李巖 馬越

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

0 引言

Landsat-7攜帶的星載專題制圖儀（Enhanced Thematic Mapper Plus, ETM+），自發(fā)射后受到了各國(guó)用戶的普遍重視和歡迎；CBERS衛(wèi)星也稱“資源一號(hào)”衛(wèi)星，是中國(guó)和巴西合作開發(fā)的第1代傳輸型資源遙感衛(wèi)星，紅外多光譜掃描儀（Infrared Multi-spectral Scanner, IRMSS）是其重要的有效載荷，通過掃描系統(tǒng)擺掃實(shí)現(xiàn)寬幅成像。掃描線校正器（Scan Line Corrector, SLC）是ETM+和IRMSS主體的關(guān)鍵組成部分，是成像光路中的精密光學(xué)活動(dòng)部件。其功能是通過SLC校正組件的特殊規(guī)律運(yùn)動(dòng)，將掃描鏡的正反掃描條帶由相互間成“之”字形校正成相互間平行并與衛(wèi)星飛行方向垂直的掃描帶條[1-3]。

SLC的工作原理如下:為抵消衛(wèi)星飛行運(yùn)動(dòng)造成的掃描線條傾斜，設(shè)計(jì)雙平行反射鏡組轉(zhuǎn)動(dòng)，與掃描同步，在每次進(jìn)入掃描線性段時(shí)朝同一方向校正，從而實(shí)現(xiàn)掃描條帶和飛行方向的垂直，消除原有的“之”字形，通過合理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)不漏掃和小重疊。對(duì)應(yīng)地面實(shí)現(xiàn)光軸向飛行反方向平移。校正量隨掃描角度成線性增大，在掃描線性段末端達(dá)到最大校正量[4-6]。如果實(shí)際校正量小于設(shè)計(jì)值則出現(xiàn)欠校正，“之”字形仍存在、斜率小，在線性段起點(diǎn)和末端都會(huì)出現(xiàn)交替的漏掃和重疊；反之，若實(shí)際校正量大于設(shè)計(jì)值則出現(xiàn)過校正，“之”字形也存在、斜率大，在線性段起點(diǎn)和末端仍會(huì)出現(xiàn)交替的漏掃和重疊[7-9]。

為了驗(yàn)證 SLC的校正量是否滿足設(shè)計(jì)值，使得正反掃的線性起點(diǎn)和末端不會(huì)出現(xiàn)交替的漏掃和重疊，一般情況下需要通過外景成像試驗(yàn)實(shí)測(cè)，但是外景成像試驗(yàn)成本高、周期長(zhǎng)，對(duì)環(huán)境的要求也較高。本文將研究在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下測(cè)試掃描線校正器的校正量，通過使用特定的靶標(biāo)，以正、反掃校正量差值為中間量，通過建立合理的匹配函數(shù)計(jì)算出SLC校正量曲線的線性起始點(diǎn)，從而推導(dǎo)得出SLC在不同掃描視場(chǎng)的校正量。

1 測(cè)試方法

1.1 SLC測(cè)試方法

假設(shè)某遙感相機(jī)為采用16像元并掃的擺動(dòng)式掃描成像系統(tǒng)，掃描鏡采用正向（正掃）和反向（反掃）行程都作為有效掃描運(yùn)動(dòng)，使用SLC消除雙向擺動(dòng)掃描重疊和漏掃，如圖1所示。

圖1 有無SLC補(bǔ)償對(duì)比Fig.1 The scan line with/without SLC

此相機(jī)每條掃描條帶的掃描視場(chǎng)為3 500像元，其中3 000像元的線性成像段為有效成像段，500像元為非線性非成像的回程段，SLC在掃描條帶兩端的最大有效校正量為7個(gè)像元。SLC的正反掃校正量曲線如圖2所示，圖中紅色為正掃成像時(shí)的SLC校正量曲線，藍(lán)色為反掃成像時(shí)的SLC校正量曲線，線性段的起始點(diǎn)為視場(chǎng)0像元處。SLC的校正量測(cè)試需要確定以下2方面:1）線性段的起始點(diǎn)是否正確；2）線性段的校正量是否正確。[7,10]

