譚偉 齊文雯 王軍 何紅艷 于生全 王殿中

(1 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094)(2 北京空間機(jī)電研究所 先進(jìn)光學(xué)遙感技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100094)

衛(wèi)星發(fā)射前，可見近紅外相機(jī)在實驗室經(jīng)過精密裝調(diào)與測試，焦面位置與成像參數(shù)狀態(tài)均已預(yù)設(shè)。由于發(fā)射期間多種因素的影響，以及大氣壓力、溫度、濕度等環(huán)境因素的變化，衛(wèi)星入軌后相機(jī)狀態(tài)可能會發(fā)生改變，導(dǎo)致相機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)離焦[1]。同時，考慮到在軌成像時地物反射率、光照條件等成像輸入變化復(fù)雜，實驗室積分球產(chǎn)生的均勻光無法完全模擬相機(jī)在軌時接收到的能量，導(dǎo)致預(yù)設(shè)成像參數(shù)的成像結(jié)果無法體現(xiàn)相機(jī)最佳的輻射性能[2]。

在軌調(diào)試是保障并提高可見近紅外相機(jī)圖像質(zhì)量的重要途徑，在軌測試是檢驗相機(jī)成像性能的重要方法。資源一號02D衛(wèi)星(又稱為5米光學(xué)業(yè)務(wù)衛(wèi)星)可見近紅外相機(jī)入軌后，隨即開展高精度調(diào)試。本文結(jié)合可見近紅外相機(jī)的設(shè)計特點及成像模式，研究了高精度在軌調(diào)試方法，同時采用性能指標(biāo)測試的方法評價調(diào)整后的圖像質(zhì)量，對調(diào)整結(jié)果進(jìn)行檢驗。

1 在軌調(diào)試概述

空間光學(xué)相機(jī)在軌調(diào)試主要指與相機(jī)成像質(zhì)量相關(guān)的相機(jī)工作狀態(tài)與性能參數(shù)調(diào)試，通過開展在軌調(diào)試將相機(jī)成像性能調(diào)整到最佳狀態(tài)，可有效保障成像數(shù)據(jù)的質(zhì)量。對于長焦距大口徑的推掃型(Time Delayed Integration Charge Coupled Device，TDICCD)相機(jī)，一般在軌調(diào)試包括相機(jī)焦面調(diào)試與相機(jī)成像參數(shù)調(diào)試。其中，焦面狀態(tài)主要影響相機(jī)的空間調(diào)制度，進(jìn)而影響圖像清晰度和細(xì)節(jié)解析能力；成像參數(shù)主要影響相機(jī)的輻射性能，包括信噪比、動態(tài)范圍等。

2 在軌調(diào)焦方法

目前空間遙感相機(jī)調(diào)焦方法有程序控制法[3]、對比調(diào)焦法[4]和圖像處理法[5]。程序控制法是指根據(jù)相機(jī)拍照時的實測參數(shù)和對熱真空試驗時可能對焦面產(chǎn)生影響的因素進(jìn)行預(yù)估，利用提前編制好的程序來調(diào)整焦面位置；對比調(diào)焦法最早用于斯波特-5(SPOT-5)衛(wèi)星[6]，利用雙相機(jī)具有相同覆蓋的原理，以互相為參考進(jìn)行對比調(diào)焦，直至兩臺相機(jī)均調(diào)整到最佳焦面[7]。圖像處理法利用遙感相機(jī)實時圖像作為評價依據(jù)，通過圖像的特征參數(shù)對焦面狀態(tài)進(jìn)行判斷，來確定相機(jī)的最佳工作狀態(tài)[8-9]。

目前遙感衛(wèi)星發(fā)射入軌后，用戶對相機(jī)在軌調(diào)焦的時間要求越來越高。快速準(zhǔn)確完成在軌調(diào)焦的關(guān)鍵之處在于如何制定合適的調(diào)焦計劃和選取可靠的調(diào)焦評價函數(shù)。對于資源一號02D衛(wèi)星可見近紅外相機(jī)來說，調(diào)焦策略方面，常規(guī)連續(xù)調(diào)焦搜索的策略對在軌成像時間和衛(wèi)星使用資源占用要求高[10]，難以滿足用戶的要求；調(diào)焦函數(shù)方面，資源一號02D衛(wèi)星可見近紅外相機(jī)采用TDICCD推掃模式成像，被攝目標(biāo)始終處于變化之中，常用調(diào)焦評價方法的應(yīng)用精度難以保證[11-12]。在用戶的時效要求下迅速精準(zhǔn)完成在軌調(diào)焦的關(guān)鍵在于制定高效的調(diào)焦策略和研究高精度的調(diào)焦函數(shù)。

