石俊霞，李佩玥，李洪法，郭永飛

（1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 應(yīng)用光學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130033；）

1 引 言

隨著空間遙感技術(shù)的發(fā)展，遙感相機(jī)不僅分辨率不斷提高，成像范圍也在不斷擴(kuò)大。現(xiàn)有的CCD器件尺寸已經(jīng)不能滿足大焦面遙感相機(jī)的要求。目前都是采用多片TDICCD拼接技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高分辨率和大視場的要求［1－4］。航天遙感相機(jī)的視場主要受限于光學(xué)系統(tǒng)大小，在光學(xué)系統(tǒng)一定的條件下，為了進(jìn)一步擴(kuò)大視場，要求遙感相機(jī)在側(cè)擺模式下進(jìn)行工作［5－6］。側(cè)擺時(shí)，由于相機(jī)和地面有一定的傾斜角，使得相機(jī)可以觀測的范圍增大。在側(cè)擺成像模式下，相機(jī)曝光期間CCD電荷轉(zhuǎn)移和地面景物存在相對運(yùn)動，調(diào)制傳遞函數(shù)會下降，導(dǎo)致圖像模糊［7］。為了解決這一問題，通常采用分段異速的方式，即各片CCD在各自的行頻下獨(dú)立工作［8］。由于各片CCD的行周期之間存在誤差，這樣，在一段時(shí)間內(nèi)，累積的誤差就會導(dǎo)致由相機(jī)輸出的圖像中的時(shí)間信息和衛(wèi)星時(shí)間產(chǎn)生較大的差異。此時(shí)會導(dǎo)致圖像定位產(chǎn)生較大的誤差。這里所謂的圖像定位是指由TDICCD相機(jī)輸出的圖像來確定對應(yīng)地面的實(shí)際地理位置，而由圖像估算的目標(biāo)點(diǎn)與實(shí)際地面位置的偏差稱為圖像定位誤差［9］。圖像定位誤差與衛(wèi)星姿態(tài)、軌道及相機(jī)對衛(wèi)星時(shí)間的跟蹤精度即相機(jī)守時(shí)均有關(guān)系［10］。目前對于圖像定位的研究多是針對衛(wèi)星姿態(tài)及軌道所引入的定位誤差［11－12］，而對于相機(jī)守時(shí)引起圖像定位誤差研究的較少，本文針對相機(jī)守時(shí)引入的圖像誤差，結(jié)合實(shí)際工程研究，介紹了遙感TDICCD相機(jī)的組成及工作原理，著重分析了側(cè)擺成像模式下圖像定位存在的問題，提出一種提高圖像定位精度的方法，計(jì)算結(jié)果表明，提出的方案能滿足系統(tǒng)對于相機(jī)圖像定位精度的要求。

2 遙感TDICCD相機(jī)成像系統(tǒng)組成及工作原理

2.1 TDICCD相機(jī)工作模式

遙感TDICCD相機(jī)工作模式可分為星下點(diǎn)工作模式和側(cè)擺工作模式。側(cè)擺工作模式是指相機(jī)在星下點(diǎn)工作模式的基礎(chǔ)上傾斜一定的角度，該角度稱為側(cè)擺角。側(cè)擺工作時(shí)相機(jī)可獲得更大的視場。但是，在側(cè)擺工作模式下，為了保證拍攝圖像的清晰，各片CCD需采用不同的行周期。下面對星下點(diǎn)成像模式及側(cè)擺成像模式下的行周期進(jìn)行計(jì)算。

記CCD像元尺寸為a，地面像元分辨率為GSD，相機(jī)焦距為f，軌道高度為H。

F為光學(xué)系統(tǒng)焦點(diǎn)，φ代表焦面任意一點(diǎn)P面任于視場中心點(diǎn)相對于焦點(diǎn)F所成的角度，像面速度vs，地面速度vg，則

星下點(diǎn)成像時(shí)成像幾何關(guān)系如圖1所示，CCD像面上的點(diǎn)ABCD對應(yīng)地面景物A′B′C′D′，像面上任意一點(diǎn)P對應(yīng)地面景物P′。

圖1 星下點(diǎn)成像幾何關(guān)系圖Fig.1 Geometry relation of normal imaging

星下點(diǎn)成像時(shí)，像面上各點(diǎn)像移速度一致，

設(shè)像面任意一點(diǎn)P對應(yīng)地面P′，則P、P′滿足關(guān)系：

因此，星下點(diǎn)成像時(shí)

