梅強 曹學強 張博文 呂秋風 張澤敏

空間光學相機焦面拼接熱變形對圖像配準影響

梅強 曹學強 張博文 呂秋風 張澤敏

（北京空間機電研究所，北京 100094）

空間相機廣泛采用光學拼接方式擴大幅寬。拼接組件的熱變形對探測器圖像的配準造成影響。文章通過對空間光學相機拼接組件的光機熱分析和試驗，得出拼接組件熱穩(wěn)定性對光學拼接焦面圖像配準的影響，為空間相機的設計優(yōu)化提供了依據(jù)。文章選擇空間相機入軌初期的開始成像時刻和成像12min結束時刻兩個工況進行仿真分析和成像試驗，發(fā)現(xiàn)由于溫度分布的變化，拼接組件熱變形導致成像開始時刻不同探測器間圖像發(fā)生約3個像元的錯行誤差，并在成像結束時刻減小至約2個像元。試驗結果表明，拼接組件熱穩(wěn)定性對光學拼接焦面圖像配準有顯著影響，在空間相機的設計過程中應考慮該因素。

熱變形 圖像配準 光學拼接 航天遙感

0 引言

為了提高遙感衛(wèi)星一次成像的覆蓋范圍，縮短對同一區(qū)域的重訪周期，遙感衛(wèi)星不僅需要具備敏捷機動能力，作為有效載荷空間相機的幅寬也要滿足較高的要求，通常達到10km以上?？臻g相機焦面所需的探測器陣列長度也相應較長，遠超出單片探測器長度。因此，大多數(shù)空間相機的焦面是由多片探測器拼接而成的[1-2]。常見的拼接方法有機械拼接[3-4]、視場拼接[5]、光學拼接[6-7]等。不同的拼接方法各有特點，對拼接結構的設計要求也不同。

光學拼接是利用光學方法，將成像光學系統(tǒng)的視場分割到不同的空間位置，用多塊焦面接收；再通過圖像處理的方法把多塊焦面獲取的圖像進行拼接，從而等效為連續(xù)、完整的長線陣成像，達到擴大成像系統(tǒng)幅寬的目的[8]。光學拼接要求實現(xiàn)拼接功能的光路和結構設計應保證視場無縫，各探測器間幾何關系固定，同時結構形式簡單、可靠等，這其中涉及到拼接誤差分析[9]、拼接反射鏡分光方式的設計[10]、重疊像元數(shù)的計算[11]、拼接反射鏡參數(shù)設計與雜光分析[12-13]、拼接結構材料選擇、拼接設備和幾何關系檢測方法[14]、拼接結構溫度穩(wěn)定性控制[15-16]、拼接反射鏡熱變形對調(diào)制傳遞函數(shù)（Modulation Transfer Function，MTF）的影響[17-19]等光機熱多個學科的設計和分析要素的研究[20-22]。

某型高分辨率空間相機采用了全反射式分光的光學拼接方式。本文通過對拼接組件進行光機熱集成分析，得出在成像過程中不同探測器的圖像之間存在錯行配準誤差，并結合試驗結果進行了驗證，為熱控和結構設計的改進提供依據(jù)。

1 拼接組件及其熱變形分析

1.1 拼接組件的組成

某型高分辨率空間相機拼接組件如圖1所示。包括拼接基框、拼接鏡組件、3片CCD及其支架和電路。拼接鏡組件由拼接鏡1#、拼接鏡2#、拼接鏡3#和拼接鏡框組成，拼接鏡使用室溫硫化硅橡膠與鏡框粘接。3片CCD分別對應拼接鏡1#、拼接鏡2#和拼接鏡3#，其中拼接鏡1#和拼接鏡3#將入射光線折向上方，拼接鏡2#將入射光線折向下方，兩者在空間上相互垂直，從而相應的CCD及其電路可放置在兩個互相平行的安裝面上，結構設計和電路布局更加簡潔緊湊。