2.1 資源一號02D衛(wèi)星可見近紅外相機(jī)在軌調(diào)焦方法

經(jīng)分析其他在軌衛(wèi)星的在軌調(diào)焦過程發(fā)現(xiàn)，星載遙感相機(jī)在軌調(diào)焦時采用粗調(diào)焦與精調(diào)焦相結(jié)合的調(diào)焦方法可大幅縮短在軌調(diào)焦時間。粗調(diào)焦時，調(diào)焦機(jī)構(gòu)采用大步長進(jìn)行焦面調(diào)整，并采用合適的調(diào)焦評價函數(shù)計算出當(dāng)前相機(jī)的離焦量，進(jìn)而得到初步的焦面調(diào)整位置；精調(diào)焦則在粗調(diào)焦焦面基礎(chǔ)上，調(diào)焦機(jī)構(gòu)采用小步長進(jìn)行調(diào)整，采用合適的調(diào)焦評價函數(shù)對各焦面圖像特征參數(shù)進(jìn)行對比，得到最佳焦面，過程見圖1，一般以相機(jī)焦深為參考，以一倍焦深對應(yīng)相機(jī)調(diào)焦步長為L。

圖1 在軌調(diào)焦過程Fig.1 Flowchart of on-orbit refocusing

精確計算調(diào)焦過程中不同焦面特征參數(shù)的關(guān)鍵在于調(diào)焦評價函數(shù)的選取。在上述調(diào)焦策略的基礎(chǔ)上，第一輪調(diào)焦獲取粗調(diào)焦圖像，基于圖像功率譜與相機(jī)離焦量的關(guān)系，獲取不同焦面的離焦量，計算得到粗調(diào)焦最佳焦面，圖像功率譜計算方法如下[13]

(1)

式中：f為圖像頻率變量；A為圖像頻率幅值，即功率譜強(qiáng)度；k為圖像指數(shù)變量。經(jīng)實驗室數(shù)據(jù)仿真分析和在軌驗證，k的取值范圍為1.81～2.05。

第二輪調(diào)焦獲取精調(diào)焦圖像，結(jié)合TDICCD相機(jī)的成像特點，選擇一種與成像場景無關(guān)的圖像清晰度評價方法，最終得到精調(diào)焦最佳焦面，完成在軌調(diào)焦。在軌精調(diào)焦的圖像清晰度評價方法如下[14]

(2)

式中：De為圖像清晰度；fr為高頻強(qiáng)度；ep為有效邊緣寬度；A、B分別為常數(shù)系數(shù)。經(jīng)試驗驗證[15]，當(dāng)A+B=1且A∈(0.09，0.23)，B∈(0.77，0.91)時，該結(jié)果作為圖像清晰度時不僅對場景變化的獨立性好，而且能夠很好的反映圖像的離焦?fàn)顩r。

2.2 焦面調(diào)整結(jié)果

2.2.1 在軌粗調(diào)焦

根據(jù)相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)、調(diào)焦機(jī)構(gòu)等相關(guān)設(shè)計參數(shù)，根據(jù)2.1節(jié)中設(shè)計的在軌粗調(diào)焦策略，采用式(1)及相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)調(diào)焦設(shè)計參數(shù)分別計算相機(jī)粗調(diào)焦過程中每個焦面的離焦量，計算結(jié)果見表1。

表1 粗調(diào)焦過程相機(jī)每個焦面的離焦量Table 1 Defocusing degree of each focal plane in rough refocusing process

對比表1中各焦面離焦量可知，相機(jī)粗最佳焦面位置為

P1=P0-0.3L

(3)

