扫描线校正器校正量的实验室测试方法

李岩 马越

（北京空间机电研究所，北京 100094）

0 引言

Landsat-7携带的星载专题制图仪（Enhanced Thematic Mapper Plus, ETM+），自发射后受到了各国用户的普遍重视和欢迎；CBERS卫星也称“资源一号”卫星，是中国和巴西合作开发的第1代传输型资源遥感卫星，红外多光谱扫描仪（Infrared Multi-spectral Scanner, IRMSS）是其重要的有效载荷，通过扫描系统摆扫实现宽幅成像。扫描线校正器（Scan Line Corrector, SLC）是ETM+和IRMSS主体的关键组成部分，是成像光路中的精密光学活动部件。其功能是通过SLC校正组件的特殊规律运动，将扫描镜的正反扫描条带由相互间成“之”字形校正成相互间平行并与卫星飞行方向垂直的扫描带条[1-3]。

SLC的工作原理如下:为抵消卫星飞行运动造成的扫描线条倾斜，设计双平行反射镜组转动，与扫描同步，在每次进入扫描线性段时朝同一方向校正，从而实现扫描条带和飞行方向的垂直，消除原有的“之”字形，通过合理设计实现不漏扫和小重叠。对应地面实现光轴向飞行反方向平移。校正量随扫描角度成线性增大，在扫描线性段末端达到最大校正量[4-6]。如果实际校正量小于设计值则出现欠校正，“之”字形仍存在、斜率小，在线性段起点和末端都会出现交替的漏扫和重叠；反之，若实际校正量大于设计值则出现过校正，“之”字形也存在、斜率大，在线性段起点和末端仍会出现交替的漏扫和重叠[7-9]。

为了验证 SLC的校正量是否满足设计值，使得正反扫的线性起点和末端不会出现交替的漏扫和重叠，一般情况下需要通过外景成像试验实测，但是外景成像试验成本高、周期长，对环境的要求也较高。本文将研究在实验室环境下测试扫描线校正器的校正量，通过使用特定的靶标，以正、反扫校正量差值为中间量，通过建立合理的匹配函数计算出SLC校正量曲线的线性起始点，从而推导得出SLC在不同扫描视场的校正量。

1 测试方法

1.1 SLC测试方法

假设某遥感相机为采用16像元并扫的摆动式扫描成像系统，扫描镜采用正向（正扫）和反向（反扫）行程都作为有效扫描运动，使用SLC消除双向摆动扫描重叠和漏扫，如图1所示。

图1 有无SLC补偿对比Fig.1 The scan line with/without SLC

此相机每条扫描条带的扫描视场为3 500像元，其中3 000像元的线性成像段为有效成像段，500像元为非线性非成像的回程段，SLC在扫描条带两端的最大有效校正量为7个像元。SLC的正反扫校正量曲线如图2所示，图中红色为正扫成像时的SLC校正量曲线，蓝色为反扫成像时的SLC校正量曲线，线性段的起始点为视场0像元处。SLC的校正量测试需要确定以下2方面:1）线性段的起始点是否正确；2）线性段的校正量是否正确。[7,10]

图2 SLC校正量示意Fig.2 The SLC forward and opposite correction

在实验室测试SLC校正量较直接有效的方法为:由测试SLC工作时正、反扫的靶标位置与在SLC不工作时的靶标位置，计算SLC在各个视场的正、反扫校正量。使用这个方法的前提是保证SLC不工作时靶标图像在X轴上的位置不变。但在实际测试时由于SLC的双平行反射镜无法固定在同一位置，所以需要在去除这一前提的情况下研究SLC校正量的测试方法。

在实验室使用如图3所示的靶标，并定义如下坐标轴:X轴为沿着卫星飞行方向，如果SLC的校正量是沿X轴正向则为正；Y轴为沿着扫描方向，代表扫描视场的大小。Δx1(y)=x1(y)-x(y)为反扫校正量，Δx2(y)=x2(y)-x(y)为正扫校正量，其中:x为SLC不工作时靶标X轴上的位置；x1为SLC工作、反扫成像时靶标在X轴上的位置；x2为SLC工作、正扫成像时靶标在X轴上的位置；y∈[0, 3 000]，y0为线性段起始点，正确情况下y0=0。

正反扫校正量之差为

图3 实验室测试靶标示意Fig.3 The laboratory test target

由SLC的工作原理可知:x1(y)=x2(3000-y)，带入式（1）可得

由式（1）可知，正反扫校正量之差不需要测试SLC不工作时靶标在X轴上的位置；由式（2）可知，正反扫校正量之差最终为正扫校正量曲线的函数。图2所示的系统所对应的正反扫校正量差值曲线如图4所示。

