閆得杰，吳偉平，孫天宇

(中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春　130033)

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空間相機(jī)CCD像面拼接重疊像元數(shù)分析與計(jì)算

閆得杰，吳偉平，孫天宇

(中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春130033)

為了避免空間相機(jī)在側(cè)擺成像時(shí)多片CCD的拼接處出現(xiàn)縫隙，造成部分目標(biāo)信息缺失且獲取的圖像無法正常拼接的問題，根據(jù)CCD推掃成像的工作原理和像移補(bǔ)償殘差對(duì)圖像出現(xiàn)縫隙的原理進(jìn)行分析，通過采用重疊像元的方法克服了圖像縫隙的問題;根據(jù)實(shí)際工程需求對(duì)像面重疊像元數(shù)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)重疊像元數(shù)提出具體要求;根據(jù)實(shí)例計(jì)算得出，在96級(jí)積分級(jí)數(shù)下允許的偏流角誤差不大于12＇和偏流機(jī)構(gòu)的偏差為1＇的前提下，像面拼接時(shí)相鄰兩片CCD之間的重疊像元數(shù)計(jì)算值應(yīng)大于15，考慮誤差及安裝多重因素增加一定的余量，重疊像元數(shù)為40完全滿足地面覆蓋寬度10 km的要求。

空間相機(jī)；重疊像元；像面拼接；圖像縫隙

0　引言

隨著空間應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，空間相機(jī)的應(yīng)用也越來越廣泛。同時(shí)對(duì)空間相機(jī)的要求也越來越高。不僅對(duì)空間相機(jī)獲取信息的準(zhǔn)確程度的要求越來越高，而且對(duì)獲取信息的實(shí)時(shí)性也越來越高。為了增加對(duì)地觀測能力，需要增加相機(jī)視場角。但相機(jī)的視場角不可能任意增加，尤其在通過加長焦距來提高分辨率的情況下，鏡頭視場角減少，地面照相覆蓋寬度變小[1-3]。為了及時(shí)對(duì)所感興趣的目標(biāo)進(jìn)行觀測，快速有效獲得高質(zhì)量圖像，僅僅多片拼接后的地面覆蓋寬度已不能滿足完全寬覆蓋以提高重訪周期的要求。因此很多飛行器采用了側(cè)擺成像技術(shù)，即增加相機(jī)對(duì)星下點(diǎn)兩側(cè)照相的能力。對(duì)于軍用偵查相機(jī)，側(cè)擺照相技術(shù)更為重要[4-6]。采用側(cè)擺成像技術(shù)可以增加地面覆蓋寬度并可以提高重訪周期[7]。針對(duì)拼接的CCD像面采用側(cè)擺成像的方式就要解決隨之帶來的相關(guān)問題。對(duì)于飛行器來說，飛行器側(cè)擺即讓整個(gè)飛行器轉(zhuǎn)一個(gè)角度，由飛行器的姿態(tài)調(diào)整來實(shí)現(xiàn)。這種方法要求飛行器具有較高的姿態(tài)控制性能和可靠性，且要消耗一部分飛行器燃料。對(duì)于相機(jī)來說側(cè)擺成像時(shí)，地物與相機(jī)成像距離會(huì)隨著側(cè)擺發(fā)生變化，成像距離的變化不僅帶來圖像比例尺的改變，而且會(huì)造成相機(jī)焦平面上像移速度發(fā)生變化，使像移速度與TDICCD電荷轉(zhuǎn)移速度不匹配，惡化成像質(zhì)量[8]。同時(shí)，由于側(cè)擺的存在，空間相機(jī)多片CCD的拼接處就會(huì)出現(xiàn)縫隙，由于縫隙的存在就會(huì)造成地面上某些目標(biāo)的缺失，從而帶來了獲得的圖像數(shù)據(jù)無法正常拼接的問題，使獲得的目標(biāo)信息不完整，影響空間相機(jī)的使用性能。因此對(duì)空間相機(jī)像面CCD拼接進(jìn)行研究對(duì)于改善相機(jī)使用性是十分必要的。

