匡海鵬，王德江，孫崇尚，3

(1．中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，中科院航空光學成像與測量重點實驗室，吉林 長春130033;2．中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春130033;3．中國科學院大學，北京100049)

1 引言

隨著CCD傳感器技術的進步，新一代航空高分辨率航空偵察相機如DB110、F9120均采用大靶面探測器替代傳統(tǒng)的膠片光敏介質(zhì)［1－3］，這顯著提高了相機整體的智能化水平與情報信息的處理效率。然而在當前的突發(fā)事件中，不僅要求光學成像設備具備在廣域范圍內(nèi)的大面積偵察能力，又要求其具有對疑似目標實時監(jiān)控、跟蹤的能力。基于大尺寸焦平面探測器的航空相機受限于電荷讀出速度，無法對疑似目標進行實時跟蹤與去偽判別。鑒于此美國最先進的航空偵察載荷“全球鷹”采用Kodak公司1 k×1 k的行間轉(zhuǎn)移小面陣探測器，雖然其瞬時視場僅為0．306°×0．414°，但通過連續(xù)擺掃的方式極大擴大了地面覆蓋寬度，這其中一項關鍵技術為掃描像移的動態(tài)、高精度補償?！叭蝥棥毕鄼C利用無焦光路中的快速反射鏡(Fast Steering Mirror，F(xiàn)SM)對掃描像移進行補償，采用這種方式一方面需要在光學系統(tǒng)中附加設計無焦光路，且對FSM的行程、頻帶有極高的要求?；诿骊囂綔y器的片上電荷時間延遲積分(TDI)像移補償方式相比于光機式像移補償方式［4－6］具有天然的優(yōu)勢，如CA295相機采用全幀轉(zhuǎn)移CCD補償掃描像移，但全幀轉(zhuǎn)移CCD在電荷讀出時需要機械快門對光進行阻斷［7］，限制了實時監(jiān)控的能力。幀轉(zhuǎn)移CCD具有完全獨立的光敏區(qū)與暗像元區(qū)，采用這種探測器的成像系統(tǒng)無需機械快門，因此可以獲得與全球鷹相機同等的時間分辨率，同時在電荷讀出時可以采用面陣TDI的電荷補償方式，靈巧型的實現(xiàn)掃描像移片上補償。然而當前的面陣探測器TDI像移補償精度是像素級的，這是因為電荷的離散非規(guī)則運動與景物像點運動之間產(chǎn)生了速度失配，導致沿著TDI電荷轉(zhuǎn)移方向的分辨率總是低于垂直于該方向的分辨率［8－11］。針對于此本文首先闡述了基于幀轉(zhuǎn)移CCD的查打一體化航空相機工作原理，然后針對幀轉(zhuǎn)移CCD的電荷轉(zhuǎn)移特性建立了行間電荷轉(zhuǎn)移的數(shù)學模型，最后通過結(jié)合查打一體化航空相機工作原理與幀轉(zhuǎn)移CCD電荷轉(zhuǎn)移特性提出了一種真相位的掃描像移補償方法。

2 基于幀轉(zhuǎn)移CCD的查打一體化航空相機工作原理

2．1 幀轉(zhuǎn)移CCD凝視成像原理

圖1為幀轉(zhuǎn)移CCD的結(jié)構(gòu)框圖，與全幀轉(zhuǎn)移CCD、行間轉(zhuǎn)移CCD不同，幀轉(zhuǎn)移CCD具有對稱的光敏成像區(qū)與電荷存儲區(qū)，且分別由獨立的A1－A4、B1－B4行轉(zhuǎn)移脈沖驅(qū)動。在凝視成像過程中光敏區(qū)采用凝視成像的方式采集景物像點產(chǎn)生的光電子;當曝光結(jié)束后成像區(qū)電荷并行轉(zhuǎn)移至存儲區(qū)串行讀出。電荷從光敏成像區(qū)轉(zhuǎn)移至存儲區(qū)所需時間為:

其中，N為成像區(qū)行方向分辨率;Tc為電荷的行轉(zhuǎn)移周期。例如對于靶面分辨率為2 k×2 k的探測器，當行轉(zhuǎn)移頻率為5 MHz時，成像區(qū)電荷完全轉(zhuǎn)移至存儲區(qū)耗費的時間僅為0．4096 ms，優(yōu)于機械快門開關性能，因此完全可以實現(xiàn)無快門凝視成像。

