資源一號02D衛星可見近紅外相機在軌調試與圖像質量評價方法

譚偉 齊文雯 王軍 何紅艷 于生全 王殿中

(1 北京空間機電研究所，北京 100094)(2 北京空間機電研究所 先進光學遙感技術北京市重點實驗室，北京 100094)

衛星發射前，可見近紅外相機在實驗室經過精密裝調與測試，焦面位置與成像參數狀態均已預設。由于發射期間多種因素的影響，以及大氣壓力、溫度、濕度等環境因素的變化，衛星入軌后相機狀態可能會發生改變，導致相機系統出現離焦[1]。同時，考慮到在軌成像時地物反射率、光照條件等成像輸入變化復雜，實驗室積分球產生的均勻光無法完全模擬相機在軌時接收到的能量，導致預設成像參數的成像結果無法體現相機最佳的輻射性能[2]。

在軌調試是保障并提高可見近紅外相機圖像質量的重要途徑，在軌測試是檢驗相機成像性能的重要方法。資源一號02D衛星(又稱為5米光學業務衛星)可見近紅外相機入軌后，隨即開展高精度調試。本文結合可見近紅外相機的設計特點及成像模式，研究了高精度在軌調試方法，同時采用性能指標測試的方法評價調整后的圖像質量，對調整結果進行檢驗。

1 在軌調試概述

空間光學相機在軌調試主要指與相機成像質量相關的相機工作狀態與性能參數調試，通過開展在軌調試將相機成像性能調整到最佳狀態，可有效保障成像數據的質量。對于長焦距大口徑的推掃型(Time Delayed Integration Charge Coupled Device，TDICCD)相機，一般在軌調試包括相機焦面調試與相機成像參數調試。其中，焦面狀態主要影響相機的空間調制度，進而影響圖像清晰度和細節解析能力；成像參數主要影響相機的輻射性能，包括信噪比、動態范圍等。

2 在軌調焦方法

目前空間遙感相機調焦方法有程序控制法[3]、對比調焦法[4]和圖像處理法[5]。程序控制法是指根據相機拍照時的實測參數和對熱真空試驗時可能對焦面產生影響的因素進行預估，利用提前編制好的程序來調整焦面位置；對比調焦法最早用于斯波特-5(SPOT-5)衛星[6]，利用雙相機具有相同覆蓋的原理，以互相為參考進行對比調焦，直至兩臺相機均調整到最佳焦面[7]。圖像處理法利用遙感相機實時圖像作為評價依據，通過圖像的特征參數對焦面狀態進行判斷，來確定相機的最佳工作狀態[8-9]。

目前遙感衛星發射入軌后，用戶對相機在軌調焦的時間要求越來越高。快速準確完成在軌調焦的關鍵之處在于如何制定合適的調焦計劃和選取可靠的調焦評價函數。對于資源一號02D衛星可見近紅外相機來說，調焦策略方面，常規連續調焦搜索的策略對在軌成像時間和衛星使用資源占用要求高[10]，難以滿足用戶的要求；調焦函數方面，資源一號02D衛星可見近紅外相機采用TDICCD推掃模式成像，被攝目標始終處于變化之中，常用調焦評價方法的應用精度難以保證[11-12]。在用戶的時效要求下迅速精準完成在軌調焦的關鍵在于制定高效的調焦策略和研究高精度的調焦函數。

2.1 資源一號02D衛星可見近紅外相機在軌調焦方法

經分析其他在軌衛星的在軌調焦過程發現，星載遙感相機在軌調焦時采用粗調焦與精調焦相結合的調焦方法可大幅縮短在軌調焦時間。粗調焦時，調焦機構采用大步長進行焦面調整，并采用合適的調焦評價函數計算出當前相機的離焦量，進而得到初步的焦面調整位置；精調焦則在粗調焦焦面基礎上，調焦機構采用小步長進行調整，采用合適的調焦評價函數對各焦面圖像特征參數進行對比，得到最佳焦面，過程見圖1，一般以相機焦深為參考，以一倍焦深對應相機調焦步長為L。

圖1 在軌調焦過程Fig.1 Flowchart of on-orbit refocusing

精確計算調焦過程中不同焦面特征參數的關鍵在于調焦評價函數的選取。在上述調焦策略的基礎上，第一輪調焦獲取粗調焦圖像，基于圖像功率譜與相機離焦量的關系，獲取不同焦面的離焦量，計算得到粗調焦最佳焦面，圖像功率譜計算方法如下[13]

(1)

式中：f為圖像頻率變量；A為圖像頻率幅值，即功率譜強度；k為圖像指數變量。經實驗室數據仿真分析和在軌驗證，k的取值范圍為1.81～2.05。

第二輪調焦獲取精調焦圖像，結合TDICCD相機的成像特點，選擇一種與成像場景無關的圖像清晰度評價方法，最終得到精調焦最佳焦面，完成在軌調焦。在軌精調焦的圖像清晰度評價方法如下[14]

(2)

式中：De為圖像清晰度；fr為高頻強度；ep為有效邊緣寬度；A、B分別為常數系數。經試驗驗證[15]，當A+B=1且A∈(0.09，0.23)，B∈(0.77，0.91)時，該結果作為圖像清晰度時不僅對場景變化的獨立性好，而且能夠很好的反映圖像的離焦狀況。

