了更具體地表征速度失配對圖像MTF的影響，試探性的提出MTF熵的概念，定義MTF熵為所有像元的MTF之和。表3為統一和分片調整探測器行轉移周期的圖像MTF熵，表中顯示分片調整行轉移周期圖像MTF熵比統一調整MTF熵提高35%，表明分片調整行轉移周期時相機的綜合成像質量較高。

3 結論

空間超大視場TDI-CCD相機遙感過程中由于地球存在曲率，使得相機邊緣視場存在速度失配。本文推導了空間超大視場相機邊緣視場速度失配度的計算公式，并就統一和分片調整探測器行轉移周期這兩種成像模式下，邊緣視場的速度失配對空間超大視場

表3 統一和分片調整的MTF熵

TDI-CCD相機成像質量做出詳細的分析。實驗結果分析表明，以MTF在空間奈奎斯特頻率處下降不超過10%為約束條件，在TDI-CCD積分階數為4階時，在空間超大視場相機總視場不超過55°的情況下，應采用統一調整探測器行轉移周期的方法進行像移補償；當空間超大視場相機總視場達到120°時，采用分片調整行轉移周期的方法可將滿足要求的像元視場從47.8%提高到86.5%，總視場圖像MTF熵提高35%。當總視場超過120°時，在星上做TDI時將導致邊緣視場成像質量嚴重下降，建議在數傳速度允許的情況下，將圖像數據傳輸到地面上進行TDI算法。

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The Influence on Image Quality by Speed Mismatch of Space Camera With Huge FOV

DONG Longping1,2，XU Feifei1，HUANG Xiaoxian1，YIN Dayi1

(1.,,200083,； 2.,100049,)

Space charge-coupled device time delay integration(TDI-CCD) camera with huge FOV can improve the observation swath and the camera sensitivity effectively. But during the imaging process of space camera with huge field of view, because of the curvature of the earth, the edge field resolution of camera reduced. It is derived that formula for calculating speed mismatch ratio and Modulation Transfer Function(MTF) of space camera with huge field of view in a different field position. The influence on TDI-CCD detector imaging quality by adjusting row transfer periods uniformly and separately in a camera with a space huge field of view is analyzed. The results of experiments and analysis suggest when the falling of MTF no more than 10% in spatial Nyquist frequency, the integration time is 4, adjusting row transfer periods uniformly can be used with the huge field no more than 55°for image motion compensation, when the total huge field reach 120°, the field of view pixels witch meet the requirements increase from 47.8% to 86.5% when adjusting row transfer periods separately.

spatial remote sensing，speed mismatch，huge FOV camera，MTF，TDI-CCD

V445.8

A

1001-8891(2016)09-0733-06

2016-01-27；

2016-04-11.

董龍平（1989-），男，安徽合肥人，碩士研究生，主要從事空間光電遙感技術方面研究。E-mail：dlp_sitp@163.com。

尹達一（1976-），男，河南開封人，博士，博士生導師，主要從事空間光電遙感技術等方面的研究。E-mail：yindayi@mail.sitp.ac.cn。

國家自然科學基金（40776100）。