圖1 幀轉(zhuǎn)移CCD結(jié)構(gòu)框圖Fig．1 Structure diagram of frame transfer CCD

2．2 幀轉(zhuǎn)移CCD的掃描成像原理

幀轉(zhuǎn)移CCD的掃描成像原理如圖2所示［12］，主光學系統(tǒng)以飛行方向為軸采取擺掃的工作方式擴大地面覆蓋寬度，在曝光時刻景物像點在成像焦平面陣列上的移動線速度為:

其中，ωR為航空相機擺掃角速度;f為航空相機焦距。

圖2 掃描成像原理Fig．2 Principle of scanning imaging

為了補償相機掃描過程中產(chǎn)生的像移，幀轉(zhuǎn)移CCD光敏成像區(qū)在外輸入行轉(zhuǎn)移脈沖的驅(qū)動下移動，其線速度為:

其中，b為CCD的像元尺寸;fc為光敏陣列電荷行轉(zhuǎn)移頻率。

為了達到曝光過程中景物像點與光敏像元之間相對靜止，理論上需使VS=Vc［13－14］。

在此過程中產(chǎn)生的圖像序列如圖3所示。在曝光時刻整幀CCD在外部行轉(zhuǎn)移脈沖的驅(qū)動下進行電荷轉(zhuǎn)移，保持景物像點與光敏介質(zhì)之間相對靜止;當曝光結(jié)束后CCD在固定行轉(zhuǎn)移脈沖的驅(qū)動下將光敏區(qū)的電荷全部并行轉(zhuǎn)移至存儲區(qū);最后，將光敏區(qū)的電荷串行輸出至外部信號處理單元。在進行下一幀掃描時重復上述步驟，即可實現(xiàn)掃描像移的連續(xù)多幀片上補償。

圖3 掃描圖像序列Fig．3 Sequences of scanning image

3 幀轉(zhuǎn)移CCD掃描像移建模與補償方法

3．1 電荷轉(zhuǎn)移像移建模

掃描像移的高精度、寬頻帶補償是研制查打一體化相機的關鍵技術，當Vs=Vc，即景物像點移動的線速度與電荷轉(zhuǎn)移移動的平均線速度相等時，傳統(tǒng)觀點認為由相機擺掃成像引起的掃描像移得到了完全補償，實際成像過程中在一個行轉(zhuǎn)移周期內(nèi)景物像點的運動可認為是連續(xù)的，而CCD的電荷轉(zhuǎn)移運動是離散的，景物像點與CCD光敏介質(zhì)之間在一個行轉(zhuǎn)移周期內(nèi)的具體時刻是存在相對運動的。本文以四相位的幀轉(zhuǎn)移CCD為例對一個行轉(zhuǎn)移周期內(nèi)的電荷運動進行分析。圖4是四相位幀轉(zhuǎn)移CCD的電荷轉(zhuǎn)移示意圖，其中每個像素在CI1、CI2、CI3以及CI4相位時鐘的驅(qū)動下進行轉(zhuǎn)移。當相位控制信號CIX為高電平時，其光敏區(qū)收集的光生電子存儲于對應的光敏區(qū);而當相位控制信號CIX為低電平時，對應的光生電子則存儲在周圍的勢阱中。

在電荷一個電荷轉(zhuǎn)移周期內(nèi)共分8個子轉(zhuǎn)移周期，在電荷轉(zhuǎn)移子周期變換過程中，光敏像素轉(zhuǎn)移的距離為1/8像素尺寸。由于電荷轉(zhuǎn)移的物理特性，轉(zhuǎn)移過程所需時間可近似忽略，因此轉(zhuǎn)移過程可表示為:

對式(4)中表示的轉(zhuǎn)移過程求導，則電荷移動線速度可表示為:

由于一個行轉(zhuǎn)移周期由8個獨立的電荷轉(zhuǎn)移子過程組成，因此幀轉(zhuǎn)移CCD在一個行轉(zhuǎn)移周期內(nèi)的電荷行轉(zhuǎn)移速度可描述為:

