空间超大视场相机速度失配对成像质量的影响

董龙平，徐菲菲，黄小仙，尹达一



空间超大视场相机速度失配对成像质量的影响

董龙平1,2，徐菲菲1，黄小仙1，尹达一1

（1.中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083；2.中国科学院大学，北京 100049）

空间超大视场时间延迟积分电荷耦合器件（TDI-CCD）相机能在提高观测刈幅的同时有效提高相机灵敏度，然而在其遥感过程中，由于存在地球曲率，导致相机边缘视场地面分辨率退化严重。在分析空间超大视场相机成像的基础上，推导出空间超大视场相机在不同视场位置速度失配比和调制传递函数（MTF）的计算公式。并以某空间超大视场相机为例，分析了TDI-CCD探测器统一和分片调整行转移周期对成像质量的影响。分析实验结果表明，以MTF在空间奈奎斯特频率处下降不超过10%为约束条件，在TDI-CCD积分阶数为4阶时，当空间超大视场相机总视场不超过55°时，可以采用统一调整探测器行转移周期的方法进行像移补偿；当空间超大视场相机总视场达到120°时，采用分片调整行转移周期的方法可将满足要求的像元视场从47.8%提高到86.5%。

空间遥感；速度失配；超大视场相机；调制传递函数；TDI-CCD

0 引言

随着航天遥感器朝着超大视场（一般总视场角＞70°）和高分辨率观测方向发展，对时间延迟积分电荷耦合器件（TDI-CCD）相机的研究成为现代遥感技术发展的重要环节[1]。TDI-CCD相机通过采用多级累加的成像方式来延长探测器的等效积分时间，在保证系统信噪比的同时，可以有效降低相机镜头的相对孔径，从而可以减小整个成像系统的体积和成本[2]。在遥感卫星相对于地面高度一定时，增大相机的空间视场角可以有效增加其地面覆盖范围。空间超大视场相机可以在不损失相机空间分辨率的情况下提高对目标的快速搜索能力[3]。

对于空间超大视场TDI-CCD相机在轨成像时，像面上各像点像速差异较大。产生像移的原因很多，最主要的原因是卫星的运动，其次是卫星姿态的变化、地球自转等[4]。像移导致像元光生电荷包或电压的转移速度与像的转移速度不匹配，从而导致相机输出图像的模糊[5]。

对于成像视场较小的空间相机，可以采用基于星下点的像移计算模型[6]，即采用探测器中心视场像移速度代替其他视场像移速度来进行全视场像移补偿[7-8]。而对于超大视场TDI-CCD成像相机，边缘视场的像移速度与中心视场的像移速度相差较大，在这种情况下如果仍然采用探测器中心视场像移速度来进行像移补偿，就会使得边缘视场像移匹配残差过大，最终导致成像质量下降。

林明汉等[9-10]就空间大视场成像相机的边缘视场畸变做了研究，王翀等[11-12]就空间TDI大视场相机侧摆成像导致的边缘视场速度失配做了相关的研究，总的来说所研究的视场都较小，都不考虑超大视场在TDI情况下的影响。本文首先分析并建立空间超大视场相机的速度失配模型，在此基础上分别就统一和分片调整探测器的行转移周期两种模式对图像调制传递函数（MTF）的影响做了详细的计算分析，最终得到空间超大视场相机最佳工作模式下的参数。

1 空间超大视场TDI-CCD相机速度失配模型

根据图1、图2计算得到空间超大视场相机边缘视场穿轨方向像元分辨率为：

图2 边缘视场像元分辨率计算示意图

空间超大视场相机边缘视场沿轨方向像元分辨率为：

图2中，点为空间大视场相机偏离星下点处的地物点，在点相机成像时探测器电荷读出速度为，像移速度为v，速度失配量为D。

D＝－v(3)

空间超大视场TDI-CCD相机探测器行转移周期为，则探测器的电荷读出速度为：

卫星运动周期为T，则点的像移速度为：

图3 像元速度失配度计算模型

由上述分析得到像元速度失配度为：

2 调整行转移周期对成像质量的影响

相机的MTF是评价相机成像质量的重要参数，表征成像系统再现景物的能力[13]。对于阶积分的TDI相机来说由于速度失配导致的MTF下降公式可以表示为[14]：

式中：为相机空间采样频率即奈奎斯特频率，＝1/(2)；为探测器单个像元尺寸；为TDI积分阶数；D/为像元速度失配度。

以某一空间超大视场TDI-CCD相机为例，详细分析统一和分片调整探测器行转移周期对相机成像质量的影响。该空间超大视场TDI-CCD相机的参数如表1所示。

该空间超大视场TDI-CCD相机的探测器是由7片子探测器在一块基板上拼接而成。7片子探测器拼接结构以及各子探测器中心位置如图4所示。

图4中每片子探测器是相互独立的，因此可以单独设置每片子探测器的行转移周期。设置每片子探测器中心像元不失配时的行转移周期为该片子探测器的行转移周期。下文就统一和分片调整探测器行转移周期对空间超大视场TDI-CCD相机成像质量的影响做详细的分析。

2.1 统一调整探测器行转移周期对成像质量的影响

统一调整探测器行转移周期是将中心像元（图4中0位置）不失配时的行转移周期（＝80ms）作为整个探测器的行转移周期。图5(a)为空间超大视场TDI-CCD相机在统一调整行转移周期的情况下，1个行转移周期内像移距离S和沿轨方向像元分辨率随视场位置的变化曲线。图5(b)为空间超大视场TDI-CCD相机像元速度失配度随视场位置的变化曲线。由图5可知，在统一调整行转移周期时，一个行周期内像移距离基本不变，但沿轨方向的像元分辨率退化严重，从而导致像元速度失配度很大，并且探测器越远离星下点像元速度失配越严重。