2.2.2 在軌精調(diào)焦

根據(jù)相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)、調(diào)焦機(jī)構(gòu)等相關(guān)設(shè)計參數(shù)，以及2.1節(jié)中設(shè)計的在軌精調(diào)焦策略，分別計算相機(jī)粗調(diào)焦過程中每個焦面的離焦量，計算結(jié)果見表2。采用式(2)圖像清晰度評價方法分別對焦面圖像清晰度進(jìn)行計算和對比，清晰度計算結(jié)果越大，表示對焦越好。

表2 精調(diào)焦過程中各焦面圖像清晰度Table 2 Image definition of each focal plane in accurate refocusing process

根據(jù)表2可知相機(jī)實際最佳焦面應(yīng)處于P1與P1+0.25L之間，且更接近P1+0.25L，因此可以推導(dǎo)出相機(jī)最佳焦面應(yīng)為

P2=P1+0.2L

(4)

通過調(diào)焦指令將相機(jī)焦面調(diào)整到P2位置，完成在軌調(diào)焦。調(diào)焦前后相機(jī)焦面位置見表3，用具體對應(yīng)的步數(shù)表示相機(jī)在不同時期的焦面位置。

表3 相機(jī)調(diào)焦前后的焦面位置對比Table 3 Comparison of focal plane positions before and after refocusing

3 在軌成像參數(shù)調(diào)整方法

空間遙感相機(jī)發(fā)射前會預(yù)設(shè)一檔積分級數(shù)和增益作為默認(rèn)成像參數(shù)，成像參數(shù)的設(shè)置依據(jù)為實驗室測試過程。以積分球輸出的不同輻亮度作為相機(jī)的輸入，測試相機(jī)的動態(tài)范圍和在不同輸入能量下的響應(yīng)，以此預(yù)估相機(jī)圖像的動態(tài)范圍并作為在軌在軌成像時的默認(rèn)參數(shù)[16]。

對于資源一號02D衛(wèi)星可見近紅外相機(jī)，大幅寬成像時被攝場景中不僅包含的地物類型多，反射率變化區(qū)間大，光照條件復(fù)雜。實驗室采用積分球作為能量輸出時難以很好地模擬大幅寬相機(jī)在軌真實成像條件[17]，導(dǎo)致相機(jī)在預(yù)設(shè)成像參數(shù)條件下的成像結(jié)果可能無法完全表現(xiàn)相機(jī)的性能，影響相機(jī)圖像數(shù)據(jù)輻射質(zhì)量。保障相機(jī)數(shù)據(jù)輻射質(zhì)量的關(guān)鍵在于精確獲取相機(jī)在軌時成像場景的入瞳輻亮度以設(shè)置最優(yōu)的成像參數(shù)。

3.1 資源一號02D衛(wèi)星可見近紅外相機(jī)在軌成像參數(shù)調(diào)整方法

資源一號02D衛(wèi)星可見近紅外相機(jī)在軌工作時，涉及調(diào)整的成像參數(shù)只有積分級數(shù)和增益。為了合理預(yù)估在軌參數(shù)，本文提出了一個預(yù)估方案，過程見圖2，先開展左側(cè)過程，建立基于實驗室定標(biāo)結(jié)果參考表，再結(jié)合在軌成像條件開展右側(cè)過程。在軌預(yù)估首先根據(jù)仿真獲得輻射量，通過輻射傳輸仿真，建立相機(jī)不同成像參數(shù)組合下與太陽高度角和地物反射率的對應(yīng)關(guān)系，獲取相機(jī)在軌工作時的入瞳輻亮度。同時，基于實驗室輻射定標(biāo)結(jié)果，獲得相機(jī)在不同積分球能量下輸出圖像的數(shù)字(DN)值，計算相機(jī)在軌典型工況下的入瞳輻亮度，結(jié)合實驗室定標(biāo)結(jié)果，完成成像參數(shù)設(shè)置。

圖2 成像參數(shù)預(yù)估過程圖Fig.2 Flowchart of estimating the imaging parameters

使用輻射傳輸模型[18]，對相機(jī)在軌工作時的入瞳輻亮度進(jìn)行計算。大氣輻射傳輸能模擬太陽入射能量經(jīng)大氣傳播到地表，地表反射信息并再經(jīng)大氣后被相機(jī)接收的過程。該大氣輻射傳輸模型以遙感器成像幾何和被攝地物反射率等作為輸入，可計算在特定成像條件下大氣層頂表觀反射率和相機(jī)入瞳輻亮度，其中入瞳表觀反射率ρTOA和入瞳輻亮度Rad單位為W/(m2·μm·sr))的物理模型可近似為表述為