TDICCD相機(jī)側(cè)擺成像時(shí)，以向右側(cè)擺角度θ為例，成像幾何關(guān)系如圖2所示。同樣，CCD像面上的點(diǎn)ABCD 對應(yīng)地面景物A′B′C′D′，像面上任意一點(diǎn)P對應(yīng)地面景物P′。

圖2 側(cè)擺成像幾何關(guān)系圖Fig.2 Geometry relation of scolling imaging

側(cè)擺成像時(shí)，像面上各點(diǎn)的像移速度各不相同，根據(jù)三角關(guān)系有：

由式（9）可知，側(cè)擺成像時(shí)，行周期值既與側(cè)擺角度有關(guān)，也與焦面上像元位置有關(guān)。行周期值設(shè)置越精細(xì)，相機(jī)成像質(zhì)量也越高，但同時(shí)相機(jī)設(shè)計(jì)也越復(fù)雜。在實(shí)際工程中，每個(gè)像元采用不同的行周期是不可實(shí)現(xiàn)的，對于拼接相機(jī)一般每片CCD采用單獨(dú)的行周期即可滿足系統(tǒng)對調(diào)制傳遞函數(shù)的要求［8］。

2.2 遙感TDICCD相機(jī)工作原理

圖3 遙感TDICCD相機(jī)組成框圖Fig.3 Structure of TDICCD remote sensing camera

本文以實(shí)際工程中TDICCD相機(jī)為例進(jìn)行說明。該相機(jī)側(cè)擺工作時(shí)側(cè)擺角為－40°～＋40°。圖3所示為TDICCD相機(jī)組成框圖，TDICCD相機(jī)由相機(jī)本體和相機(jī)控制器組成，相機(jī)本體是TDICCD相機(jī)的核心部件，它由10個(gè)成像單元組成，10個(gè)成像單元組成完全一樣，每個(gè)成像單元包含一片TDICCD，10片TDICCD在焦平面進(jìn)行首尾拼接。相機(jī)本體的工作由相機(jī)控制器進(jìn)行控制的，相機(jī)控制器為相機(jī)本體提供復(fù)位信號、攝像控制信號，行同步信號以及相機(jī)的工作參數(shù)，而相機(jī)控制器產(chǎn)生的行同步信號由星務(wù)控制系統(tǒng)的秒脈沖進(jìn)行校正，校正周期為500 ms。TDICCD相機(jī)是以行為單位成像，相機(jī)工作時(shí)，成像單元1－成像單元10在行周期信號的控制下進(jìn)行CCD的積分以及圖像的輸出，TDICCD相機(jī)輸出的圖像經(jīng)由數(shù)傳系統(tǒng)傳回地面。為了方便判讀每一行圖像的起始以及該行圖像成像時(shí)刻的工作參數(shù)，在輸出圖像數(shù)據(jù)的時(shí)候，同時(shí)輸出一些額外的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)稱為圖像輔助數(shù)據(jù)，包括幀頭、成像單元通道號、圖像行號、衛(wèi)星輔助數(shù)據(jù)、主控輔助數(shù)據(jù)以及工作參數(shù)（行周期參數(shù)、積分級數(shù)以及增益偏置參數(shù)等）等。衛(wèi)星輔助數(shù)據(jù)主要用來標(biāo)識當(dāng)前工作過程的衛(wèi)星工作狀態(tài)，主控輔助數(shù)據(jù)描述的開始攝像后，每個(gè)秒脈沖到來時(shí)相機(jī)控制器發(fā)出的行同步信號的個(gè)數(shù)，以及秒脈沖上升沿到來后的第1個(gè)行同步信號上升沿的時(shí)刻。其中行同步信號的個(gè)數(shù)對應(yīng)輔助數(shù)據(jù)中的“秒脈沖時(shí)刻對應(yīng)行計(jì)數(shù)”，秒脈沖上升沿到來后的第1個(gè)行同步信號上升沿的時(shí)刻對應(yīng)“秒脈沖整秒時(shí)刻”以及“行同步相對秒脈沖延時(shí)計(jì)數(shù)”。數(shù)傳數(shù)據(jù)中的幀頭、成像單元通道號以及圖像行號是由成像單元生成，幀頭用于標(biāo)識一行數(shù)據(jù)的開始，通道號用于識別不同的成像單元，圖像行號是用于標(biāo)識當(dāng)前輸出的圖像時(shí)開始攝像之后的第幾行。而衛(wèi)星輔助數(shù)據(jù)、主控輔助數(shù)據(jù)和工作參數(shù)是由相機(jī)控制器經(jīng)由485總線發(fā)送給成像單元的。在成像單元輸出數(shù)據(jù)時(shí)，由于工作參數(shù)更新頻率比較低，為了減少圖像輔助數(shù)據(jù)占用的字節(jié)數(shù)，將衛(wèi)星輔助數(shù)據(jù)、主控輔助數(shù)據(jù)以及工作參數(shù)以16行為一個(gè)循環(huán)插入到圖像數(shù)據(jù)中。在獲得圖像數(shù)據(jù)后，可根據(jù)攝像時(shí)刻衛(wèi)星時(shí)間和TDICCD相機(jī)輸出的輔助數(shù)據(jù)中的時(shí)間信息（主控輔助數(shù)據(jù)）來定位圖像所在的地理位置。因此，TDICCD相機(jī)的時(shí)間信息和衛(wèi)星時(shí)間信息之間的差異至關(guān)重要，二者相差越小，圖像定位誤差越小。衛(wèi)星時(shí)間與相機(jī)控制器時(shí)間的時(shí)間關(guān)聯(lián)就是衛(wèi)星發(fā)送給相機(jī)的秒脈沖信號，相機(jī)控制器與成像單元之間的時(shí)間關(guān)聯(lián)是外行同步信號，相機(jī)控制器的外行同步信號的上升沿由秒脈沖進(jìn)行校正。因此，成像單元的時(shí)間信息可由外行同步信號的上升沿作為參考。

