空間相機CCD像面拼接重疊像元數分析與計算

閆得杰，吳偉平，孫天宇

(中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，長春　130033)

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空間相機CCD像面拼接重疊像元數分析與計算

閆得杰，吳偉平，孫天宇

(中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，長春130033)

為了避免空間相機在側擺成像時多片CCD的拼接處出現縫隙，造成部分目標信息缺失且獲取的圖像無法正常拼接的問題，根據CCD推掃成像的工作原理和像移補償殘差對圖像出現縫隙的原理進行分析，通過采用重疊像元的方法克服了圖像縫隙的問題;根據實際工程需求對像面重疊像元數進行計算，對重疊像元數提出具體要求;根據實例計算得出，在96級積分級數下允許的偏流角誤差不大于12＇和偏流機構的偏差為1＇的前提下，像面拼接時相鄰兩片CCD之間的重疊像元數計算值應大于15，考慮誤差及安裝多重因素增加一定的余量，重疊像元數為40完全滿足地面覆蓋寬度10 km的要求。

空間相機；重疊像元；像面拼接；圖像縫隙

0　引言

隨著空間應用技術的發(fā)展，空間相機的應用也越來越廣泛。同時對空間相機的要求也越來越高。不僅對空間相機獲取信息的準確程度的要求越來越高，而且對獲取信息的實時性也越來越高。為了增加對地觀測能力，需要增加相機視場角。但相機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]。為了及時對所感興趣的目標進行觀測，快速有效獲得高質量圖像，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擺成像技術，即增加相機對星下點兩側照相的能力。對于軍用偵查相機，側擺照相技術更為重要[4-6]。采用側擺成像技術可以增加地面覆蓋寬度并可以提高重訪周期[7]。針對拼接的CCD像面采用側擺成像的方式就要解決隨之帶來的相關問題。對于飛行器來說，飛行器側擺即讓整個飛行器轉一個角度，由飛行器的姿態(tài)調整來實現。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。對于相機來說側擺成像時，地物與相機成像距離會隨著側擺發(fā)生變化，成像距離的變化不僅帶來圖像比例尺的改變，而且會造成相機焦平面上像移速度發(fā)生變化，使像移速度與TDICCD電荷轉移速度不匹配，惡化成像質量[8]。同時，由于側擺的存在，空間相機多片CCD的拼接處就會出現縫隙，由于縫隙的存在就會造成地面上某些目標的缺失，從而帶來了獲得的圖像數據無法正常拼接的問題，使獲得的目標信息不完整，影響空間相機的使用性能。因此對空間相機像面CCD拼接進行研究對于改善相機使用性是十分必要的。

在航天領域，目前采用多片CCD拼接及側擺成像方面，國內外都進行了大量的嘗試與探索，并把一些成果應用于工程實踐當中。對于在側擺成像時，采用多片CCD拼接成像會出現縫隙需要在拼接時重疊一定的像元數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償殘差對圖像出現縫隙的原理，采用重疊像元的方法克服了圖像縫隙的問題，并對滿足空間相機成像質量要求的像面重疊像元數進行分析與計算。

1　克服圖像出現縫隙的原理

線陣CCD推掃式相機的工作原理如圖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(在飛行器側擺時以增加地面覆蓋寬度)。如果相機光學系統(tǒng)的焦距為f、像元幾何尺寸為a，像面陣列的像元個數為N，可以得到地面覆蓋寬度的表達式：

(1)

每一個像元所覆蓋的地面寬度為相機的地面像元分辨率，其表達式為

(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任務要求事先已確定，相機焦距為相機固有參數，為了增加空間相機地面覆蓋寬度，相機像面由多片CCD拼接而成。在拍攝過程中，飛行器軌道運動、地球自轉和飛行器姿態(tài)變化會造成像點在焦平面上的相對運動，形成像移[9]。通常采用TDI-CCD時間延遲轉移速率和合成矢量速度值相等，并調整飛行器運動方向與相機實際成像方向之間的夾角即偏流角來補償像移。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　圖像出現縫隙原理分析圖