在航天領(lǐng)域，目前采用多片CCD拼接及側(cè)擺成像方面，國內(nèi)外都進(jìn)行了大量的嘗試與探索，并把一些成果應(yīng)用于工程實(shí)踐當(dāng)中。對(duì)于在側(cè)擺成像時(shí)，采用多片CCD拼接成像會(huì)出現(xiàn)縫隙需要在拼接時(shí)重疊一定的像元數(shù)來解決問題的研究并不多見。本文分析了CCD推掃成像的工作原理和像移補(bǔ)償殘差對(duì)圖像出現(xiàn)縫隙的原理，采用重疊像元的方法克服了圖像縫隙的問題，并對(duì)滿足空間相機(jī)成像質(zhì)量要求的像面重疊像元數(shù)進(jìn)行分析與計(jì)算。

1　克服圖像出現(xiàn)縫隙的原理

線陣CCD推掃式相機(jī)的工作原理如圖1所示。

圖1　線陣CCD推掃工作模式

線陣CCD空間相機(jī)搭載于飛行器上，飛行器距地面的距離為軌道高H，CCD拼接像面通常與地面平行，也可以有一定的傾角(在飛行器側(cè)擺時(shí)以增加地面覆蓋寬度)。如果相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的焦距為f、像元幾何尺寸為a，像面陣列的像元個(gè)數(shù)為N，可以得到地面覆蓋寬度的表達(dá)式：

(1)

每一個(gè)像元所覆蓋的地面寬度為相機(jī)的地面像元分辨率，其表達(dá)式為

(2)

通過公式(1)和(2)可以看出，地面像元分辨率和軌道高度根據(jù)任務(wù)要求事先已確定，相機(jī)焦距為相機(jī)固有參數(shù)，為了增加空間相機(jī)地面覆蓋寬度，相機(jī)像面由多片CCD拼接而成。在拍攝過程中，飛行器軌道運(yùn)動(dòng)、地球自轉(zhuǎn)和飛行器姿態(tài)變化會(huì)造成像點(diǎn)在焦平面上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，形成像移[9]。通常采用TDI-CCD時(shí)間延遲轉(zhuǎn)移速率和合成矢量速度值相等，并調(diào)整飛行器運(yùn)動(dòng)方向與相機(jī)實(shí)際成像方向之間的夾角即偏流角來補(bǔ)償像移。但由于飛行器的飛行速度、飛行高度、姿態(tài)變化、偏流角誤差、安裝誤差以及相機(jī)本身控制誤差等一系列誤差，最終使CCD積分方向與像的移動(dòng)方向不一致，造成像面上相鄰的兩片CCD的拼接處有縫隙，使拍攝后的圖像不能正常拼接[10]，如圖2所示。

圖2　圖像出現(xiàn)縫隙原理分析圖

為了解決CCD積分方向與像的移動(dòng)方向的不一致所造成的像面上相鄰兩片CCD的拼接處有縫隙的問題，需要使相鄰的兩片CCD在行方向上重疊一定數(shù)量的像元，如圖3所示。需要重疊的像元數(shù)n=tanβ×BC/a，β為CCD積分方向與像的移動(dòng)方向的夾角，BC精確值由CCD芯片尺寸及機(jī)械安裝尺寸確定。a為TDICCD像元尺寸。

圖3　通過重疊像元來克服圖像縫隙示意圖

根據(jù)以上分析，要確定相鄰的兩片CCD在行方向上重疊像元數(shù)據(jù)，關(guān)鍵要確定β角，即CCD積分方向與像的移動(dòng)方向的夾角。既要使相機(jī)滿足地面覆蓋寬度的要求，還要使像面上相鄰兩片CCD拼接處不出現(xiàn)縫隙，二者必須權(quán)衡考慮。

2　像元重疊數(shù)的計(jì)算

2.1β角的確定

計(jì)算CCD像元重疊數(shù)一定要先確定在成像過程中CCD積分方向與像的移動(dòng)方向存在的夾角。這個(gè)夾角并不是通常所說的偏流角，而是偏流角中無法通過偏流機(jī)構(gòu)補(bǔ)償?shù)牟糠帧Ｔ谂臄z過程中，產(chǎn)生CCD積分方向與像的移動(dòng)方向的不一致有以下兩方面：