圖1 焦面拼接組件

通過拼接鏡分光，該空間相機的焦面實現(xiàn)了全反射的光學拼接，使得同一譜段的CCD在設計上共線，可以對地同時成像，保證對地成像時的幾何精度。

1.2 拼接組件熱分析

空間相機入軌后，受到空間環(huán)境和自身熱源的作用，光機結構各個部分的溫度時刻處在動態(tài)變化中。在初步熱控設計方案中，由于熱控資源以及拼接基框設計空間的限制，拼接基框上無主動熱控措施，只在拼接鏡框上布置有1個加熱回路。為獲取相機在軌工作時拼接組件的溫度場分布及其變化，選取相機壽命初期、外熱流極小、熱控系統(tǒng)工作狀態(tài)下相機焦面CCD器件開機成像和成像12min結束兩個時刻，分別作為熱分析工況1和工況2進行分析，分析過程如圖2～圖5所示。分析得出拼接組件的溫度分布，其中拼接基框、拼接鏡的最高溫度、最低溫度和平均溫度匯總見表1。分析結果表明，在CCD未開機成像時，拼接基框平均溫度約7.4℃，拼接鏡平均溫度約14.2℃；成像12min后，由于CCD器件工作散熱，拼接基框平均溫度顯著升高，至11.5℃，拼接鏡平均溫度則基本不變，約為14.4℃。兩個工況的溫度分布與相機裝調(diào)時的（20±1）℃的溫度環(huán)境相比均有一定差距。

圖2 工況1拼接基框溫度分布

圖3 工況1拼接鏡組件溫度分布

圖4 工況2拼接基框溫度分布

圖5 工況2拼接鏡組件溫度分布

表1 熱分析結果

Tab.1 Thermal analysis results

1.3 拼接組件熱變形分析

分析拼接組件熱變形對圖像配準的影響，需要獲取3片CCD和3個拼接鏡在兩個工況的溫度場載荷作用下各自的位移。根據(jù)幾何光學的原理，CCD和拼接鏡在不同方向的位移對圖像產(chǎn)生的影響也是不同的。其中對CCD而言，沿線陣方向的平移導致相鄰兩片CCD之間重疊像元數(shù)量的變化，沿積分方向的平移導致兩片CCD之間圖像發(fā)生錯行，沿像元平面法線方向的平移導致整片CCD離焦，繞線陣方向和繞積分方向的轉動分別導致CCD在相應方向的兩端發(fā)生不同方向的離焦，繞像元平面法線的轉動則導致斜推掃成像。對拼接鏡而言，由于拼接鏡是平面反射鏡，鏡面平面內(nèi)的小幅平移和轉動都對成像沒有影響，鏡面法線方向的平移和轉動則都導致焦面圖像發(fā)生沿積分方向的移動。

使用有限元分析軟件Hypermesh建立拼接組件的有限元模型，如圖6所示。將熱分析得到的溫度場數(shù)據(jù)映射到拼接組件的結構模型上，進行熱變形仿真。讀取仿真結果后，對每個CCD和拼接鏡分別設置局部坐標系，并選取CCD像元平面和拼接鏡反射平面的節(jié)點進行相應坐標系下的位移計算，結果見表 2。注意表中給出的位移是各元件相對其自身局部坐標系的位移。可以看到，由于結構對稱的特點，CCD 1#和CCD3#的位移基本相同。

表2 CCD與拼接鏡的位移

Tab.2 Displacements of CCDs and butting mirrors

1.4 像配準誤差分析

將上述位移帶入到光學系統(tǒng)模型中進行幾何光學分析，就能夠分別得到3片CCD上的總像移量，反映到推掃成像過程中即體現(xiàn)為相對于無偏差無離焦設計狀態(tài)的圖像滯后或超前，進而得出圖像之間的配準誤差。

1）在工況1條件下，CCD 1#和CCD 3#的圖像滯后14.1μm，離焦16μm，并且與CCD 2#的重疊區(qū)增加5.6μm；CCD 2#的圖像滯后53.1μm，離焦15.3μm。從而，CCD 2#的圖像滯后CCD 1#、CCD 3#的圖像約3.6個像元。

2）在工況2條件下，CCD 1#和CCD 3#的圖像滯后12.0μm，離焦13μm，并且與CCD 2#的重疊區(qū)增加4.6μm；CCD 2#的圖像滯后42.1μm，離焦12.3μm。從而，CCD 2#的圖像滯后CCD 1#、CCD 3#的圖像約2.6個像元。

3）兩個工況比較，反映工況2相比工況1，CCD 2#的圖像滯后減小了約1個像元。

4）兩種工況下CCD 1#和CCD 3#都發(fā)生了1″以內(nèi)的轉動，導致斜推掃。

5）工況1反映了空間相機從地面裝調(diào)環(huán)境到在軌空間環(huán)境的變化所引起的拼接組件變形和圖像配準誤差，CCD 2#相對于CCD 1#和CCD 3#的3.6個像元滯后可以作為系統(tǒng)誤差，通過圖像處理基本解決。工況2相比工況1而言，CCD 2#的圖像滯后減小了約1個像元，這反映出空間相機從成像開始到12min成像結束之間的過程中，圖像配準的誤差在不斷變化，成像起始時刻、成像時長等的不同都會改變誤差水平，這給圖像處理帶來顯著影響。