3 TDICCD相機(jī)圖像定位的實(shí)現(xiàn)

由2.1的分析可知，各成像單元實(shí)際使用的行周期信號與工作模式相關(guān)。在星下點(diǎn)工作模式時(shí)，各成像單元的行周期均相同，直接采用控制器發(fā)出的行同步信號作為實(shí)際使用的行周期信號。當(dāng)成像單元在側(cè)擺工作模式時(shí)，成像單元的行周期信號各不相同，此時(shí)，各成像單元采用自已產(chǎn)生的內(nèi)部行同步信號作為實(shí)際使用的行周期信號。內(nèi)部行同步信號由成像單元根據(jù)RS－485總線接收的行周期參數(shù)值生成。側(cè)擺工作模式下，每片CCD行周期并不相同，因此實(shí)際使用的行周期信號與控制器發(fā)出的外行同步信號之間是異步的。

3.1 星下點(diǎn)模式圖像定位的實(shí)現(xiàn)

在星下點(diǎn)工作模式下，相機(jī)實(shí)際使用的行周期信號就是控制器發(fā)出的行同步信號，因此每片CCD 的行周期信號的上升沿時(shí)刻就是相機(jī)控制器發(fā)出的行同步信號上升沿時(shí)刻。

相機(jī)工作過程中，相機(jī)控制器發(fā)出的行同步信號上升沿時(shí)刻每隔500ms由衛(wèi)星的秒脈沖校正一次。在相機(jī)控制器中采用1M時(shí)鐘進(jìn)行守時(shí)和校時(shí)。假設(shè)時(shí)鐘的穩(wěn)定度為1×10－4，那么在500ms內(nèi)任一行同步信號的上升沿時(shí)刻誤差不會超過Δtxxd＝500ms×1×10－4＝50μs。

星下點(diǎn)工作模式下的最小行周期為80μs?？梢钥闯觯谶@種模式下，系統(tǒng)的時(shí)間誤差已經(jīng)小于最小行周期，因此由其造成的地面定位誤差小于地面像元分辨率，可忽略不計(jì)。

此時(shí)，相機(jī)控制器發(fā)出的行同步信號上升沿時(shí)刻，可由數(shù)傳輔助數(shù)據(jù)中主控輔助數(shù)據(jù)以及行周期計(jì)算得出，計(jì)算方法如下：

假設(shè)相鄰兩包主控輔助數(shù)據(jù)第n包和第n＋1包主控輔助數(shù)據(jù)之間的行同步信號共有N＝An＋1－An個(gè)。第An行后任一行同步信號的上升沿時(shí)刻txxd計(jì)算公式為

式（10）中參數(shù)含義如表1所示。

表1 星下點(diǎn)模式行同步信號上升沿的時(shí)刻計(jì)算方法Tab.1 Calculation method for timing of line rising edge in normal mode