(5)

(6)

式中：ρpath為大氣程輻射導(dǎo)致的大氣固有反射率，ρs為被攝地物反射率，θs和θv為分別太陽天頂角和觀測天頂角，T(θs)和T(θv)分別為大氣下行透過率和帶去上行透過率，S為大氣半球反照率，d為日地距離修正因子，Es為大氣層頂太陽等效光譜輻照度，單位為W/(m2·μm)。

基于大氣輻射傳輸模型獲取資源一號02D衛(wèi)星在國土資源遙感時的典型平均入瞳輻亮度，結(jié)合實驗室定標(biāo)試驗結(jié)果，按照式(7)查找實驗室測試時不同積分級數(shù)與增益參數(shù)組合下最接近成像參數(shù)，即為在軌最佳的成像參數(shù)。

(7)

式中：k為查找系數(shù)，對應(yīng)實驗室定標(biāo)試驗結(jié)果中的絕對定標(biāo)系數(shù)，N為資源一號02D衛(wèi)星相機(jī)量化位數(shù)，可見近紅外相機(jī)量化位數(shù)為12 bit，即N=12。37.5%為比例系數(shù)[19]，代表了圖像DN值灰度直方圖峰值與量化位數(shù)的比值。

3.2 成像參數(shù)調(diào)整結(jié)果

根據(jù)2.2節(jié)中描述，對資源一號02D衛(wèi)星可見近紅外相機(jī)在軌成像參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，參數(shù)調(diào)整結(jié)果見表4。

表4 相機(jī)參數(shù)調(diào)整前后的具體參數(shù)對比Table 4 Comparison of the imaging parameters before and after adjustment

表4中為夏季成像參數(shù)時國土區(qū)域的圖像統(tǒng)計結(jié)果，對于冬季成像參數(shù)，由于光照條件的變化，國土區(qū)域平均太陽高度角較夏季約降低了1.4～1.6倍，為了確保圖像動態(tài)范圍與輻射質(zhì)量，通過調(diào)整增益檔位或積分級數(shù)，將冬季成像參數(shù)在夏季成像參數(shù)的基礎(chǔ)上增大約1.5倍。

完成夏季成像參數(shù)調(diào)整后，對相機(jī)各譜段在表5對應(yīng)成像參數(shù)下圖像灰度均值和動態(tài)范圍進(jìn)行統(tǒng)計，以夏季參數(shù)為例，成像場景為典型國土區(qū)域，包含城市、水體、山體等，如圖3所示，統(tǒng)計結(jié)果見表5。

圖3 可見近紅外相機(jī)典型國土遙感成像示意圖Fig.3 True color image of VNIR camera for typical land-resource mote sensing

表5 夏季參數(shù)下可見近紅外相機(jī)圖像灰度均值和動態(tài)范圍Table 5 Imaging parameters of VNIR camera in summer and winter

根據(jù)表5中統(tǒng)計參數(shù)可知：各譜段圖像均值均為灰度量程值(4095)的三分之一左右，與式(7)選用的37.5%比例系數(shù)基本一致，且動態(tài)范圍基本可覆蓋低響應(yīng)地物目標(biāo)(量程的10%左右)和高響應(yīng)地物目標(biāo)(量程的90%左右)，充分發(fā)揮了相機(jī)的成像性能。

4 性能指標(biāo)測試

4.1 調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)測試

MTF反映的是成像系統(tǒng)在對目標(biāo)物成像過程中信號的擴(kuò)散與削弱程度。對于光學(xué)相機(jī)，測試MTF是檢驗光學(xué)系統(tǒng)對焦?fàn)顟B(tài)的一種有效手段。相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)對焦越好，目標(biāo)經(jīng)成像系統(tǒng)后能量越集中，擴(kuò)散越小，MTF越大，反之MTF越小。因此，在軌測試過程中通常將奈奎斯特(Nyquist)頻率處的MTF作為檢驗圖像對角狀態(tài)的質(zhì)量指標(biāo)參數(shù)。