1)由于偏流機(jī)構(gòu)的約束：在一個(gè)時(shí)刻，像面只能按照一個(gè)角度值以及方向進(jìn)行調(diào)整，但在像面上不同位置的偏流角都不相同，為了不使像面兩邊有太大的差異，因此在調(diào)整時(shí)只能以中心點(diǎn)位置的偏流角作為偏流機(jī)構(gòu)的調(diào)整值，這將導(dǎo)致CCD拼接處像的移動(dòng)方向與積分方向存在偏差(e1)。

2)偏流角的總誤差：根據(jù)調(diào)制傳遞函數(shù)下降值能滿足成像質(zhì)量的要求，通過調(diào)制傳遞函數(shù)公式計(jì)算在使用的最高積分級(jí)數(shù)下允許的偏流角誤差(e2)。

像移匹配殘差而得出的調(diào)制傳遞函數(shù)值MTF[8]為：

(3)

其中：fc為特征頻率，等于奈奎斯特頻率fn；M為TDI-CCD的積分級(jí)數(shù)；VP為像移速度；ΔVP為像移速度殘差。

2.2像面上各點(diǎn)像元重疊數(shù)據(jù)計(jì)算

相機(jī)在側(cè)擺角最大，拍攝點(diǎn)位于赤道上時(shí)，像面上不同位置的偏流角相差最大。且在積分方向上偏流角值成單調(diào)變化。因此選取像面上以下9個(gè)點(diǎn)O、A、B、C、D、E、F、G、H進(jìn)行分析，O、A、B、C、D、E、F、G、H如圖4所示。

圖4　像面上所選取點(diǎn)位置示意圖

在圖4中，當(dāng)側(cè)擺角最大為φ時(shí)，G點(diǎn)與O點(diǎn)偏流角差值最大，設(shè)需要重疊的最小像元數(shù)為x，在像面上以光軸中心為原點(diǎn)，O點(diǎn)和G點(diǎn)的坐標(biāo)為(xO,0)和(xG,a×(k-x))，k為G點(diǎn)距離O點(diǎn)的像元數(shù)。將這兩個(gè)點(diǎn)的位置代入像移速度矢計(jì)算模型中，計(jì)算偏流角值，從而得到G點(diǎn)與O點(diǎn)的偏流角差值，即e1。

O點(diǎn)的偏流角值作為偏流機(jī)構(gòu)的調(diào)整值，因此沿G點(diǎn)像移速度與所選取的8點(diǎn)所在列的積分方向的夾角都不大于e1+e2；如果沿這個(gè)方向正好有像元，則能得到以下等式：

tan(e1+e2)×(xG-xO)=x·a

(4)

另外還要考慮到CCD芯片在安裝時(shí)有一定的安裝誤差μ，因此需要對(duì)上式進(jìn)行修正如下：

tan(e1+e2)×(xG-xO)+μ=x·a

(5)

在公式(5)中，e1、e2根據(jù)誤差分析得出，xG、xO為像面位置，μ為安裝誤差，根據(jù)安裝精度確定。從而可以計(jì)算的出重疊像元數(shù)x。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

某相機(jī)像面由五塊TDICCD拼接而成，每片CCD的總像元數(shù)為4 096，通過TDICCD拼接使拍攝的行像元數(shù)大于20 000個(gè)，對(duì)應(yīng)地面覆蓋寬度大于10 km。調(diào)制傳遞函數(shù)值下降5%對(duì)成像質(zhì)量無本質(zhì)影響，根據(jù)公式(3)計(jì)算得出在96級(jí)積分級(jí)數(shù)下允許的偏流角誤差不大于12＇，由此確定偏流角的總誤差e2。由于偏流機(jī)構(gòu)的約束，側(cè)擺角最大為15°時(shí)像面上各點(diǎn)與中心偏流角最大誤差不超過1＇。根據(jù)測量獲得xG為108.735 mm，xO為73.535 mm，CCD安裝誤差μ為0.002 mm，CCD像元尺寸為0.008 75 mm。將以上數(shù)值代入公式(5)進(jìn)行求解得出重疊像元數(shù)x=15.441 3。

