何紅艷 王小勇 宗云花

(北京空間機(jī)電研究所,北京100076)

1 引言

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

與普通線陣CCD相機(jī)相比,TDICCD相機(jī)的輻射定標(biāo)要復(fù)雜得多,主要由TDICCD的特殊性引起。首先,為了適應(yīng)不同成像條件下的理想成像,TDICCD相機(jī)在軌期間將采用多種TDI積分級(jí)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(jī)的積分時(shí)間需要定期更新和變化,以適應(yīng)TDICCD相機(jī)的成像需要。

由于TDI積分級(jí)數(shù)、積分時(shí)間和增益為3個(gè)獨(dú)立的參數(shù),各種組合模式很多,可以多達(dá)上百種(具體見表1),在輻射定標(biāo)試驗(yàn)中很難采集各種組合模式下的定標(biāo)數(shù)據(jù)。因此,如何在地面進(jìn)行輻射定標(biāo)試驗(yàn)以獲取必要的定標(biāo)數(shù)據(jù),如何選擇合適的定標(biāo)數(shù)據(jù)以適應(yīng)相機(jī)參數(shù)不斷變化的輻射定標(biāo),是TDICCD相機(jī)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(chǔ)上新配置了一臺(tái)高分辨率TDICCD相機(jī)(HR相機(jī))[4]。相機(jī)的星下點(diǎn)地面像元分辨率為2.36m,圖像采用8bit數(shù)字量化,并進(jìn)行了8∶1壓縮。根據(jù)HR相機(jī)的設(shè)計(jì)情況,衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間相機(jī)參數(shù)使用情況如表1所示。

相機(jī)焦面采用3片TDICCD器件視場(chǎng)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(jī)焦面探測(cè)器參數(shù)

本文根據(jù)TDICCD相機(jī)的成像特點(diǎn),結(jié)合HR相機(jī)的特殊性,對(duì)HR相機(jī)的輻射定標(biāo)試驗(yàn)方案進(jìn)行介紹,并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和比較,最后給出了HR相機(jī)的在軌相對(duì)輻射校正方案,該方案已經(jīng)成功應(yīng)用于HR圖像數(shù)據(jù)的后期處理。

2 HR相機(jī)的相對(duì)輻射定標(biāo)方法

2.1 相對(duì)輻射定標(biāo)原理

理想狀態(tài)下,TDICCD相機(jī)中的每一個(gè)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(dāng)相機(jī)入瞳處的入射光完全均勻一致時(shí),每一像元的輸出灰度值應(yīng)完全相同。但實(shí)際上,由于各種因素的影響,如光學(xué)系統(tǒng)、不同視場(chǎng)及視場(chǎng)拼接的影響,TDICCD探測(cè)器各片、各抽頭、各像元的響應(yīng)不一致性以及電路的差異,這些因素都會(huì)導(dǎo)致理想的對(duì)應(yīng)關(guān)系不存在,常常出現(xiàn)偏差,在圖像上表現(xiàn)為條帶,使目標(biāo)失真,影響視覺效果和對(duì)目標(biāo)的分辨與解釋。

相對(duì)輻射定標(biāo)的目的就是根據(jù)定標(biāo)數(shù)據(jù),找出各像元的不一致性,并給出每個(gè)像元的輻射校正系數(shù)。根據(jù)輻射校正系數(shù),剔除各像元的差異,還原圖像的真實(shí)性,確保相機(jī)對(duì)均勻目標(biāo)成像時(shí)輸出的是均勻圖像。

目前常用的實(shí)驗(yàn)室輻射定標(biāo)方法為積分球定標(biāo)法,定標(biāo)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(biāo)要求的積分球作為相機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)光源,為相機(jī)提供不同擋、已知輻亮度的均勻光源[5]。根據(jù)采集的定標(biāo)圖像,用最小二乘擬合的方法,求出相機(jī)各像元的相對(duì)輻射校正系數(shù)。

