李浩洋 劉兆軍 徐彭梅

（北京空間機電研究所,北京 100076）

1 引言

由于空間光學(xué)遙感器在軌運行時會受到多重影響,引起光軸不穩(wěn)定,從而影響成像品質(zhì)。對于高軌的高分辨率對地觀測系統(tǒng)來說,受光軸不穩(wěn)定的影響更明顯,會造成像質(zhì)出現(xiàn)較嚴重的退化,使圖像的對比度和分辨率降低。研究表明,若相機在積分時間內(nèi)的抖動量超過0.1個像元,便不能得到清晰的圖像[1]。因此,為了實現(xiàn)空間光學(xué)遙感器的高分辨率需求,需研究先進的穩(wěn)像技術(shù),提高系統(tǒng)的性能。

2 像穩(wěn)定影響因素分析

影響像穩(wěn)定的因素可分為以下幾種:

（1）衛(wèi)星平臺及相機振動影響

影響成像的振動源主要有姿態(tài)調(diào)整動量輪、調(diào)姿推力器、太陽翼、相機掃描機構(gòu)等。[2]

振動可以分為低頻和高頻2種:低頻振動對像質(zhì)的影響主要是引起圖像變形,使圖像品質(zhì)下降;對于高頻正弦和隨機振動,將導(dǎo)致相機像方的像元彌散斑直徑發(fā)生變化,從而出現(xiàn)不期望的“像移”,其對像質(zhì)的影響主要是圖像調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）和信噪比（S/N）下降,圖像上反映的是像點灰度值下降,圖像模糊。不同頻率的振動會對像質(zhì)產(chǎn)生不同的影響,同時振幅大小也對像質(zhì)產(chǎn)生影響。

（2）衛(wèi)星姿態(tài)影響

由于姿態(tài)和軌道控制系統(tǒng)中陀螺儀存在零漂等因素,衛(wèi)星在軌運行的姿態(tài)會出現(xiàn)漂移。同時,現(xiàn)階段姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)還無法全部抑制平臺出現(xiàn)的姿態(tài)擾動,從而不能充分滿足空間光學(xué)遙感器對姿態(tài)穩(wěn)定越來越高的要求。這些因素都會影響光軸的穩(wěn)定,引起光學(xué)傳函傳遞函數(shù)（OTF）下降,圖像品質(zhì)降低。

（3）其他

微小隕石碰撞,太陽輻射壓力,地球和太陽、月亮等空間物體引力噪聲及星上相機因溫度變化產(chǎn)生的剛體微弱形變也會引起光軸抖動,造成成像不穩(wěn)定的情況。此外,在對地觀測時,大氣散射引起的小范圍高頻抖動光線也會影響成像品質(zhì)。[3]

3 穩(wěn)像技術(shù)

空間遙感器穩(wěn)像技術(shù)有姿態(tài)控制、減振隔離、光學(xué)穩(wěn)像、微機械穩(wěn)像、電子穩(wěn)像、綜合穩(wěn)像等。

（1）姿態(tài)控制技術(shù)

使用最早且最普遍的方法是改善衛(wèi)星的姿態(tài)軌道控制系統(tǒng),提高控制精度來更好地穩(wěn)定成像時遙感器的姿態(tài)和軌道,但這種方法無法達到當(dāng)今穩(wěn)像對姿態(tài)的高精度要求,而且研制成本巨大[4]。

（2）減振隔離技術(shù)

減振隔離技術(shù)分為被動和主動兩種方式,可以抑制振動,減小振動對像質(zhì)的影響。被動形式易于實現(xiàn),但其在減振的同時容易引起共振,而且不能單獨勝任穩(wěn)像任務(wù);主動形式優(yōu)點較多,但要增加額外裝置[5]。

（3）光學(xué)穩(wěn)像技術(shù)

光學(xué)穩(wěn)像技術(shù)是在光路中設(shè)置一些光學(xué)元件作為對不穩(wěn)定圖像的補償。典型的光學(xué)穩(wěn)像方法是利用光楔來控制瞄準(zhǔn)線的方向,通過移動或者轉(zhuǎn)動光楔,改變出射光線的角度和方向,來進行像移的補償,從而達到穩(wěn)像的目的。光學(xué)穩(wěn)像技術(shù)的主要缺陷是僅適用于振動較小的環(huán)境條件,且補償器的結(jié)構(gòu)和制造工藝太復(fù)雜[5]。同時,如果僅依靠棱鏡、反射鏡或者光楔等光學(xué)元件進行被動補償,穩(wěn)定能力受到較大限制。