像元重疊數(shù)應(yīng)該為不小于x的整數(shù)，因此像元重疊數(shù)應(yīng)大于15。

根據(jù)以上分析計(jì)算，在進(jìn)行像面拼接時(shí)，相鄰兩片CCD之間的重疊像元數(shù)應(yīng)大于15，在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，考慮到偏流角誤差12＇有可能在相機(jī)工作過程中增大，在計(jì)算出的重疊像元數(shù)上加入一倍的余量；再考慮到結(jié)構(gòu)的誤差在拍攝過程中有可能變化，再加入8個(gè)像元的余量，這樣也給CCD拼接帶來了方便之處，降低了拼接難度，因此選取像元重疊數(shù)為40。當(dāng)選取CCD像元重疊數(shù)為40時(shí)，TDICCD 拼接后總的像元數(shù)為20 320，對(duì)應(yīng)的地面覆蓋寬度為10.16 km，滿足拍攝的行像元數(shù)大于20 000，地面覆蓋寬度大于10 km的要求。

在軌道側(cè)擺14.66°時(shí)，相機(jī)拍攝的原始圖像和拼接后的圖像如圖5所示。

圖5　原始圖像和拼接圖像

圖中左圖為相鄰兩片CCD獲得的原始圖像數(shù)據(jù)，右圖為拼接后的圖像數(shù)據(jù)。圖像匹配結(jié)果為重疊像元數(shù)為25.58，與理論上計(jì)算基本一致。從而驗(yàn)證了計(jì)算方法的正確性。

4　結(jié)論

選取偏流角誤差處于最大值時(shí)進(jìn)行分析，且加入了CCD芯片安裝的最大誤差，計(jì)算出的重疊像元數(shù)是任意相鄰兩片CCD在拼接處像移速度與TDICCD列方向有最大的偏差時(shí)所需要重疊的像元個(gè)數(shù)為大于15。在實(shí)際設(shè)計(jì)中考慮CCD座之間的相互位置及用于固定CCD座的螺釘孔位的影響，則搭接時(shí)交錯(cuò)的像元數(shù)要留有一定像元的余量，從而能夠完全解決像面上相鄰兩片CCD拼接處有縫隙，拍攝后的圖像信息不完整且不能正常拼接的問題。通過實(shí)例分析，由于每片CCD總像元數(shù)為4 096，可以設(shè)定在40個(gè)像元，即占總像元數(shù)的0.98%。地面覆蓋寬度降低80 m。通過TDICCD拼接使拍攝的行像元數(shù)為20 320個(gè)，對(duì)應(yīng)地面覆蓋寬度為10.16 km，滿足地面覆蓋寬度大于10 km的要求。對(duì)空間相機(jī)像面CCD拼接重疊像元數(shù)進(jìn)行計(jì)算為空間相機(jī)像面機(jī)械拼接及相機(jī)整體能否滿足指標(biāo)要求提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

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Analysis and Calculation of Overlapping Pixels of Assembly CCD Image Plane in Space Camera

Yan Dejie,Wu Weiping,Sun Tianyu

(Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun130033,China)

In order to avoid multi-chip CCD stitching the gap space camera side of the pendulum imaging,resulting in loss of part of the target information and the acquired image can not be normal splicing problems,according to the CCD push-broom imaging principle and image motion compensation residual image the principle of analysis,overlapping like element method to overcome the problem of image gap pixel is calculated according to the actual engineering requirements on the image plane overlap,the specific requirements of overlapping pixel. Instance of the calculated drift angle error is less than the allowed 96 points series 12＇and the bias current institutions deviation 1＇of a premise,like the surface of splicing overlap between adjacent two CCD pixel calculated value should be greater than 15,consider the error and the installation of multiple factors to increase the margin,overlaps the pixel number 40 to meet the ground to cover the requirements of the width to 10 km.This article proposed the method is simple and easy to implement,which is suitable for the research of image motion compensation of space camera.

space camera；overlapped pixels；patch image plane；image aperture

1671-4598(2016)04-0193-02DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.04.056

TP273

A

2015-10-19；

2015-11-10。

閆得杰(1979-)，女，吉林長春人，碩士，主要從事航天遙感器像移補(bǔ)償、軟件設(shè)計(jì)等方向的研究。