3.2 側(cè)擺成像模式下圖像定位的實(shí)現(xiàn)方案

側(cè)擺工作模式下各成像單元采用自己產(chǎn)生的內(nèi)部行同步信號作為實(shí)際使用的行周期信號。內(nèi)部行周期的產(chǎn)生受相機(jī)控制器發(fā)送的復(fù)位信號控制，因此復(fù)位時(shí)刻的行周期信號上升沿時(shí)刻是確定的，但各成像單元的行周期信號都是異步的，如圖4所示。

圖4 側(cè)擺成像模式各片CCD行周期信號Fig.4 Line signal for every CCD in scolling mode

因此，在側(cè)擺工作模式下，根據(jù)開始攝像時(shí)刻和數(shù)傳接口中記錄的實(shí)際執(zhí)行周期值累加，計(jì)算可得每個(gè)行周期信號上升沿時(shí)刻。假設(shè)開始攝像時(shí)刻為t0，行周期為T，則開始攝像后第N個(gè)行周期上升沿時(shí)刻t可以表示為：

這種設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)在于，由于只有復(fù)位時(shí)刻的行周期上升沿時(shí)刻是被衛(wèi)星校正過；其余每個(gè)行周期信號上升沿時(shí)刻存在累積誤差。假設(shè)時(shí)鐘的穩(wěn)定度為1×10－4，成像時(shí)間為10min，成像10 min后的時(shí)鐘累積誤差Δt為：

如果當(dāng)前行周期為80μs，上述時(shí)鐘累積誤差會造成的地面誤差ΔL為：

從上面的分析中可以看出，同速工作模式下，行周期信號上升沿時(shí)刻每500ms被衛(wèi)星校正一次，其所產(chǎn)生的誤差在滿足系統(tǒng)對TDICCD相機(jī)圖像定位的要求。在側(cè)擺工作模式下，采用這種方法計(jì)算行周期上升沿時(shí)刻，在成像時(shí)間較長時(shí)誤差較大，已經(jīng)不宜采用，應(yīng)對其進(jìn)行修改。因此下面重點(diǎn)講述改進(jìn)后的計(jì)算方法。

在側(cè)擺工作模式時(shí)，成像單元1～10的行周期信號各不相同，為了建立他們之間的相互關(guān)系，成像單元5仍然采用相機(jī)控制器發(fā)出的行同步信號作為實(shí)際使用的行周期信號，因此它的行周期信號上升沿時(shí)刻也由相機(jī)控制器發(fā)出的行同步信號時(shí)刻決定。而其他成像單元通過485總線接收來自相機(jī)控制器的行周期參數(shù)并生產(chǎn)各自的行周期信號，同時(shí)，除成像單元5以外的其他成像單元（成像單元1，2，3，4，6，7，8，9，10）仍然接收來自相機(jī)控制器發(fā)出的行同步信號。

成像單元對于第1、2、3、4、6、7、8、9和10通道，從開始攝像信號上升沿開始，對相機(jī)控制器發(fā)出的行同步信號和當(dāng)前通道的行周期信號的行號分別進(jìn)行計(jì)數(shù)。同時(shí)，每隔16行，利用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)從16行循環(huán)中最后一行的行周期信號（假設(shè)其行號為第N＝16n行）上升沿，到在它之前與其緊相鄰的第1個(gè)行同步信號（假設(shè)其行號為第M行）的上升沿的時(shí)間差ΔT，將其稱為相位差，如圖5所示。這里的n＝1，2，3，……

圖5 改進(jìn)后成像單元行周期上升沿時(shí)刻產(chǎn)生方法Fig.5 Improved line rising edge timing generate method for imaging unit

采用這種方法需要記錄3種信息，行同步信號的行號M，行周期信號的行號N，以及行周期信號（假設(shè)其行號為第N行）上升沿到在它之前的第1個(gè)行同步信號的上升沿的時(shí)間差ΔT。

在成像FPGA的程序中，每隔16行將16行循環(huán)中最后一行的行周期信號上升沿時(shí)刻添加到數(shù)傳輔助數(shù)據(jù)包中，并且其更新速度與485總線上的行周期設(shè)置指令幀同步。由于行周期設(shè)置指令幀每500ms由主控給成像單元更新一次，因此行周期信號上升沿時(shí)刻的更新速度也是500ms一次。采用這種辦法形成的新輔助數(shù)據(jù)包格式如所示。

從上面的設(shè)計(jì)說明中可以看出，每個(gè)16行循環(huán)中第16行的行周期信號上升沿時(shí)刻，可根據(jù)輔助數(shù)據(jù)計(jì)算得出；而其余15行的行周期信號上升沿時(shí)刻，則可根據(jù)第16行的行周期信號上升沿時(shí)刻和行周期計(jì)數(shù)進(jìn)行推算獲得。

