何紅艷 王小勇 宗云花

(北京空間機電研究所,北京100076)

1 引言

隨著光電探測技術和高分辨率相機的發(fā)展,TDICCD相機已成為發(fā)展方向,廣泛應用于航天遙感領域。航天遙感相機的輻射定標雖然不直接參與獲取遙感圖像,但在確定圖像數(shù)據的品質方面起著重要的作用。它使遙感信息真實、定量[1-2],是遙感信息定量化關鍵的一步。輻射定標有絕對定標和相對定標2種方式,絕對定標的目的是建立遙感器獲取的測量值與相應實際值之間的關系;相對定標是校正由遙感器成像通道中各個探測器(如每片CCD)之間的響應及偏置的不均勻性、每個探測元的固有響應和暗電流的不一致性以及探測器外圍電路特征差異的響應不一致性所造成的圖像采集誤差。

與普通線陣CCD相機相比,TDICCD相機的輻射定標要復雜得多,主要由TDICCD的特殊性引起。首先,為了適應不同成像條件下的理想成像,TDICCD相機在軌期間將采用多種TDI積分級數(shù)和電路增益組合的成像模式;另外,由于TDICCD成像的同步要求[3],成像過程中相機的積分時間需要定期更新和變化,以適應TDICCD相機的成像需要。

由于TDI積分級數(shù)、積分時間和增益為3個獨立的參數(shù),各種組合模式很多,可以多達上百種(具體見表1),在輻射定標試驗中很難采集各種組合模式下的定標數(shù)據。因此,如何在地面進行輻射定標試驗以獲取必要的定標數(shù)據,如何選擇合適的定標數(shù)據以適應相機參數(shù)不斷變化的輻射定標,是TDICCD相機必須要解決的問題。

中巴合作的CBERS-02B衛(wèi)星于2007年9月成功發(fā)射,衛(wèi)星在01、02星的基礎上新配置了一臺高分辨率TDICCD相機(HR相機)[4]。相機的星下點地面像元分辨率為2.36m,圖像采用8bit數(shù)字量化,并進行了8∶1壓縮。根據HR相機的設計情況,衛(wèi)星在軌運行期間相機參數(shù)使用情況如表1所示。

相機焦面采用3片TDICCD器件視場拼接的方式。其中,TDICCD器件的主要參數(shù)如表2所示。

表2 HR相機焦面探測器參數(shù)

本文根據TDICCD相機的成像特點,結合HR相機的特殊性,對HR相機的輻射定標試驗方案進行介紹,并對試驗結果進行分析和比較,最后給出了HR相機的在軌相對輻射校正方案,該方案已經成功應用于HR圖像數(shù)據的后期處理。

2 HR相機的相對輻射定標方法

2.1 相對輻射定標原理

理想狀態(tài)下,TDICCD相機中的每一個像元的輸出灰度值與入射的輻亮度成正比,且有相同的比例因子;當相機入瞳處的入射光完全均勻一致時,每一像元的輸出灰度值應完全相同。但實際上,由于各種因素的影響,如光學系統(tǒng)、不同視場及視場拼接的影響,TDICCD探測器各片、各抽頭、各像元的響應不一致性以及電路的差異,這些因素都會導致理想的對應關系不存在,常常出現(xiàn)偏差,在圖像上表現(xiàn)為條帶,使目標失真,影響視覺效果和對目標的分辨與解釋。

相對輻射定標的目的就是根據定標數(shù)據,找出各像元的不一致性,并給出每個像元的輻射校正系數(shù)。根據輻射校正系數(shù),剔除各像元的差異,還原圖像的真實性,確保相機對均勻目標成像時輸出的是均勻圖像。

目前常用的實驗室輻射定標方法為積分球定標法,定標框圖如圖1所示。

采用穩(wěn)定性、面均勻性和漫射特性均滿足定標要求的積分球作為相機的標準光源,為相機提供不同擋、已知輻亮度的均勻光源[5]。根據采集的定標圖像,用最小二乘擬合的方法,求出相機各像元的相對輻射校正系數(shù)。

由于HR相機的系統(tǒng)響應線性度非常好,相對輻射校正算法可采用線性擬合,具體計算方法和過程如下:

首先,根據積分球的光譜輻亮度、相機參數(shù)和定標數(shù)據,求出各探測器像元在特定相機參數(shù)組合下(定義為TDI積分級數(shù)、積分時間和增益三個相機參數(shù)的組合,下同)的響應系數(shù);然后,根據響應系數(shù)求出各探測器像元的相對定標系數(shù)。

圖1 實驗室輻射定標試驗設備安裝示意圖

具體計算過程如下:

第一步,計算響應系數(shù)K(n)和c(n),

式中 n為探測器像元序號;c(n)為第n像元的偏置;Ic(n)為第n像元的實際輸出,對應定標數(shù)據中該單元的輸出灰度值的多行統(tǒng)計平均值;K(n)為第n像元的響應系數(shù);L為等效輻亮度。