圖1 偏轉(zhuǎn)鏡穩(wěn)像系統(tǒng)原理

（4）微機械穩(wěn)像技術(shù)

微機械穩(wěn)像技術(shù)是通過微機械裝置直接控制偏轉(zhuǎn)鏡的轉(zhuǎn)動或成像焦面移動,補償像移,完成穩(wěn)像任務(wù),圖1為偏轉(zhuǎn)鏡穩(wěn)像系統(tǒng)原理圖,焦面接收圖像,根據(jù)相應(yīng)算法得到控制量,通過控制器控制偏轉(zhuǎn)鏡微動進行補償。微機械穩(wěn)像系統(tǒng)簡單、結(jié)構(gòu)緊湊,但需要通過一定方法來獲得焦面位置并對位移進行控制。[6]

（5）電子穩(wěn)像技術(shù)

電子穩(wěn)像技術(shù)是應(yīng)用數(shù)字圖像處理的方法來直接確定圖像序列的偏移并進行補償?shù)募夹g(shù),處理流程如圖2所示。電子穩(wěn)像具有易操作、更精確、體積小以及價格低、能耗小等特點,其優(yōu)點在于可以補償任何形式的作用量,而不依賴任何支撐系統(tǒng)。[6]但目前計算的實時性不好,只用在圖像后期復(fù)原和分析。隨著數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor,DSP）等電子器件的推廣使用,這種方法正在逐漸用于實時的像移補償。[7]

圖2 電子穩(wěn)像處理流程

（6）綜合穩(wěn)像技術(shù)

綜合穩(wěn)像技術(shù)就是應(yīng)用多種穩(wěn)像技術(shù)控制遙感器,以獲得更好像質(zhì)的技術(shù)。隨著空間光學(xué)遙感器性能指標(biāo)的不斷提高,對成像環(huán)境要求也隨之提高,而上述介紹的幾種穩(wěn)像技術(shù)受制于環(huán)境、各有利弊。隨著空間光學(xué)遙感器性能的提高,成像環(huán)境復(fù)雜。為了更好的地完成成像任務(wù),應(yīng)該綜合應(yīng)用多種穩(wěn)像技術(shù),利用各種方法的優(yōu)勢滿足穩(wěn)像任務(wù)的不同需求,更好的地解決像穩(wěn)定問題。

4 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

4.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

國外穩(wěn)像技術(shù)發(fā)展比較早,從最早的單一穩(wěn)像技術(shù)到現(xiàn)在的綜合穩(wěn)像技術(shù),已逐步應(yīng)用在空間光學(xué)遙感器上,取得了較好的效果。

20世紀(jì)90年代,美國NASA的GOES I-M衛(wèi)星的五波段成像儀和十九波段測深器具有穩(wěn)定成像子系統(tǒng)。穩(wěn)像子系統(tǒng)通過衛(wèi)星姿態(tài)和軌道控制系統(tǒng)得到光軸偏差的數(shù)據(jù),給掃描伺服控制器施加相應(yīng)的控制信號;兩臺伺服電機在兩個方向轉(zhuǎn)動反光鏡便可以有效消除光軸偏差,完成穩(wěn)定成像功能。[8]

圖3 推掃成像系統(tǒng)焦面穩(wěn)定技術(shù)

2004 年,德國的Janschek Klaus,Tchernykh Valerij等人提出了一種敏捷衛(wèi)星推掃成像系統(tǒng)焦面穩(wěn)定技術(shù)[4],原理如圖3。通過視覺反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng),在光路上依靠主動光機補償來穩(wěn)定焦平面上的運動圖像。圖像運動的實時測量是通過一個輔助面陣圖像傳感器和光學(xué)相關(guān)器來完成的。此系統(tǒng)可以有效減少姿態(tài)不穩(wěn)、顫振帶來的影響,提高了圖像品質(zhì),使相機對衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定度的要求也大為降低。