對于該定位方法的計(jì)算，下面舉例說明。首先做如下假設(shè)：

（a）開始攝像后，第 N ＝16n（n＝1，2，3，……）個(gè)行周期信號上升沿時(shí)刻為t；

（b）開始攝像后，行周期信號的行號為N，其周期為T；

（c）開始攝像后，第N個(gè)行周期信號上升沿時(shí)刻所對應(yīng)的由相機(jī)控制器發(fā)出的行同步信號的行號為M，該行同步信號上升沿對應(yīng)的時(shí)刻為t1；

（d）相機(jī)控制器發(fā)出的行同步信號上升沿與第N個(gè)行周期信號上升沿的間隔為ΔT。

那么，開始攝像后第N個(gè)行周期信號上升沿時(shí)刻計(jì)算公式為：

開始攝像后第（N －i）（i＝1，2，3，…，15）個(gè)行周期信號上升沿時(shí)刻計(jì)算公式為：

采用上述方案后，相機(jī)本體的行信號時(shí)間信息每間隔500ms被相機(jī)控制器輸入的行同步信號校正一次。因此，行信號時(shí)間信息誤差取決于相機(jī)本體造成的時(shí)間誤差和相機(jī)控制器造成的時(shí)間誤差中的最大值。

相機(jī)本體的時(shí)間誤差由式計(jì)算為50μs，相機(jī)控制器造成的時(shí)間誤差由式計(jì)算也為50μs。因此，在最小行周期80μs下，一次成像10min時(shí)間內(nèi)造成的地面誤差為因此，采用改進(jìn)的圖像定位方法，在側(cè)擺成像模式下，一次成像圖像定位誤差小于地面像元分辨率，滿足系統(tǒng)對TDICCD相機(jī)的要求。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

為了驗(yàn)證定位實(shí)現(xiàn)的正確性，在相機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。驗(yàn)證方法如下（以成像單元1為例）：記成像單元1的行周期值為T1，成像單元5的行周期值為T5，成像單元5的行周期也就是成像單元1接收的外行同步信號。如圖6所示，成像單元1連續(xù)兩次輸出的定位輔助數(shù)據(jù)中外行同步計(jì)數(shù)，行周期計(jì)數(shù)，時(shí)間差分別是N51、N11、ΔT1和N52、N12、ΔT2，連續(xù)兩次輸出定位輔助數(shù)據(jù)的間隔為Tab，那么式成立。

圖6 改進(jìn)方案驗(yàn)證方法Fig.6 Validate method for the improved scheme

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，其中外行周期表示相機(jī)控制器發(fā)送的外行同步信號一個(gè)周期內(nèi)110M時(shí)鐘個(gè)數(shù)，內(nèi)行周期表示異速成像時(shí)相機(jī)本體實(shí)際執(zhí)行的行周期一個(gè)周期內(nèi)110M時(shí)鐘的個(gè)數(shù)，外行號和內(nèi)行號分別為開始攝像后外行周期的個(gè)數(shù)和內(nèi)行周期的個(gè)數(shù)，差代表成像單元實(shí)際執(zhí)行行周期和該行周期前最近的外行同步信號之間的時(shí)間，用110M時(shí)鐘個(gè)數(shù)表示。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，計(jì)算的差值時(shí)間為0，可以驗(yàn)證采用的方案是正確的，即提出的改進(jìn)方案在一次成像時(shí)間內(nèi)定位誤差不超過地面像元分辨率，滿足系統(tǒng)對相機(jī)定位的要求。此外，這種方案與側(cè)擺角度無關(guān)，同時(shí)也適用于星下點(diǎn)成像模式。

表2 側(cè)擺成像圖像定位精度結(jié)果Tab.2 Result of image location accuracy in scolling imaging mode

5 結(jié) 論

針對空間遙感TDICCD相機(jī)在側(cè)擺成像模式下工作一段時(shí)間后累積定位誤差大的問題，提出了一種通過記錄3種信息：行周期信號上升沿時(shí)刻、行同步信號上升沿時(shí)刻和二者之間時(shí)間差來對圖像進(jìn)行定位的方法。采用該方法后，在一次成像過程中，圖像定位誤差小于地面像元分辨率，滿足系統(tǒng)對TDICCD相機(jī)定位精度的要求。

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