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

首先,根據(jù)積分球的光譜輻亮度、相機(jī)參數(shù)和定標(biāo)數(shù)據(jù),求出各探測(cè)器像元在特定相機(jī)參數(shù)組合下(定義為TDI積分級(jí)數(shù)、積分時(shí)間和增益三個(gè)相機(jī)參數(shù)的組合,下同)的響應(yīng)系數(shù);然后,根據(jù)響應(yīng)系數(shù)求出各探測(cè)器像元的相對(duì)定標(biāo)系數(shù)。

圖1 實(shí)驗(yàn)室輻射定標(biāo)試驗(yàn)設(shè)備安裝示意圖

具體計(jì)算過程如下:

第一步,計(jì)算響應(yīng)系數(shù)K(n)和c(n),

式中 n為探測(cè)器像元序號(hào);c(n)為第n像元的偏置;Ic(n)為第n像元的實(shí)際輸出,對(duì)應(yīng)定標(biāo)數(shù)據(jù)中該單元的輸出灰度值的多行統(tǒng)計(jì)平均值;K(n)為第n像元的響應(yīng)系數(shù);L為等效輻亮度。

第二步,計(jì)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(cè)器單元的響應(yīng)系數(shù)均值。

通過上述步驟,可以計(jì)算出每個(gè)相機(jī)參數(shù)組合下的各像元的相對(duì)定標(biāo)系數(shù)[k(n),c(n)]。根據(jù)定標(biāo)系數(shù),可以對(duì)獲取的圖像進(jìn)行相對(duì)輻射校正,得到校正后的圖像。

2.2 TDICCD相機(jī)的相對(duì)輻射定標(biāo)方法

對(duì)于線陣CCD相機(jī),相機(jī)參數(shù)一般只有增益可調(diào),所以在線陣CCD相機(jī)的相對(duì)輻射定標(biāo)中,可以采集每擋增益的定標(biāo)數(shù)據(jù),然后得到各擋增益的定標(biāo)系數(shù)。不同增益的原始圖像用對(duì)應(yīng)的定標(biāo)系數(shù)進(jìn)行相對(duì)輻射校正即可。

但對(duì)于TDICCD相機(jī),由于相機(jī)TDI積分級(jí)數(shù)、積分時(shí)間、增益的各種參數(shù)組合多達(dá)上百種,很難在輻射定標(biāo)試驗(yàn)中采集所有相機(jī)參數(shù)組合下的定標(biāo)數(shù)據(jù)。所以,需要探討不同參數(shù)組合下的相對(duì)定標(biāo)系數(shù)是否具有一致性,如:

1)不同TDI積分級(jí)數(shù)的相對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)是否一致(積分時(shí)間和增益保持不變);

2)不同積分時(shí)間的相對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)是否一致(TDI積分級(jí)數(shù)和增益保持不變);

3)不同增益的相對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)是否一致(TDI積分級(jí)數(shù)和積分時(shí)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(biāo)的工作量,尤其是不同積分時(shí)間的相對(duì)輻射定標(biāo)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(jù)相機(jī)及TDICCD器件的工作原理,理論上TDICCD相機(jī)的輸出與TDI積分級(jí)數(shù)N、積分時(shí)間t和增益G成正比,相機(jī)輸出為:

式中 K0為響應(yīng)系數(shù)。

考慮到TDICCD探測(cè)器的暗信號(hào)c0,相機(jī)輸出為:

結(jié)合公式(1)、(2)、(4),可以得出以下結(jié)論:

1)如果TDI積分級(jí)數(shù)N和增益G相同,不同積分時(shí)間t的相對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)一致;

2)如果積分時(shí)間 t和增益G相同,在TDICCD暗信號(hào)為零且TDICCD多行像元響應(yīng)一致時(shí),不同TDI積分級(jí)數(shù)的相對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)一致,否則不一致;

3)如果TDI積分級(jí)數(shù)N和積分時(shí)間t相同,在TDICCD暗信號(hào)為零且各抽頭響應(yīng)一致時(shí),不同增益G的相對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)一致,否則不一致。