1.2 线性段的起始点测试方法

由以上分析可以得到正反扫校正量差 Δl(y)，并且 Δl(y)为正扫校正量曲线x2(y)的函数。正扫成像时的标准校正量x'2(y)是已知的，可以计算出不同起始点的正反扫校正量之差Δl'(y-y0)。所以，可以通过建立 Δl(y)与 Δl'(y-y0)的匹配函数计算线性段的起始点y0[11,12]。

图4 SLC正反扫校正量差值曲线Fig.4 The D-value of the SLC forward and opposite correction

综上所述，线性段的起始点y0的测试方法如下:

1）由设计的正扫校正量标准曲线x'2(y)计算线性段不同起始点下的正反扫校正量差曲线，Δl'(y-y0)=x'2[3000-(y-y0)]-x'2(y-y0)，y0∈[0, 3 000]；

2）采集SLC工作时靶标在各个视场正反扫的图像；

3）计算各个视场正反扫校正量的差值，各个视场校正量差值的计算方法为:1）分别对同一杆靶标正、反扫的16像元在视场y处取一条直线分别记为f1(y)和f2(y)；2）计算f1(y)和f2(y)半功率点在X轴上的位置x2(y)、x2(y)；3）计算正反扫校正量之差Δl(y)=x2(y)-x1(y)；

4）计算曲线Δl(y)与不同线性段起始点曲线Δl'(y-y0)的互相关函数R(y0)[13,14]为

5）计算R(y0)曲线的最大点就是线性段的起始点y0。

1.3 线性段的校正量测试方法

通过上节测试，确认线性段的起始点y0正确（y0=0）时x2(y)+x1(y)=0，正反扫校正量曲线为

所以，线性段校正量的测试方法如下:

1）采集SLC工作时靶标在各个视场正反扫的图像；

2）计算各个视场正反扫校正量的差值Δl(y)；

3）计算正反扫成像时的校正量x1(y)= -Δl(y)/2,x2(y)=Δl(y)/2。

2 试验验证

按照上面的测试方法，在实验室使用如图3所示的靶标进行正反扫校正量差值测试，测试时的采集视场间隔为100像元，测试结果如图5所示。可以发现测试结果曲线不论是正反扫校正量差还是在其变化规律上都与设计的标准曲线差别较大。通过计算匹配函数得到正扫的线性段起始点为500像元，此时正反扫的校正量曲线如图6所示，两曲线相减后得到如图7所示的正反扫校正量差值曲线，与试验测试结果吻合。

图5 正反扫校正量差值测试曲线Fig.5 The Test D-value of the SLC forward and opposite correction

图6 正反扫校正量Fig.6 The SLC forward and opposite correction

通过上面的分析可以发现，SLC的线性段起始点不正确。整个视场的重叠漏扫量为

式中X11(y)、X21(y)为SLC工作正常时的正、反扫校正量；X12(y)、X22(y)为正、反扫校正量。整个视场的重叠漏扫量如图8所示。

图7 正反扫校正量差值曲线Fig.7 The D-value of the SLC forward and opposite correction

图8 各个视场的重叠漏扫量Fig.8 The leakage/overlap of different field

图9 不同视场的外景图像Fig.9 The image of various fields

为了验证实验室分析结果的正确性，进行了外景成像试验，不同视场的图像如图 9～10所示，选择外景成像目标大楼上相邻的2个窗户作为参考标准，通过实地测量及成像距离可以计算出该窗户在图像上的像元宽度，由分析不同视场的外景图像上该窗户成像的实际宽度，就可以得到在此视场的重叠漏扫情况，结果如下:

1）大约在视场0～500像元及2 500～3 000像元上有重叠漏扫；

2）越靠近视场两端重叠漏扫量越大，最大值（大约14个像元）出现在视场的两端，最小值出现在视场500像元和视场2 500像元处；

3）在视场500～2 500像元之间没有重叠漏扫。

上面的外景试验结果与实验室测试分析结果几乎完全吻合。

图10 不同视场的局部放大图Fig.10 The Enlargement of various fields

在实验室通过调整参数使得SLC的线性段起始点正确后，又对其进行试验测试，正反扫校正量差值结果如图11所示，此时正、反扫校正量与设计值相符。不同视场的外景图像如图12所示，通过对比原来视场两端的重叠漏扫已经去除，图像品质在各视场均相同[15]。

图11 实验室调整后测试结果Fig.11 The test D-value of the modified SLC forward and opposite correction

图12 不同视场的外景试验图Fig.12 The image of different field

3 结束语

为了测试扫描线校正器的校正量是否正确，传统的外景成像试验测试方法存在成本高、周期长、环境要求高等缺点，针对此问题本文研究了在实验室下基于靶标的测试方法。该方法通过实验室靶标测试计算得到正反扫校正量差值曲线，通过建立特定的匹配函数得到扫描线校正器校正量曲线线性段的起始点；在确认了线性段起始点正确的情况下，可以通过正反扫校正量差值曲线计算得到正反扫校正量曲线，从而得到SLC校正量。最终通过外景试验验证了此方法的正确性。

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