相機(jī)在軌時主要采用刃邊靶標(biāo)圖像進(jìn)行MTF測試，考慮到不同譜段空間分辨率與靶標(biāo)實際尺寸，資源一號02D衛(wèi)星可見近紅外相機(jī)只測試全色譜段的MTF。本測試采用的數(shù)據(jù)源是2019年11月2日、2019年11月5日、2019年11月8日、2019年11月11日資源一號02D衛(wèi)星全色(PAN)相機(jī)在包頭靶標(biāo)場的一級標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，以2019年11月2日靶標(biāo)圖像為例，其示意如圖4所示?；谌羞叞袠?biāo)分別測試沿軌和垂軌兩方向MTF，結(jié)果見表6。

根據(jù)相機(jī)研制指標(biāo)中動態(tài)調(diào)制傳遞函數(shù)要求，該測試結(jié)果一方面可滿足相機(jī)動態(tài)調(diào)制傳遞函數(shù)指標(biāo)，說明相機(jī)當(dāng)前焦面位置處于良好的對焦?fàn)顟B(tài)。

圖4 2019年11月2日刃邊靶標(biāo)全色譜段圖像Fig.4 Edge target of pan image on November 2rd, 2019

表6 沿軌和垂軌方向MTF測試結(jié)果Table 6 Estimated MTF of cross-orbit and along orbit directions

4.2 信噪比(SNR)測試

SNR是表征相機(jī)系統(tǒng)輻射質(zhì)量的重要參數(shù)之一。SNR通常定義為圖像中的目標(biāo)信號與噪聲信號的比值。在復(fù)雜地物區(qū)域，難以可靠地區(qū)分圖像中的目標(biāo)信號與噪聲信號，因此本文中的信噪比測試均在均勻地物區(qū)域進(jìn)行。

結(jié)合相機(jī)指標(biāo)設(shè)計，一般在軌分別測試相機(jī)響應(yīng)低端和高端的SNR指標(biāo)，其中高端測試條件為(θ=70°、ρ=0.60)，主要是沙漠等高反射率均勻地物，低端測試條件為(θ=30°、ρ=0.03)，主要是平靜較深的水面，包括內(nèi)陸湖面和深海海面等。在高端和低端地物中截取滿足計算條件的一塊均勻區(qū)域，計算該區(qū)域響應(yīng)值的均值和方差，并將均值和方差之比作為信噪比。

(8)

(9)

式中：SNR為圖像信噪比，M為測試樣本圖像灰度均值，m、n分別為樣本圖像的行、列像素數(shù)，v(i,j)為某像元灰度DN值。選擇資源一號02D衛(wèi)星可見近紅外相機(jī)于2020年5—7月對沙漠、深海和內(nèi)陸湖進(jìn)行信噪比測試，結(jié)果見表7。

表7 SNR測試結(jié)果Table 7 Testing results of SNR

經(jīng)與可見近紅外相機(jī)設(shè)計指標(biāo)相對比(高端信噪比>48 dB，低端信噪比>30 dB)，測試結(jié)果滿足指標(biāo)設(shè)計要求，圖像輻射質(zhì)量高，相機(jī)完成焦面調(diào)整和成像參數(shù)調(diào)整后成像性能處于良好的狀態(tài)。

5 結(jié)束語

在軌調(diào)試是保障空間遙感相機(jī)在軌成像質(zhì)量的重要途徑，合適的調(diào)試策略和可靠的調(diào)試評價方法決定了相機(jī)在軌后調(diào)整到最佳成像狀態(tài)的時間效率和精度，而在軌圖像質(zhì)量指標(biāo)測試和評價是對在軌調(diào)試的重要檢驗途徑。本文針對資源一號02D衛(wèi)星可見近紅外相機(jī)研究了快速高精度在軌調(diào)試方法，包括調(diào)焦策略與評價算法，成像參數(shù)預(yù)估方法。在完成在軌調(diào)試的基礎(chǔ)上，選擇MTF、SNR這兩個具有代表性的圖像質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行了測試，結(jié)果顯示：本文提出的調(diào)焦策略和調(diào)焦評價方法精準(zhǔn)快速地完成了最佳焦面定位，成像參數(shù)預(yù)估方法得到了最佳成像參數(shù)組合(積分級數(shù)和增益)，MTF、SNR指標(biāo)參數(shù)均滿足相機(jī)設(shè)計要求，相機(jī)成像性能得到了充分保障。