根據(jù)上述分析結(jié)果,可以確定:對(duì)于系統(tǒng)響應(yīng)為線性的TDICCD相機(jī),不同積分時(shí)間的相對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)一致,即原始圖像可以用不同積分時(shí)間的相對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)進(jìn)行相對(duì)輻射校正。如果TDICCD暗信號(hào)不為零,不同增益和TDI積分級(jí)數(shù)的相對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)不一致。

由于相機(jī)參數(shù)組合中,積分時(shí)間的擋數(shù)最多,且在軌需要定期更新。根據(jù)分析結(jié)果,可以大量減少輻射定標(biāo)試驗(yàn)中需采集的定標(biāo)數(shù)據(jù)(對(duì)于HR相機(jī),定標(biāo)數(shù)據(jù)減少為原來的1/40),并可以解決TDICCD相機(jī)在軌成像時(shí)積分時(shí)間不斷更新的定標(biāo)問題。

根據(jù)上述結(jié)論,在輻射定標(biāo)試驗(yàn)中,只需采集一種積分時(shí)間下不同TDI級(jí)數(shù)和增益組合下的定標(biāo)數(shù)據(jù)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(biāo)數(shù)據(jù)。

下面從HR相機(jī)的系統(tǒng)響應(yīng)曲線和實(shí)際輻射校正結(jié)果兩個(gè)方面進(jìn)行驗(yàn)證。

3 HR相機(jī)不同積分時(shí)間的系統(tǒng)響應(yīng)系數(shù)分析比較

根據(jù)相對(duì)輻射定標(biāo)方法分析結(jié)果結(jié)合TDICCD的特性,在HR相機(jī)輻射定標(biāo)試驗(yàn)中,采集了3種積分時(shí)間(0.351ms,0.364ms,0.377ms)、3種TDI級(jí)數(shù)(12級(jí)、24級(jí)、36級(jí))、3種增益(1倍、1.5倍、2倍)共27種組合情況下的輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)。

通過分析HR相機(jī)的輻射定標(biāo)數(shù)據(jù),可以判定相機(jī)是否滿足前面的理論推導(dǎo)結(jié)果。按照公式(4),在TDI級(jí)數(shù)和增益不變的情況下,各像元的系統(tǒng)響應(yīng)應(yīng)該滿足:

1)改變積分時(shí)間,TDICCD各像元的暗信號(hào)保持不變;

2)改變積分時(shí)間,TDICCD各像元的響應(yīng)系數(shù)按照同一比例變化。

根據(jù)相機(jī)的具體輻射定標(biāo)試驗(yàn)數(shù)據(jù),給出了不同積分時(shí)間下相機(jī)的系統(tǒng)響應(yīng)情況。在TDI級(jí)數(shù)12,增益為1時(shí),3個(gè)不同積分時(shí)間的系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖2所示(隨機(jī)選取一像元)。

圖2 不同積分時(shí)間的系統(tǒng)響應(yīng)曲線

通過響應(yīng)曲線可以看出:不同積分時(shí)間的系統(tǒng)響應(yīng)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(gè)像元)。

表3 不同積分時(shí)間的響應(yīng)系數(shù)比較

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

4 HR相機(jī)不同積分時(shí)間的相對(duì)輻射校正效果

為了驗(yàn)證前面的理論分析結(jié)果——在TDI積分級(jí)數(shù)和增益相同的情況下,不同積分時(shí)間的相對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)一致,可以互相校正的結(jié)論,進(jìn)行了下面的試驗(yàn)。

對(duì)于同一幅原始定標(biāo)圖像,用自身積分時(shí)間的定標(biāo)系數(shù)及其它積分時(shí)間的定標(biāo)系數(shù)來校正。其中TDI級(jí)數(shù)和增益保持不變,如相機(jī)TDI級(jí)數(shù)12級(jí)、積分時(shí)間0.364ms、增益1(簡(jiǎn)寫12- 0.364- 1,后同)的原始圖像分別用相機(jī)參數(shù)12- 0.364- 1的定標(biāo)系數(shù)和12- 0.351- 1的定標(biāo)系數(shù)來校正,每個(gè)積分時(shí)間均選取了兩個(gè)TDI級(jí)數(shù)(N=12和N=24)的圖像。通過比較校正后的圖像,判定相對(duì)輻射校正的效果。