圖2 SLC校正量示意Fig.2 The SLC forward and opposite correction

在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試SLC校正量較直接有效的方法為:由測(cè)試SLC工作時(shí)正、反掃的靶標(biāo)位置與在SLC不工作時(shí)的靶標(biāo)位置，計(jì)算SLC在各個(gè)視場(chǎng)的正、反掃校正量。使用這個(gè)方法的前提是保證SLC不工作時(shí)靶標(biāo)圖像在X軸上的位置不變。但在實(shí)際測(cè)試時(shí)由于SLC的雙平行反射鏡無法固定在同一位置，所以需要在去除這一前提的情況下研究SLC校正量的測(cè)試方法。

在實(shí)驗(yàn)室使用如圖3所示的靶標(biāo)，并定義如下坐標(biāo)軸:X軸為沿著衛(wèi)星飛行方向，如果SLC的校正量是沿X軸正向則為正；Y軸為沿著掃描方向，代表掃描視場(chǎng)的大小。Δx1(y)=x1(y)-x(y)為反掃校正量，Δx2(y)=x2(y)-x(y)為正掃校正量，其中:x為SLC不工作時(shí)靶標(biāo)X軸上的位置；x1為SLC工作、反掃成像時(shí)靶標(biāo)在X軸上的位置；x2為SLC工作、正掃成像時(shí)靶標(biāo)在X軸上的位置；y∈[0, 3 000]，y0為線性段起始點(diǎn)，正確情況下y0=0。

正反掃校正量之差為

圖3 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試靶標(biāo)示意Fig.3 The laboratory test target

由SLC的工作原理可知:x1(y)=x2(3000-y)，帶入式（1）可得

由式（1）可知，正反掃校正量之差不需要測(cè)試SLC不工作時(shí)靶標(biāo)在X軸上的位置；由式（2）可知，正反掃校正量之差最終為正掃校正量曲線的函數(shù)。圖2所示的系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的正反掃校正量差值曲線如圖4所示。

1.2 線性段的起始點(diǎn)測(cè)試方法

由以上分析可以得到正反掃校正量差 Δl(y)，并且 Δl(y)為正掃校正量曲線x2(y)的函數(shù)。正掃成像時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)校正量x'2(y)是已知的，可以計(jì)算出不同起始點(diǎn)的正反掃校正量之差Δl'(y-y0)。所以，可以通過建立 Δl(y)與 Δl'(y-y0)的匹配函數(shù)計(jì)算線性段的起始點(diǎn)y0[11,12]。

圖4 SLC正反掃校正量差值曲線Fig.4 The D-value of the SLC forward and opposite correction

綜上所述，線性段的起始點(diǎn)y0的測(cè)試方法如下:

1）由設(shè)計(jì)的正掃校正量標(biāo)準(zhǔn)曲線x'2(y)計(jì)算線性段不同起始點(diǎn)下的正反掃校正量差曲線，Δl'(y-y0)=x'2[3000-(y-y0)]-x'2(y-y0)，y0∈[0, 3 000]；

2）采集SLC工作時(shí)靶標(biāo)在各個(gè)視場(chǎng)正反掃的圖像；

3）計(jì)算各個(gè)視場(chǎng)正反掃校正量的差值，各個(gè)視場(chǎng)校正量差值的計(jì)算方法為:1）分別對(duì)同一桿靶標(biāo)正、反掃的16像元在視場(chǎng)y處取一條直線分別記為f1(y)和f2(y)；2）計(jì)算f1(y)和f2(y)半功率點(diǎn)在X軸上的位置x2(y)、x2(y)；3）計(jì)算正反掃校正量之差Δl(y)=x2(y)-x1(y)；

4）計(jì)算曲線Δl(y)與不同線性段起始點(diǎn)曲線Δl'(y-y0)的互相關(guān)函數(shù)R(y0)[13,14]為

5）計(jì)算R(y0)曲線的最大點(diǎn)就是線性段的起始點(diǎn)y0。

1.3 線性段的校正量測(cè)試方法

通過上節(jié)測(cè)試，確認(rèn)線性段的起始點(diǎn)y0正確（y0=0）時(shí)x2(y)+x1(y)=0，正反掃校正量曲線為

所以，線性段校正量的測(cè)試方法如下:

1）采集SLC工作時(shí)靶標(biāo)在各個(gè)視場(chǎng)正反掃的圖像；

2）計(jì)算各個(gè)視場(chǎng)正反掃校正量的差值Δl(y)；

3）計(jì)算正反掃成像時(shí)的校正量x1(y)= -Δl(y)/2,x2(y)=Δl(y)/2。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