其中，t(i)為第i個電荷轉(zhuǎn)移子周期發(fā)生的時間點。

圖4 行間電荷轉(zhuǎn)移流程圖Fig．4 Charge transfer in one line

對于幀轉(zhuǎn)移CCD像素電荷讀出過程是串行的，一般占一個行轉(zhuǎn)移周期的70%左右，此時令T1子周期占整個行轉(zhuǎn)移周期時間的70%，其他時鐘子周期占用的時間相互相等，分別為一個行轉(zhuǎn)移周期的4．2857%。根據(jù)給定的比例關系，圖5(a)、(b)給出了一個行轉(zhuǎn)移周期內(nèi)景物像點與幀轉(zhuǎn)移CCD電荷轉(zhuǎn)移相對速度與相對位置示意圖。

從圖5中可以得出幀轉(zhuǎn)移CCD電荷的轉(zhuǎn)移運動是離散的，由8個脈沖式速度分量組成，而景物像點的速度是連續(xù)的，導致一個行轉(zhuǎn)移周期時間內(nèi)景物像點與光敏像元之間存在相對運動，這種運動稱之為電荷轉(zhuǎn)移像移。

圖5 景物像點與TDI CCD電荷轉(zhuǎn)移運動關系Fig．5 Velocity diagram of image point and TDI CCD Charge transfer in one line period

3．2 電荷轉(zhuǎn)移像移調(diào)制傳遞函數(shù)

調(diào)制傳遞函數(shù)(Modulation Transfer Function，MTF)是評價航空相機光學系統(tǒng)質(zhì)量的重要標準［15－18］，本節(jié)以 相位幀轉(zhuǎn)移CCD為例給出電荷轉(zhuǎn)移像移對光學系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)的影響。

設航空相機采集的初始圖像為I(x，y)，在積分時間過程中景物像點與光敏介質(zhì)相對運動時生成模糊圖像可描述為:

其中，*表示卷積運算;E為曝光強度;l為景物像點與光敏電荷之間的相對位移;為矩形函數(shù)，如圖6所示。

圖6 像移模糊函數(shù)Fig．6 Function of image smear

在第一個電荷轉(zhuǎn)移子過程內(nèi)，當相機積分過程中景物像點與幀轉(zhuǎn)移CCD之間產(chǎn)生的相對位移可表示為:

其中，T1為第一個電荷轉(zhuǎn)移子周期;T為一個行間電荷轉(zhuǎn)移時周期。等效曝光強度可表示為:

將式(8)、式(9)代入式(7)，產(chǎn)生的像移模糊圖像為:

在第二個電荷轉(zhuǎn)移子周期開始前，景物像點已經(jīng)產(chǎn)生l1的位移，而電荷的移動位移為在積分前對應的圖像為，積分過程中發(fā)生的相對位移量為，曝光強度為，此時產(chǎn)生的模糊圖像為:

按照上述方法類推，在第n個電荷轉(zhuǎn)移子周期內(nèi)產(chǎn)生的模糊圖像為:

根據(jù)上述分析在一個行轉(zhuǎn)移積分時間內(nèi)生成的圖像是第1至第2個電荷轉(zhuǎn)移子周期生成圖像的和，如下式所示:

對式(13)進行傅里葉變換:

根據(jù)式(14)電荷轉(zhuǎn)移固有像移對應的傳遞函數(shù)為:

根據(jù)式(15)，表1列出了典型2、3、4相位幀轉(zhuǎn)移CCD一個行轉(zhuǎn)移周期內(nèi)每個電荷轉(zhuǎn)移子過程景物像點與光敏介質(zhì)之間發(fā)生的相對運動。

表1 電荷轉(zhuǎn)移子周期發(fā)生的相對運動Tab．1 Smear occurred in each charge transfer step

將表1中的參數(shù)代入式(15)，圖7繪制了2、3、4相位幀轉(zhuǎn)移CCD電荷轉(zhuǎn)移像移產(chǎn)生的的調(diào)制傳遞函數(shù)。

圖7 電荷轉(zhuǎn)移像移的調(diào)制傳遞函數(shù)Fig．7 MTF of charge transfer smear

3．3 查打一體化航空相機掃描像移補償方法

如前所述，傳統(tǒng)的TDI CCD非均勻像移是由像移補償時的電荷并行轉(zhuǎn)移與同時發(fā)生的電荷串行讀出引發(fā)的時序約束沖突產(chǎn)生的。幀轉(zhuǎn)移CCD具有對稱的光敏成像區(qū)，電荷的并行轉(zhuǎn)移與串行讀出可以采取分時讀出的方法實現(xiàn)。當進行TDI像移補償時，并行讀出時序如圖8所示。