4.1 校正前后定標(biāo)圖像比較

在TDI級(jí)數(shù)N=12和N=24,增益G=1條件下,用積分時(shí)間t=0.364ms和t=0.351ms的定標(biāo)系數(shù)來校正積分時(shí)間t=0.364ms原始圖像,校正結(jié)果見圖3和圖4。

圖3 TDI級(jí)數(shù)N=12的輻射校正前后圖像

圖4 TDI級(jí)數(shù)N=24的輻射校正前后圖像

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

4.2 校正前后數(shù)據(jù)比較

在積分時(shí)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(shí)間定標(biāo)系數(shù)進(jìn)行校正,校正后的圖像均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差見表4和表5。

表4 積分時(shí)間t=0.364ms的定標(biāo)圖像輻射校正前后圖像數(shù)據(jù)比較 DN

表5 積分時(shí)間t=0.377ms的定標(biāo)圖像輻射校正前后圖像數(shù)據(jù)比較 DN

對(duì)表中校正前后圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,可看出:

1)相對(duì)輻射校正效果明顯,校正后圖像的標(biāo)準(zhǔn)偏差明顯變小;

2)用不同積分時(shí)間的定標(biāo)系數(shù)校正后,圖像均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差一致,校正效果相同;

3)在TDI級(jí)數(shù)N=12和N=24級(jí)時(shí),上述規(guī)律一致。

試驗(yàn)中對(duì)其它TDI級(jí)數(shù)和增益組合情況,也進(jìn)行了不同積分時(shí)間的定標(biāo)系數(shù)校正效果分析比較,結(jié)果與上面一致。在此,不再列舉圖像和分析比較數(shù)據(jù)。

通過HR相機(jī)的相對(duì)輻射定標(biāo)試驗(yàn)及相對(duì)輻射校正前后圖像的具體分析比較,發(fā)現(xiàn):試驗(yàn)結(jié)果與分析結(jié)論一致,即在TDI級(jí)數(shù)和增益保持不變的情況下,不同積分時(shí)間的定標(biāo)系數(shù)一致。

5 HR相機(jī)的在軌相對(duì)輻射校正方案

HR相機(jī)的在軌相對(duì)輻射校正方案完全采用上面的分析結(jié)論和試驗(yàn)結(jié)果。雖然在發(fā)射前采集了3種積分時(shí)間、3種TDI級(jí)數(shù)和3種增益共27種組合的輻射定標(biāo)數(shù)據(jù),但由于不同積分時(shí)間的相對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)一致,所以在軌應(yīng)用中使用9種相對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)。

原始衛(wèi)星圖像的相對(duì)輻射校正采用對(duì)應(yīng)TDI級(jí)數(shù)和增益下的相對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù),如所有TDI級(jí)數(shù)為12,增益為1的衛(wèi)星圖像均采用12-0.364-1的相對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)。

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

6 結(jié)束語(yǔ)

本文首先從TDICCD相機(jī)的相對(duì)輻射定標(biāo)原理出發(fā),分析了TDICCD相機(jī)的相對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)的特點(diǎn),得到以下結(jié)論:對(duì)于系統(tǒng)響應(yīng)為線性的TDICCD相機(jī),不同積分時(shí)間的相對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)一致,不同積分時(shí)間的衛(wèi)星圖像可以用同一個(gè)相對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)進(jìn)行校正。然后,結(jié)合HR相機(jī)的實(shí)際輻射定標(biāo)數(shù)據(jù),對(duì)上述結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)果表明分析結(jié)論和試驗(yàn)結(jié)果一致。

該結(jié)論大量減少了TDICCD相機(jī)的輻射定標(biāo)工作量,解決了TDICCD相機(jī)的在軌相對(duì)輻射校正問題,已經(jīng)成功應(yīng)用于HR圖像數(shù)據(jù)的相對(duì)輻射校正,對(duì)于其它類似TDICCD相機(jī)的相對(duì)輻射校正具有參考意義。

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