天問一號高分辨率相機成像參數(shù)設(shè)置及定標測試

劉文光，王曉東，董吉洪，張帆

天問一號高分辨率相機成像參數(shù)設(shè)置及定標測試

劉文光*，王曉東，董吉洪，張帆

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033）

為了使天問一號有效載荷高分辨率相機在軌工作期間獲取到高質(zhì)量圖像，對高分辨率相機成像參數(shù)的設(shè)置進行說明。結(jié)合實驗室定標測試結(jié)果，給出了相機在軌工作默認參數(shù)以及不同地面反射率和不同太陽高度角下的成像參數(shù)。首先，根據(jù)大氣輻射傳輸模型計算出各譜段在相機入瞳處的輻亮度。接著，利用光電轉(zhuǎn)換模型計算出CCD探測器信號輸出電荷值。然后，在滿足圖像信噪比大于100的系統(tǒng)要求下，計算出相機成像參數(shù)。最后，在實驗室條件下進行相機光譜定標和輻射定標測試及定標誤差分析。實驗結(jié)果表明：高分辨率相機的視頻響應曲線呈線性關(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各譜段響應非均勻性均不超過1%，典型照明條件下信噪比不低于100倍，相對輻射定標不確定度優(yōu)于3%，絕對輻射定標不確定度優(yōu)于7%。理論計算與實驗室定標測試結(jié)果基本符合，成像參數(shù)設(shè)計合理，定標測試結(jié)果滿足系統(tǒng)要求。

天問一號；高分辨率相機；成像參數(shù)；定標測試

1 引　言

火星是太陽系中的類地行星之一，從距離太陽由近至遠的角度而言，火星是太陽系中第4個行星。火星軌道的外側(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特的地形地貌，引起了人類對火星探測的濃厚興趣，從人類進入航天時代開始，火星就是最重要的地外天體探測目標之一。迄今為止，人類已執(zhí)行了40多次火星飛行探測任務(wù)，取得了大量的探測成果［1-2］。

2020年7月23日12時41分，中國首次火星探測任務(wù)“天問一號”探測器在海南文昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空。長春光機所研制的火星高分辨率相機（簡稱“高分相機”）作為火星環(huán)繞器上的有效載荷之一，隨“天問一號”發(fā)射升空。該高分相機采用了集光能力強、有效口徑利用充分、光學傳遞函數(shù)高、雜光抑制能力強的長焦距大視場離軸光學系統(tǒng)，以全碳化設(shè)計理念解決了相機長焦距技術(shù)指標與重量資源緊張之間的矛盾，通過碳纖維桁架實現(xiàn)了光學元件的位置保證和高輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計。相機配置了五譜段TDI CCD和國產(chǎn)面陣探測器兩種成像探測器，實現(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。為了使高分相機在軌工作期間獲取到高質(zhì)量圖像，對成像參數(shù)的設(shè)置進行設(shè)計，并在實驗室條件下進行定標測試，給出了高分相機在軌工作默認參數(shù)以及不同地面反射率和不同太陽高度角下的成像參數(shù)。

2 高分相機成像參數(shù)設(shè)置

2.1　高分相機入瞳輻亮度估算

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直射輻照度是地球的0.432 8倍。通過查閱相關(guān)文獻資料［3-9］，火星軌道太陽高度角在20°～85°之間，即太陽天頂角在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　高分相機探測器電荷估算

我們利用式（4）可以計算得到焦平面光照度，進一步根據(jù)式（5），可以得到CCD輸出信號幅值。

表3積分時間統(tǒng)計

Tab.3　Table of integral time

2.3　高分相機成像參數(shù)估算

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

表4反射率0.2積分級數(shù)統(tǒng)計

Tab.4　Integral numbers with 0.2 reflectance coefficient

3 高分相機定標測試與結(jié)果

3.1　光譜定標測試

在正式進行光譜定標之前利用汞燈特征譜線和陷阱探測器對光譜定標裝置的波長位置準確性和相對光譜輻射強度進行了校準和溯源［10］。高分相機CCD探測器全色和多光譜的相對光譜響應曲線如圖1所示。