2.2 焦面調整結果

2.2.1 在軌粗調焦

根據相機光學系統、調焦機構等相關設計參數，根據2.1節中設計的在軌粗調焦策略，采用式(1)及相機光學系統調焦設計參數分別計算相機粗調焦過程中每個焦面的離焦量，計算結果見表1。

表1 粗調焦過程相機每個焦面的離焦量Table 1 Defocusing degree of each focal plane in rough refocusing process

對比表1中各焦面離焦量可知，相機粗最佳焦面位置為

P1=P0-0.3L

(3)

2.2.2 在軌精調焦

根據相機光學系統、調焦機構等相關設計參數，以及2.1節中設計的在軌精調焦策略，分別計算相機粗調焦過程中每個焦面的離焦量，計算結果見表2。采用式(2)圖像清晰度評價方法分別對焦面圖像清晰度進行計算和對比，清晰度計算結果越大，表示對焦越好。

表2 精調焦過程中各焦面圖像清晰度Table 2 Image definition of each focal plane in accurate refocusing process

根據表2可知相機實際最佳焦面應處于P1與P1+0.25L之間，且更接近P1+0.25L，因此可以推導出相機最佳焦面應為

P2=P1+0.2L

(4)

通過調焦指令將相機焦面調整到P2位置，完成在軌調焦。調焦前后相機焦面位置見表3，用具體對應的步數表示相機在不同時期的焦面位置。

表3 相機調焦前后的焦面位置對比Table 3 Comparison of focal plane positions before and after refocusing

3 在軌成像參數調整方法

空間遙感相機發射前會預設一檔積分級數和增益作為默認成像參數，成像參數的設置依據為實驗室測試過程。以積分球輸出的不同輻亮度作為相機的輸入，測試相機的動態范圍和在不同輸入能量下的響應，以此預估相機圖像的動態范圍并作為在軌在軌成像時的默認參數[16]。

對于資源一號02D衛星可見近紅外相機，大幅寬成像時被攝場景中不僅包含的地物類型多，反射率變化區間大，光照條件復雜。實驗室采用積分球作為能量輸出時難以很好地模擬大幅寬相機在軌真實成像條件[17]，導致相機在預設成像參數條件下的成像結果可能無法完全表現相機的性能，影響相機圖像數據輻射質量。保障相機數據輻射質量的關鍵在于精確獲取相機在軌時成像場景的入瞳輻亮度以設置最優的成像參數。

3.1 資源一號02D衛星可見近紅外相機在軌成像參數調整方法

資源一號02D衛星可見近紅外相機在軌工作時，涉及調整的成像參數只有積分級數和增益。為了合理預估在軌參數，本文提出了一個預估方案，過程見圖2，先開展左側過程，建立基于實驗室定標結果參考表，再結合在軌成像條件開展右側過程。在軌預估首先根據仿真獲得輻射量，通過輻射傳輸仿真，建立相機不同成像參數組合下與太陽高度角和地物反射率的對應關系，獲取相機在軌工作時的入瞳輻亮度。同時，基于實驗室輻射定標結果，獲得相機在不同積分球能量下輸出圖像的數字(DN)值，計算相機在軌典型工況下的入瞳輻亮度，結合實驗室定標結果，完成成像參數設置。

圖2 成像參數預估過程圖Fig.2 Flowchart of estimating the imaging parameters

使用輻射傳輸模型[18]，對相機在軌工作時的入瞳輻亮度進行計算。大氣輻射傳輸能模擬太陽入射能量經大氣傳播到地表，地表反射信息并再經大氣后被相機接收的過程。該大氣輻射傳輸模型以遙感器成像幾何和被攝地物反射率等作為輸入，可計算在特定成像條件下大氣層頂表觀反射率和相機入瞳輻亮度，其中入瞳表觀反射率ρTOA和入瞳輻亮度Rad單位為W/(m2·μm·sr))的物理模型可近似為表述為

(5)

(6)

式中：ρpath為大氣程輻射導致的大氣固有反射率，ρs為被攝地物反射率，θs和θv為分別太陽天頂角和觀測天頂角，T(θs)和T(θv)分別為大氣下行透過率和帶去上行透過率，S為大氣半球反照率，d為日地距離修正因子，Es為大氣層頂太陽等效光譜輻照度，單位為W/(m2·μm)。

基于大氣輻射傳輸模型獲取資源一號02D衛星在國土資源遙感時的典型平均入瞳輻亮度，結合實驗室定標試驗結果，按照式(7)查找實驗室測試時不同積分級數與增益參數組合下最接近成像參數，即為在軌最佳的成像參數。

(7)

式中：k為查找系數，對應實驗室定標試驗結果中的絕對定標系數，N為資源一號02D衛星相機量化位數，可見近紅外相機量化位數為12 bit，即N=12。37.5%為比例系數[19]，代表了圖像DN值灰度直方圖峰值與量化位數的比值。