2006 年,法國的Blanc P和Monroig G針對高軌高分辨率對地觀測系統(tǒng)提出并討論了兩種互補性的方法——過累積法和閉環(huán)控制法——進行光軸抖動補償。[9]

過累積法的目標(biāo)是取足夠小的積分時間來降低光軸抖動的影響,用單元積分時間獲得的短曝光圖像來構(gòu)建最終的一幅圖像。其主要缺點是:由于單元積分時間很短,短曝光圖像的數(shù)目會很多,比如在2ms的積分條件下,過累積法大約需要800幅短曝光圖像。

過累積法需要的大量短曝光圖像給處理過程帶來兩個問題:首先,在兩次單元積分時間中間要有固定的時間間隔用來將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯ζ?。過累積法處理整個單元圖像序列需要幾十秒甚至幾分鐘的時間,這樣遙感器平臺與地面運動物體間會產(chǎn)生較明顯的相對運動,帶來圖像中運動物體模糊的問題,需要特殊的算法來解決這一問題。其次,在重采樣的過程中,一般都需要處理幾百幅百萬像素的圖像,非常耗時和耗存儲空間。

為了解決以上問題,Blanc P和Monroig G首先提出用閉環(huán)控制光軸抖動,再應(yīng)用過累積法進行處理的思想。其閉環(huán)控制的原理如圖4所示:傳感器陣列與焦面成像陣列固連在一起,直接對偏移進行測量,再通過控制器輸出控制信號,改變快速傾斜鏡角度補償光軸抖動。通過閉環(huán)控制可以在一定程度上減少抖動幅度,這樣過累積法2ms積分條件下所需要的800幅圖像就可以減少到20～40幅。閉環(huán)控制為過累積法節(jié)省了大量的時間和存儲空間,使其實際應(yīng)用成為可能。

圖4 閉環(huán)原理

高速小型CMOS陣列作為振動傳感器,分布于成像焦面的邊緣,如圖5所示。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是:由于傳感器陣列與焦面成像陣列在一起,傳感器可以直接對偏移進行測量。同時,傳感器與成像陣列通過同一套光學(xué)系統(tǒng)成像,路徑相同。最重要的是,這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單,不需要任何附加的復(fù)雜光學(xué)或機械子系統(tǒng)來測量振動,如加速度計。

4.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)在穩(wěn)像方面的研究起步比較晚,對探測運動像移算法的研究比較多,在實際中應(yīng)用還比較少。目前,浙江大學(xué)、中科院國家天文臺、長春光機所等單位在穩(wěn)像技術(shù)方面取得了一定的研究成果。

圖5 傳感器分布示意圖

浙江大學(xué)的一些研究人員提出了利用高速CCD及電子穩(wěn)像算法獲得光軸偏移矢量、閉環(huán)控制焦平面微動穩(wěn)定補償?shù)目臻g相機穩(wěn)定成像方法[10]。其中,電子穩(wěn)像部分計算過程為:首先由灰度投影算法得到整像素位移矢量;再利用拋物線插值算法分別對行列相關(guān)值序列進行插值,求取最小值,最終得到亞像素級的位移矢量探測精度。該方法的光軸補償機構(gòu)通過二維微位移執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動焦平面補償光軸偏移,如圖6。

圖6 焦面主動補償

長春光機所的李清軍等人采用穩(wěn)定平臺與面陣CCD的TDI讀出算法相結(jié)合的方法實現(xiàn)像移補償。其中,相機拍照時根據(jù)速高比計算行轉(zhuǎn)移頻率,控制CCD的TDI進行像素轉(zhuǎn)移,直到曝光結(jié)束,實現(xiàn)像移補償。[11]

中科院國家天文臺在其研制的太陽望遠鏡樣機上利用相關(guān)跟蹤器進行穩(wěn)像控制。該技術(shù)采用面陣高速CCD完成像移的測量,利用壓電偏轉(zhuǎn)鏡完成像移的補償,保持入射光線基本不變,從而在確定的曝光時間內(nèi)能夠得到清晰的圖像[12]。圖7為CCD相關(guān)跟蹤器原理圖。

圖7 相關(guān)跟蹤器原理

4.3 穩(wěn)像技術(shù)發(fā)展情況總結(jié)