圖1　高分相機相對光譜響應曲線

3.2　視頻響應線性測試

在整個動態(tài)范圍內(nèi)，對于每個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（不少于8個），記錄相應圖像灰度輸出，然后利用最小二乘擬合來獲得視頻響應曲線，據(jù)此計算響應線性度指標以及像元級的相對/絕對定標系數(shù)，圖2給出了全色譜段的響應線性測試結(jié)果。

圖2　全色譜段響應線性測試結(jié)果

3.3　圖像灰度與成像參數(shù)之間的線性關(guān)系測試

分別固定積分時間、增益和積分級數(shù)中的兩種參數(shù)，改變第三個成像參數(shù)測試相機輸出圖像灰度隨第三個成像參數(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數(shù)、增益和積分時間之間的關(guān)系。

圖3　全色譜段圖像灰度與積分級數(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間之間的關(guān)系

3.4　響應非均勻性測試

對于探測器全色和多光譜譜段的每一個光譜通道，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到飽和值的一半左右，此時采集并記錄定標圖像作為事后計算PRNU的依據(jù)，經(jīng)過處理獲得響應非均勻性指標，統(tǒng)計結(jié)果如表5所示。

表5相機各譜段響應非均勻性測試結(jié)果

Tab.5　Result of camera response nonuniformity

3.5　信噪比測試結(jié)果

信噪比測試需要給出指定太陽高度角和地面反照率下［11-12］，根據(jù)總體研制任務(wù)書要求，在太陽高角30°和地面反照率0.2的典型照明情況下，相機信噪比應不低于100倍。相機在軌垂直對火星觀測時相機入瞳處的輻射亮度值，作為實驗室輻射定標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行進行統(tǒng)計，高分相機各譜段默認級數(shù)測試結(jié)果見表7；在太陽高度角30°和地面反照率0.2的典型照明情況下，全色級數(shù)理論計算結(jié)果與定標測試結(jié)果基本符合，具體結(jié)果見表4和表7。

表6典型照明條件下相機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試結(jié)果

Tab.7　Result of SNR with typical lighting condition

3.6　定標精度分析

361相對輻射定標精度

相機相對輻射定標主要包括響應非均勻性和非線性的定標，影響測量精度的因素包括定標用積分球光源輻射輸出、相機讀出誤差、相機響應非線性、定標數(shù)據(jù)計算誤差。

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

相機讀出誤差引起的不確定度CCD=1%；相機響應非線性不確定度nul=1%；定標數(shù)據(jù)計算（定標圖像數(shù)據(jù)的提取和計算）不確定度cal=0.5%。合成后相對輻射定標不確定度R為：

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

362絕對輻射定標精度

相機絕對輻射定標所用光源亮度是通過光譜輻射計測量得到的，光譜輻射計亮度基準是通過NIST標準燈傳遞得到的。影響絕對輻射定標精度的因素包括：標準光源的不確定度=1.015%；輻射量值標準傳遞的不確定度=3%；積分球光源測量不確定度=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%；相機輸出不確定度CCD=1%；相機響應非線性不確定度nul=1%；定標數(shù)據(jù)計算不確定度cal=0.5%。合成后絕對輻射定標不確定度a為：

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

4 結(jié)　論

本文為了使天問一號有效載荷高分辨率相機在軌工作期間獲取到高質(zhì)量圖像，對成像參數(shù)的設(shè)置進行說明，給出了相機在軌工作默認參數(shù)以及不同地面反射率和不同太陽高度角下的成像參數(shù)。定標實驗結(jié)果證明：高分相機的視頻響應曲線呈線性關(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各譜段響應非均勻性均不超過1%，典型照明條件下信噪比不低于100倍，相對輻射定標不確定度優(yōu)于3%，絕對輻射定標不確定度優(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，吉林長春人，碩士，副研究員，2008年于吉林大學獲得碩士學位，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.

國家自然科學基金項目（No.62005266）