在统一调整探测器行转移周期的成像模式下，由式(6)、(7)得统一调整探测器行转移周期像元速度失配对成像的影响为：

2.2 分片调整探测器行转移周期对成像质量的影响

由图4探测器结构可知，每片子探测器可以具有单独的行转移周期，即图4中每片子探测器中心像元（－3，－2，－1，0，＋1，＋2，＋3）不失配时的行转移周期作为该子探测器的行转移周期。图6(a)为空间超大视场TDI-CCD相机在分片调整行转移周期的情况下，一个行转移周期内像移距离S和沿轨方向像元分辨率随视场位置的变化曲线。图6(b)为分片调整时空间超大视场TDI-CCD相机像元速度失配度随视场位置的变化曲线。由图6可知，在分片调整行转移周期时，所有像元的像元速度失配度都在0.3以下，像元失配度较统一调整行转移周期时有较明显的改善。

表1 某空间超大视场TDI-CCD相机的参数

图4 空间超大视场TDI-CCD相机探测器结构示意图

图5 统一调整探测器行转移周期时像元的速度失配度

图6 分片调整探测器行转移周期时像元的速度失配度

表2为每片子探测器中心像元不失配情况下的行转移周期。由表可知越往边缘的子探测器其行转移周期增加越快。

在分片调整探测器行转移周期的成像模式下，由式(6)，(7)得分片调整探测器行转移周期时像元速度失配对成像的影响为：

表2 分片调整时每片子探测器的行转移周期

2.3 两种成像模式对MTF影响的比较

图7为统一和分片调整探测器行转移周期时像元速度失配对图像MTF的影响随视场位置的变化曲线。从图中可以看出分片调整探测器行转移周期后边缘子探测器的成像质量有了明显的改善，并且越往边缘的子探测器改善效果越是明显。在航天遥感中，认为对成像质量的影响MIF(Dv)下降不超过10%时，成像结果是在可接受的范围之内的。由图7可知，统一调整时MIF(Dv)下降不超过10%的视场角为55°，占总视场的47.8%，而采用分片调整时MIF(Dv)下降不超过10%的视场占总视场的86.5%。使4阶空间超大视场TDI-CCD相机可用视场范围得到大大提高，也使得空间超大视场TDI-CCD相机成像质量有所提高。

图7 统一和分片调整对图像MTF的影响

为了更具体地表征速度失配对图像MTF的影响，试探性的提出MTF熵的概念，定义MTF熵为所有像元的MTF之和。表3为统一和分片调整探测器行转移周期的图像MTF熵，表中显示分片调整行转移周期图像MTF熵比统一调整MTF熵提高35%，表明分片调整行转移周期时相机的综合成像质量较高。

3 结论

空间超大视场TDI-CCD相机遥感过程中由于地球存在曲率，使得相机边缘视场存在速度失配。本文推导了空间超大视场相机边缘视场速度失配度的计算公式，并就统一和分片调整探测器行转移周期这两种成像模式下，边缘视场的速度失配对空间超大视场

表3 统一和分片调整的MTF熵

TDI-CCD相机成像质量做出详细的分析。实验结果分析表明，以MTF在空间奈奎斯特频率处下降不超过10%为约束条件，在TDI-CCD积分阶数为4阶时，在空间超大视场相机总视场不超过55°的情况下，应采用统一调整探测器行转移周期的方法进行像移补偿；当空间超大视场相机总视场达到120°时，采用分片调整行转移周期的方法可将满足要求的像元视场从47.8%提高到86.5%，总视场图像MTF熵提高35%。当总视场超过120°时，在星上做TDI时将导致边缘视场成像质量严重下降，建议在数传速度允许的情况下，将图像数据传输到地面上进行TDI算法。

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The Influence on Image Quality by Speed Mismatch of Space Camera With Huge FOV

DONG Longping1,2，XU Feifei1，HUANG Xiaoxian1，YIN Dayi1

(1.,,200083,； 2.,100049,)

Space charge-coupled device time delay integration(TDI-CCD) camera with huge FOV can improve the observation swath and the camera sensitivity effectively. But during the imaging process of space camera with huge field of view, because of the curvature of the earth, the edge field resolution of camera reduced. It is derived that formula for calculating speed mismatch ratio and Modulation Transfer Function(MTF) of space camera with huge field of view in a different field position. The influence on TDI-CCD detector imaging quality by adjusting row transfer periods uniformly and separately in a camera with a space huge field of view is analyzed. The results of experiments and analysis suggest when the falling of MTF no more than 10% in spatial Nyquist frequency, the integration time is 4, adjusting row transfer periods uniformly can be used with the huge field no more than 55°for image motion compensation, when the total huge field reach 120°, the field of view pixels witch meet the requirements increase from 47.8% to 86.5% when adjusting row transfer periods separately.

spatial remote sensing，speed mismatch，huge FOV camera，MTF，TDI-CCD

V445.8

A

1001-8891(2016)09-0733-06

2016-01-27；

2016-04-11.

董龙平（1989-），男，安徽合肥人，硕士研究生，主要从事空间光电遥感技术方面研究。E-mail：dlp_sitp@163.com。

尹达一（1976-），男，河南开封人，博士，博士生导师，主要从事空间光电遥感技术等方面的研究。E-mail：yindayi@mail.sitp.ac.cn。

国家自然科学基金（40776100）。