根據(jù)空間遙感器各種穩(wěn)像技術(shù)的特點以及國內(nèi)外對穩(wěn)像控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀,對現(xiàn)有不同穩(wěn)像技術(shù)發(fā)展情況總結(jié)如下:

（1）姿態(tài)控制技術(shù)

通過平臺姿態(tài)控制的改進可以實現(xiàn)穩(wěn)像控制的效果,但是平臺姿態(tài)控制改進的周期和成本是很高的,因此這種技術(shù)不是穩(wěn)像控制的核心方法,只能作為穩(wěn)像控制中一個綜合的設(shè)計環(huán)節(jié)。

（2）減振隔離技術(shù)

減振隔離技術(shù)可以有效減少高頻的干擾,能夠在一定程度上減少姿態(tài)擾動對成像的影響,但不能單獨完成穩(wěn)像任務(wù)。對于該技術(shù)的研究還在不斷的探索,通過采用先進的執(zhí)行部件和智能的控制算法的配合,可以使該技術(shù)發(fā)揮出更多的作用。

（3）光學(xué)穩(wěn)像技術(shù)

傳統(tǒng)的光學(xué)補償方法是較早采用的穩(wěn)像技術(shù),隨著相機指標(biāo)的提高,這種方式中已不能勝任更高任務(wù)的需要。

（4）微機械穩(wěn)像技術(shù)

微機械穩(wěn)像方式是對傳統(tǒng)光機穩(wěn)像方式的全面改進,具有高速、高精度的像移探測能力和補償執(zhí)行能力,并且利用該技術(shù)組成的系統(tǒng)還具有體積小、功耗低、對遙感器光學(xué)系統(tǒng)影響小和對像質(zhì)影響小等眾多優(yōu)點,因此微機械補償方式將成高分辨率遙感器首選的穩(wěn)像技術(shù)之一。

（5）電子穩(wěn)像技術(shù)

電子穩(wěn)像是具有較好發(fā)展前景的技術(shù),由于該方法不需要在遙感器成像系統(tǒng)附加任何機械裝置,因此產(chǎn)生的影響最小。隨著新算法和新運算器件的發(fā)展,可以實現(xiàn)更優(yōu)的處理效果。

（6）綜合穩(wěn)像技術(shù)

綜合穩(wěn)像技術(shù)通常由2～3種穩(wěn)像技術(shù)組成,采用綜合穩(wěn)像技術(shù)可以在一定穩(wěn)像技術(shù)要求下降低各穩(wěn)像單元的技術(shù)難度,也可以通過綜合的方式來實現(xiàn)更高的穩(wěn)像技術(shù)指標(biāo)。因此這是未來穩(wěn)像控制技術(shù)的發(fā)展方向。目前,對于單一穩(wěn)像技術(shù)應(yīng)用較多,綜合穩(wěn)像技術(shù)有一定研究,但實際應(yīng)用較少,基本還停留在簡單的將幾種方法一起使用,未考慮各種方法之間的相互影響和聯(lián)系,沒有真正將各種方法綜合應(yīng)用。所以,為了保證綜合穩(wěn)像技術(shù)成功應(yīng)用于空間遙感器,在繼續(xù)深入研究各種穩(wěn)像技術(shù)的同時,應(yīng)注重分析各種技術(shù)間的聯(lián)系。

5 結(jié)束語

穩(wěn)定成像技術(shù)對提高空間相機成像分辨率及成像品質(zhì)具有重要意義,不斷提高穩(wěn)像技術(shù)才能更好的滿足戰(zhàn)場偵察、目標(biāo)監(jiān)視、預(yù)警監(jiān)測、資源勘測等各方面的需求。

作為穩(wěn)像技術(shù)的發(fā)展趨勢,綜合穩(wěn)像技術(shù)具備多種穩(wěn)像方法的優(yōu)點,能夠適應(yīng)不同領(lǐng)域?qū)ο穹€(wěn)越來越高的要求,可以更好的完成穩(wěn)像任務(wù)。

我國穩(wěn)像技術(shù)與國外相比還有一定差距。在發(fā)展單一穩(wěn)像技術(shù)的同時,更應(yīng)該注重研究技術(shù)間聯(lián)系,綜合應(yīng)用各種穩(wěn)像技術(shù),以更好的完成航天遙感任務(wù)。

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