2 成像驗證試驗

針對仿真結果反映的圖像配準誤差問題，開展了空間相機成像驗證試驗。試驗系統(tǒng)如圖 7所示。將帶有橫條紋靶標置于轉動臺前方，轉臺轉動使靶標與空間相機產(chǎn)生相對運動。積分球發(fā)出的光照射在靶標上，并通過平行光管，最終成像在空間相機焦面。整個裝置放置在真空罐中，結合紅外籠共同模擬相機在軌工作的真空環(huán)境和外熱流變化，建立起相機壽命初期、外熱流極小、熱控系統(tǒng)工作狀態(tài)下相機開機成像到成像12min結束的物理過程。試驗過程中，通過調(diào)整空間相機與轉動臺的相對位置，保證CCD 2#與靶標直線平行，對比計算不同時刻CCD 1#及CCD 3#相對CCD 2#的位置，進而與仿真結果進行比較。

圖7 成像試驗系統(tǒng)

在外熱流達到工況1條件時開機成像，測得的圖像如圖8所示。左右兩部分分別為CCD 1#和CCD 2#的圖像，提取圖像DN值隨像元列號的變化曲線如圖9所示?？芍狢CD 2#滯后約3個像元。曲線同時反映出CCD 1#與CCD 2#的DN值峰值有較大差值，這與CCD之間輻射響應差異、系統(tǒng)透過率差異、拼接重疊區(qū)漸暈等因素有關，需要做相對輻射校正[23]，本文對此不做討論。

圖8 工況1試驗圖像

注：X為像元列號

在開機成像12min后達到工況2狀態(tài)，測得的圖像如圖10所示。左右兩部分分別為CCD 1#和CCD 2#的圖像，提取圖像DN值隨像元列號的變化曲線如圖11所示。可知CCD 2#滯后約2個像元。

圖10 工況2試驗圖像

注：X為像元列號

試驗結果的量級和變化趨勢與仿真分析結果完全吻合，驗證了分析的正確性，表明如果以該設計狀態(tài)入軌工作，則由于拼接組件的熱變形及其波動，光學拼接的3片探測器的圖像會發(fā)生約3個像元的錯行誤差，并且誤差量在成像時間達到12min時降低至約2個像元，呈現(xiàn)隨成像時間不斷變化的特征。由于誤差量的不穩(wěn)定，在圖像處理時無法將其作為系統(tǒng)誤差整體扣除，對圖像配準造成一定影響。

3 結束語

文章針對某型高分辨率空間相機的光學拼接方式，分析了拼接組件熱變形對圖像配準的影響。仿真分析和試驗結果共同反映出，拼接組件由于天地溫度不一致性以及成像過程的溫度變化而發(fā)生的熱變形，會導致光學拼接的探測器圖像出現(xiàn)數(shù)量不斷變化的錯行誤差。研究結果表明，空間相機設計以及圖像處理需要考慮這些因素。

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Analysis of the Effect of Butting Assembly Thermal Deformation on Image Registration

MEI Qiang CAO Xueqiang ZHANG Bowen LYU Qiufeng ZHANG Zemin

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

Optical butting is used to expand the coverage width of space cameras. The thermal deformation of the butting assembly affects image registration between different detectors. The purpose of this paper is to testify the influence of thermal stability of the butting assembly on image registration of the optical splicing focal plane, and provide a basis for the design optimization of the space camera. In this paper, two operating conditions are selected, i.e. the beginning time of the space camera imaging process in orbit and the end time after 12-minutes imaging. The test system is built to carry out the thermal vacuum imaging experiment. Due to changes in temperature distribution and thermal deformation of the butting assembly, the misalignment error of about 3 pixels between different detectors occurs at the beginning of imaging, and the error is reduced to about 2 pixels at the end of imaging. The research results show that the thermal stability of the butting assembly has important impacts on the image registration of the optical splicing focal plane, which should be considered in the design optimization of the space camera.

thermal deformation; image registration; optical butting; space remote sensing

TH754; V474.2+91

A

1009-8518(2021)05-0031-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2021.05.004

梅強，男，1983年生，2012年獲中國空間技術研究院光學工程碩士學位，高級工程師。研究方向為航天遙感器總體設計。E-mail：39624876@qq.com。

2021-05-22

國家重點研發(fā)計劃資助項目（2016YFB0500503）

梅強, 曹學強, 張博文, 等. 空間光學相機焦面拼接熱變形對圖像配準影響[J]. 航天返回與遙感, 2021, 42(5): 31-38.

MEI Qiang, CAO Xueqiang, ZHANG Bowen, et al. Analysis of the Effect of Butting Assembly Thermal Deformation on Image Registration[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2021, 42(5): 31-38. (in Chinese)

（編輯：龐冰）