按照上面的測(cè)試方法，在實(shí)驗(yàn)室使用如圖3所示的靶標(biāo)進(jìn)行正反掃校正量差值測(cè)試，測(cè)試時(shí)的采集視場(chǎng)間隔為100像元，測(cè)試結(jié)果如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果曲線不論是正反掃校正量差還是在其變化規(guī)律上都與設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)曲線差別較大。通過計(jì)算匹配函數(shù)得到正掃的線性段起始點(diǎn)為500像元，此時(shí)正反掃的校正量曲線如圖6所示，兩曲線相減后得到如圖7所示的正反掃校正量差值曲線，與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果吻合。

圖5 正反掃校正量差值測(cè)試曲線Fig.5 The Test D-value of the SLC forward and opposite correction

圖6 正反掃校正量Fig.6 The SLC forward and opposite correction

通過上面的分析可以發(fā)現(xiàn)，SLC的線性段起始點(diǎn)不正確。整個(gè)視場(chǎng)的重疊漏掃量為

式中X11(y)、X21(y)為SLC工作正常時(shí)的正、反掃校正量；X12(y)、X22(y)為正、反掃校正量。整個(gè)視場(chǎng)的重疊漏掃量如圖8所示。

圖7 正反掃校正量差值曲線Fig.7 The D-value of the SLC forward and opposite correction

圖8 各個(gè)視場(chǎng)的重疊漏掃量Fig.8 The leakage/overlap of different field

圖9 不同視場(chǎng)的外景圖像Fig.9 The image of various fields

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果的正確性，進(jìn)行了外景成像試驗(yàn)，不同視場(chǎng)的圖像如圖 9～10所示，選擇外景成像目標(biāo)大樓上相鄰的2個(gè)窗戶作為參考標(biāo)準(zhǔn)，通過實(shí)地測(cè)量及成像距離可以計(jì)算出該窗戶在圖像上的像元寬度，由分析不同視場(chǎng)的外景圖像上該窗戶成像的實(shí)際寬度，就可以得到在此視場(chǎng)的重疊漏掃情況，結(jié)果如下:

1）大約在視場(chǎng)0～500像元及2 500～3 000像元上有重疊漏掃；

2）越靠近視場(chǎng)兩端重疊漏掃量越大，最大值（大約14個(gè)像元）出現(xiàn)在視場(chǎng)的兩端，最小值出現(xiàn)在視場(chǎng)500像元和視場(chǎng)2 500像元處；

3）在視場(chǎng)500～2 500像元之間沒有重疊漏掃。

上面的外景試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試分析結(jié)果幾乎完全吻合。

圖10 不同視場(chǎng)的局部放大圖Fig.10 The Enlargement of various fields

在實(shí)驗(yàn)室通過調(diào)整參數(shù)使得SLC的線性段起始點(diǎn)正確后，又對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，正反掃校正量差值結(jié)果如圖11所示，此時(shí)正、反掃校正量與設(shè)計(jì)值相符。不同視場(chǎng)的外景圖像如圖12所示，通過對(duì)比原來視場(chǎng)兩端的重疊漏掃已經(jīng)去除，圖像品質(zhì)在各視場(chǎng)均相同[15]。

圖11 實(shí)驗(yàn)室調(diào)整后測(cè)試結(jié)果Fig.11 The test D-value of the modified SLC forward and opposite correction

圖12 不同視場(chǎng)的外景試驗(yàn)圖Fig.12 The image of different field

3 結(jié)束語(yǔ)

為了測(cè)試掃描線校正器的校正量是否正確，傳統(tǒng)的外景成像試驗(yàn)測(cè)試方法存在成本高、周期長(zhǎng)、環(huán)境要求高等缺點(diǎn)，針對(duì)此問題本文研究了在實(shí)驗(yàn)室下基于靶標(biāo)的測(cè)試方法。該方法通過實(shí)驗(yàn)室靶標(biāo)測(cè)試計(jì)算得到正反掃校正量差值曲線，通過建立特定的匹配函數(shù)得到掃描線校正器校正量曲線線性段的起始點(diǎn)；在確認(rèn)了線性段起始點(diǎn)正確的情況下，可以通過正反掃校正量差值曲線計(jì)算得到正反掃校正量曲線，從而得到SLC校正量。最終通過外景試驗(yàn)驗(yàn)證了此方法的正確性。

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