第二步,計算歸一化因子k(n),

式中 k(n)為第n像元的歸一化因子;K(n)表示所有探測器單元的響應系數(shù)均值。

通過上述步驟,可以計算出每個相機參數(shù)組合下的各像元的相對定標系數(shù)[k(n),c(n)]。根據定標系數(shù),可以對獲取的圖像進行相對輻射校正,得到校正后的圖像。

2.2 TDICCD相機的相對輻射定標方法

對于線陣CCD相機,相機參數(shù)一般只有增益可調,所以在線陣CCD相機的相對輻射定標中,可以采集每擋增益的定標數(shù)據,然后得到各擋增益的定標系數(shù)。不同增益的原始圖像用對應的定標系數(shù)進行相對輻射校正即可。

但對于TDICCD相機,由于相機TDI積分級數(shù)、積分時間、增益的各種參數(shù)組合多達上百種,很難在輻射定標試驗中采集所有相機參數(shù)組合下的定標數(shù)據。所以,需要探討不同參數(shù)組合下的相對定標系數(shù)是否具有一致性,如:

1)不同TDI積分級數(shù)的相對輻射定標系數(shù)是否一致(積分時間和增益保持不變);

2)不同積分時間的相對輻射定標系數(shù)是否一致(TDI積分級數(shù)和增益保持不變);

3)不同增益的相對輻射定標系數(shù)是否一致(TDI積分級數(shù)和積分時間保持不變)。

如果上述3種可能中有一種情況一致,就可以大大減少輻射定標的工作量,尤其是不同積分時間的相對輻射定標系數(shù)一致的情況。下面從成像原理上來討論上述3種可能性。

根據相機及TDICCD器件的工作原理,理論上TDICCD相機的輸出與TDI積分級數(shù)N、積分時間t和增益G成正比,相機輸出為:

式中 K0為響應系數(shù)。

考慮到TDICCD探測器的暗信號c0,相機輸出為:

結合公式(1)、(2)、(4),可以得出以下結論:

1)如果TDI積分級數(shù)N和增益G相同,不同積分時間t的相對輻射定標系數(shù)一致;

2)如果積分時間 t和增益G相同,在TDICCD暗信號為零且TDICCD多行像元響應一致時,不同TDI積分級數(shù)的相對輻射定標系數(shù)一致,否則不一致;

3)如果TDI積分級數(shù)N和積分時間t相同,在TDICCD暗信號為零且各抽頭響應一致時,不同增益G的相對輻射定標系數(shù)一致,否則不一致。

根據上述分析結果,可以確定:對于系統(tǒng)響應為線性的TDICCD相機,不同積分時間的相對輻射定標系數(shù)一致,即原始圖像可以用不同積分時間的相對輻射定標系數(shù)進行相對輻射校正。如果TDICCD暗信號不為零,不同增益和TDI積分級數(shù)的相對輻射定標系數(shù)不一致。

由于相機參數(shù)組合中,積分時間的擋數(shù)最多,且在軌需要定期更新。根據分析結果,可以大量減少輻射定標試驗中需采集的定標數(shù)據(對于HR相機,定標數(shù)據減少為原來的1/40),并可以解決TDICCD相機在軌成像時積分時間不斷更新的定標問題。

根據上述結論,在輻射定標試驗中,只需采集一種積分時間下不同TDI級數(shù)和增益組合下的定標數(shù)據即可,從原來需要采集360種組合變?yōu)樽疃嘀恍枰杉?種組合下的定標數(shù)據。

下面從HR相機的系統(tǒng)響應曲線和實際輻射校正結果兩個方面進行驗證。

3 HR相機不同積分時間的系統(tǒng)響應系數(shù)分析比較

根據相對輻射定標方法分析結果結合TDICCD的特性,在HR相機輻射定標試驗中,采集了3種積分時間(0.351ms,0.364ms,0.377ms)、3種TDI級數(shù)(12級、24級、36級)、3種增益(1倍、1.5倍、2倍)共27種組合情況下的輻射定標數(shù)據。

通過分析HR相機的輻射定標數(shù)據,可以判定相機是否滿足前面的理論推導結果。按照公式(4),在TDI級數(shù)和增益不變的情況下,各像元的系統(tǒng)響應應該滿足:

1)改變積分時間,TDICCD各像元的暗信號保持不變;

2)改變積分時間,TDICCD各像元的響應系數(shù)按照同一比例變化。

根據相機的具體輻射定標試驗數(shù)據,給出了不同積分時間下相機的系統(tǒng)響應情況。在TDI級數(shù)12,增益為1時,3個不同積分時間的系統(tǒng)響應曲線如圖2所示(隨機選取一像元)。

圖2 不同積分時間的系統(tǒng)響應曲線

通過響應曲線可以看出:不同積分時間的系統(tǒng)響應曲線呈線性,具體的斜率和偏置如表3(每片TDICCD隨意選取1個像元)。

表3 不同積分時間的響應系數(shù)比較

通過表中數(shù)據可以看出,不同積分時間的系統(tǒng)響應與分析結果一致。即:改變積分時間,TDICCD各像元的暗信號基本保持不變,且各像元的響應系數(shù)按照同一比例變化。