3.2 成像參數調整結果

根據2.2節中描述，對資源一號02D衛星可見近紅外相機在軌成像參數進行調整，參數調整結果見表4。

表4 相機參數調整前后的具體參數對比Table 4 Comparison of the imaging parameters before and after adjustment

表4中為夏季成像參數時國土區域的圖像統計結果，對于冬季成像參數，由于光照條件的變化，國土區域平均太陽高度角較夏季約降低了1.4～1.6倍，為了確保圖像動態范圍與輻射質量，通過調整增益檔位或積分級數，將冬季成像參數在夏季成像參數的基礎上增大約1.5倍。

完成夏季成像參數調整后，對相機各譜段在表5對應成像參數下圖像灰度均值和動態范圍進行統計，以夏季參數為例，成像場景為典型國土區域，包含城市、水體、山體等，如圖3所示，統計結果見表5。

圖3 可見近紅外相機典型國土遙感成像示意圖Fig.3 True color image of VNIR camera for typical land-resource mote sensing

表5 夏季參數下可見近紅外相機圖像灰度均值和動態范圍Table 5 Imaging parameters of VNIR camera in summer and winter

根據表5中統計參數可知：各譜段圖像均值均為灰度量程值(4095)的三分之一左右，與式(7)選用的37.5%比例系數基本一致，且動態范圍基本可覆蓋低響應地物目標(量程的10%左右)和高響應地物目標(量程的90%左右)，充分發揮了相機的成像性能。

4 性能指標測試

4.1 調制傳遞函數(MTF)測試

MTF反映的是成像系統在對目標物成像過程中信號的擴散與削弱程度。對于光學相機，測試MTF是檢驗光學系統對焦狀態的一種有效手段。相機光學系統對焦越好，目標經成像系統后能量越集中，擴散越小，MTF越大，反之MTF越小。因此，在軌測試過程中通常將奈奎斯特(Nyquist)頻率處的MTF作為檢驗圖像對角狀態的質量指標參數。

相機在軌時主要采用刃邊靶標圖像進行MTF測試，考慮到不同譜段空間分辨率與靶標實際尺寸，資源一號02D衛星可見近紅外相機只測試全色譜段的MTF。本測試采用的數據源是2019年11月2日、2019年11月5日、2019年11月8日、2019年11月11日資源一號02D衛星全色(PAN)相機在包頭靶標場的一級標準產品，以2019年11月2日靶標圖像為例，其示意如圖4所示。基于刃邊靶標分別測試沿軌和垂軌兩方向MTF，結果見表6。

根據相機研制指標中動態調制傳遞函數要求，該測試結果一方面可滿足相機動態調制傳遞函數指標，說明相機當前焦面位置處于良好的對焦狀態。

圖4 2019年11月2日刃邊靶標全色譜段圖像Fig.4 Edge target of pan image on November 2rd, 2019

表6 沿軌和垂軌方向MTF測試結果Table 6 Estimated MTF of cross-orbit and along orbit directions

4.2 信噪比(SNR)測試

SNR是表征相機系統輻射質量的重要參數之一。SNR通常定義為圖像中的目標信號與噪聲信號的比值。在復雜地物區域，難以可靠地區分圖像中的目標信號與噪聲信號，因此本文中的信噪比測試均在均勻地物區域進行。

結合相機指標設計，一般在軌分別測試相機響應低端和高端的SNR指標，其中高端測試條件為(θ=70°、ρ=0.60)，主要是沙漠等高反射率均勻地物，低端測試條件為(θ=30°、ρ=0.03)，主要是平靜較深的水面，包括內陸湖面和深海海面等。在高端和低端地物中截取滿足計算條件的一塊均勻區域，計算該區域響應值的均值和方差，并將均值和方差之比作為信噪比。

(8)

(9)

式中：SNR為圖像信噪比，M為測試樣本圖像灰度均值，m、n分別為樣本圖像的行、列像素數，v(i,j)為某像元灰度DN值。選擇資源一號02D衛星可見近紅外相機于2020年5—7月對沙漠、深海和內陸湖進行信噪比測試，結果見表7。

表7 SNR測試結果Table 7 Testing results of SNR

經與可見近紅外相機設計指標相對比(高端信噪比>48 dB，低端信噪比>30 dB)，測試結果滿足指標設計要求，圖像輻射質量高，相機完成焦面調整和成像參數調整后成像性能處于良好的狀態。

5 結束語

在軌調試是保障空間遙感相機在軌成像質量的重要途徑，合適的調試策略和可靠的調試評價方法決定了相機在軌后調整到最佳成像狀態的時間效率和精度，而在軌圖像質量指標測試和評價是對在軌調試的重要檢驗途徑。本文針對資源一號02D衛星可見近紅外相機研究了快速高精度在軌調試方法，包括調焦策略與評價算法，成像參數預估方法。在完成在軌調試的基礎上，選擇MTF、SNR這兩個具有代表性的圖像質量指標進行了測試，結果顯示：本文提出的調焦策略和調焦評價方法精準快速地完成了最佳焦面定位，成像參數預估方法得到了最佳成像參數組合(積分級數和增益)，MTF、SNR指標參數均滿足相機設計要求，相機成像性能得到了充分保障。