此時像素內(nèi)光敏介質(zhì)與景物像點引起的相對運動為1/8像素。當曝光結(jié)束后，光敏電荷在高速行轉(zhuǎn)移頻率的驅(qū)動下快速轉(zhuǎn)移至存儲區(qū)。在電荷串行讀出階段，由于存儲區(qū)不成像，因此行驅(qū)動時序采取圖9所示。采用這種方法可以最大化的降低串行電荷時鐘讀出頻率，從而降低電荷讀出噪聲。

圖8 曝光時刻幀轉(zhuǎn)移CCD電荷轉(zhuǎn)移像移補償方法Fig．8 Image motion compensation based on the charge transfer of frame transfer CCD during exposure time

圖9 電荷讀出時刻幀轉(zhuǎn)移CCD電荷轉(zhuǎn)移償方法Fig．9 Image motion compensation based on the charge transfer of frame transfer CCD during charge readout

圖10 給出了采用提出的方法電荷轉(zhuǎn)移像移調(diào)制傳遞函數(shù)的影響，從中可以得出在奈奎斯特頻率處新方法相對傳統(tǒng)方法有了明顯的改進。

4 實驗研究

為了驗證電荷轉(zhuǎn)移對查打一體化相機成像分辨率的影響，搭建了一個試驗平臺，如圖11所示。試驗測試系統(tǒng)主要包含四部分:光源、靶標、光學準直儀，動態(tài)目標發(fā)生器，基于幀轉(zhuǎn)移CCD的航空相機。在實驗過程靶標與動態(tài)目標發(fā)生器結(jié)合產(chǎn)將目標圖像按照給定的擺掃速度運動起來，光學準直儀用光學方法將靶標圖樣置于設定的成像距離;幀轉(zhuǎn)移CCD相機對設定距離的的運動靶標圖樣成像。

圖10 傳統(tǒng)方法與本文方法調(diào)制傳遞函數(shù)對比圖Fig．10 Comparison of MTF between traditional method and proposed method

圖11 實驗系統(tǒng)框圖Fig．11 Block diagram of experiment

式(16)給出了靶標在CCD相機焦平面處的所成圖像的間距:

其中，f2表示光學準直儀的焦距，為4000 mm;f1為全幀CCD相機焦距，為1000 mm;w為一對亮暗條紋寬度，其中最細為0．06 mm。

根據(jù)式(16)最細的一對靶標圖樣在相機像面上對應的寬度為0．015 mm，約為60 lp/mm，該CCD相機的分辨率為61 lp/mm，可以近似認為靶標的空間頻率與CCD相機的奈奎斯特頻率相等。圖12為獲得的不同相位時的靶標圖樣對比圖，通過對比可知采用本文提出的方法獲得的靶標圖像對比度(尤其在奈奎斯特頻率處)有了明顯的改善。

5 結(jié)論

本文詳細論述了查打一體化航空相機掃描像移產(chǎn)生過程及對成像質(zhì)量的影響，采用幀轉(zhuǎn)移CCD給出了一種新的電荷轉(zhuǎn)移像移模型。對于二、三、四相位面陣TDI CCD，與傳統(tǒng)的TDI CCD電荷轉(zhuǎn)移平均速度模型相比，該像移模型的精度分別提高約1/2，2/3與3/4像素，因此在描述電荷轉(zhuǎn)移像移時該模型不僅比傳統(tǒng)模型更為準確，而且也更易揭示電荷轉(zhuǎn)移像移產(chǎn)生的原因。接著以電荷轉(zhuǎn)移像移的調(diào)制傳遞函數(shù)為評價指標，定量地給出了空間頻率的對比度損失，最后通過實驗驗證了電荷轉(zhuǎn)移像移分析的正確性。通過本文的論述希望能夠?qū)Σ榇蛞惑w化相機掃描像移建模與補償提供一點幫助，同時更希望CCD生產(chǎn)設計廠商從相機設計人員的角度出發(fā)，認識到電荷轉(zhuǎn)移像移對圖像質(zhì)量的影響，從而通過一些新的方法降低電荷轉(zhuǎn)移過程帶來的像移。

圖12 靶標圖像對比圖

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