4 HR相機不同積分時間的相對輻射校正效果

為了驗證前面的理論分析結果——在TDI積分級數(shù)和增益相同的情況下,不同積分時間的相對輻射定標系數(shù)一致,可以互相校正的結論,進行了下面的試驗。

對于同一幅原始定標圖像,用自身積分時間的定標系數(shù)及其它積分時間的定標系數(shù)來校正。其中TDI級數(shù)和增益保持不變,如相機TDI級數(shù)12級、積分時間0.364ms、增益1(簡寫12- 0.364- 1,后同)的原始圖像分別用相機參數(shù)12- 0.364- 1的定標系數(shù)和12- 0.351- 1的定標系數(shù)來校正,每個積分時間均選取了兩個TDI級數(shù)(N=12和N=24)的圖像。通過比較校正后的圖像,判定相對輻射校正的效果。

4.1 校正前后定標圖像比較

在TDI級數(shù)N=12和N=24,增益G=1條件下,用積分時間t=0.364ms和t=0.351ms的定標系數(shù)來校正積分時間t=0.364ms原始圖像,校正結果見圖3和圖4。

圖3 TDI級數(shù)N=12的輻射校正前后圖像

圖4 TDI級數(shù)N=24的輻射校正前后圖像

通過對校正前后圖像的比較發(fā)現(xiàn):帶有條帶的原始圖像經定標系數(shù)校正后變得灰度均勻、一致,相對輻射校正效果明顯。

4.2 校正前后數(shù)據比較

在積分時間 t=0.364ms、t=0.377ms下,分別選取兩幅灰度值不同的圖像(圖像1、圖像2),用不同積分時間定標系數(shù)進行校正,校正后的圖像均值和標準偏差見表4和表5。

表4 積分時間t=0.364ms的定標圖像輻射校正前后圖像數(shù)據比較 DN

表5 積分時間t=0.377ms的定標圖像輻射校正前后圖像數(shù)據比較 DN

對表中校正前后圖像數(shù)據進行比較,可看出:

1)相對輻射校正效果明顯,校正后圖像的標準偏差明顯變小;

2)用不同積分時間的定標系數(shù)校正后,圖像均值和標準偏差一致,校正效果相同;

3)在TDI級數(shù)N=12和N=24級時,上述規(guī)律一致。

試驗中對其它TDI級數(shù)和增益組合情況,也進行了不同積分時間的定標系數(shù)校正效果分析比較,結果與上面一致。在此,不再列舉圖像和分析比較數(shù)據。

通過HR相機的相對輻射定標試驗及相對輻射校正前后圖像的具體分析比較,發(fā)現(xiàn):試驗結果與分析結論一致,即在TDI級數(shù)和增益保持不變的情況下,不同積分時間的定標系數(shù)一致。

5 HR相機的在軌相對輻射校正方案

HR相機的在軌相對輻射校正方案完全采用上面的分析結論和試驗結果。雖然在發(fā)射前采集了3種積分時間、3種TDI級數(shù)和3種增益共27種組合的輻射定標數(shù)據,但由于不同積分時間的相對輻射定標系數(shù)一致,所以在軌應用中使用9種相對輻射定標系數(shù)。

原始衛(wèi)星圖像的相對輻射校正采用對應TDI級數(shù)和增益下的相對輻射定標系數(shù),如所有TDI級數(shù)為12,增益為1的衛(wèi)星圖像均采用12-0.364-1的相對輻射定標系數(shù)。

衛(wèi)星在軌運行以來,采用該方案可以很好地解決HR相機圖像的相對輻射校正問題,能滿足相對輻射定標精度。

6 結束語

本文首先從TDICCD相機的相對輻射定標原理出發(fā),分析了TDICCD相機的相對輻射定標系數(shù)的特點,得到以下結論:對于系統(tǒng)響應為線性的TDICCD相機,不同積分時間的相對輻射定標系數(shù)一致,不同積分時間的衛(wèi)星圖像可以用同一個相對輻射定標系數(shù)進行校正。然后,結合HR相機的實際輻射定標數(shù)據,對上述結論進行了驗證,結果表明分析結論和試驗結果一致。

該結論大量減少了TDICCD相機的輻射定標工作量,解決了TDICCD相機的在軌相對輻射校正問題,已經成功應用于HR圖像數(shù)據的相對輻射校正,對于其它類似TDICCD相機的相對輻射校正具有參考意義。

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[2]Delwart S,Huot J P,Bourg L.Calibration and Early Results of MERIS on ENVISAT[J].SPIE,2003,4881:337-344.

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[4]王小勇.資源一號02B衛(wèi)星HR相機研制與在軌運行情況[C],2008年光學大會論文集,泉州,2008.

[5]陳世平.空間相機設計與試驗[M].北京:宇航出版社,2003.