為了解決CCD積分方向與像的移動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量的像元，如圖3所示。需要重疊的像元數n=tanβ×BC/a，β為CCD積分方向與像的移動方向的夾角，BC精確值由CCD芯片尺寸及機械安裝尺寸確定。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

根據以上分析，要確定相鄰的兩片CCD在行方向上重疊像元數據，關鍵要確定β角，即CCD積分方向與像的移動方向的夾角。既要使相機滿足地面覆蓋寬度的要求，還要使像面上相鄰兩片CCD拼接處不出現縫隙，二者必須權衡考慮。

2　像元重疊數的計算

2.1β角的確定

計算CCD像元重疊數一定要先確定在成像過程中CCD積分方向與像的移動方向存在的夾角。這個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構補償的部分。在拍攝過程中，產生CCD積分方向與像的移動方向的不一致有以下兩方面：

1)由于偏流機構的約束：在一個時刻，像面只能按照一個角度值以及方向進行調整，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，因此在調整時只能以中心點位置的偏流角作為偏流機構的調整值，這將導致CCD拼接處像的移動方向與積分方向存在偏差(e1)。

2)偏流角的總誤差：根據調制傳遞函數下降值能滿足成像質量的要求，通過調制傳遞函數公式計算在使用的最高積分級數下允許的偏流角誤差(e2)。

像移匹配殘差而得出的調制傳遞函數值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的積分級數；VP為像移速度；ΔVP為像移速度殘差。

2.2像面上各點像元重疊數據計算

相機在側擺角最大，拍攝點位于赤道上時，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變化。因此選取像面上以下9個點O、A、B、C、D、E、F、G、H進行分析，O、A、B、C、D、E、F、G、H如圖4所示。

圖4　像面上所選取點位置示意圖

在圖4中，當側擺角最大為φ時，G點與O點偏流角差值最大，設需要重疊的最小像元數為x，在像面上以光軸中心為原點，O點和G點的坐標為(xO,0)和(xG,a×(k-x))，k為G點距離O點的像元數。將這兩個點的位置代入像移速度矢計算模型中，計算偏流角值，從而得到G點與O點的偏流角差值，即e1。

O點的偏流角值作為偏流機構的調整值，因此沿G點像移速度與所選取的8點所在列的積分方向的夾角都不大于e1+e2；如果沿這個方向正好有像元，則能得到以下等式：

tan(e1+e2)×(xG-xO)=x·a

(4)

另外還要考慮到CCD芯片在安裝時有一定的安裝誤差μ，因此需要對上式進行修正如下：

tan(e1+e2)×(xG-xO)+μ=x·a

(5)

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

3　實驗結果與分析

某相機像面由五塊TDICCD拼接而成，每片CCD的總像元數為4 096，通過TDICCD拼接使拍攝的行像元數大于20 000個，對應地面覆蓋寬度大于10 km。調制傳遞函數值下降5%對成像質量無本質影響，根據公式(3)計算得出在96級積分級數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。由于偏流機構的約束，側擺角最大為15°時像面上各點與中心偏流角最大誤差不超過1＇。根據測量獲得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。將以上數值代入公式(5)進行求解得出重疊像元數x=15.441 3。

像元重疊數應該為不小于x的整數，因此像元重疊數應大于15。

根據以上分析計算，在進行像面拼接時，相鄰兩片CCD之間的重疊像元數應大于15，在實際的設計中，考慮到偏流角誤差12＇有可能在相機工作過程中增大，在計算出的重疊像元數上加入一倍的余量；再考慮到結構的誤差在拍攝過程中有可能變化，再加入8個像元的余量，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為40。當選取CCD像元重疊數為40時，TDICCD 拼接后總的像元數為20 320，對應的地面覆蓋寬度為10.16 km，滿足拍攝的行像元數大于20 000，地面覆蓋寬度大于10 km的要求。

在軌道側擺14.66°時，相機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獲得的原始圖像數據，右圖為拼接后的圖像數據。圖像匹配結果為重疊像元數為25.58，與理論上計算基本一致。從而驗證了計算方法的正確性。

4　結論

選取偏流角誤差處于最大值時進行分析，且加入了CCD芯片安裝的最大誤差，計算出的重疊像元數是任意相鄰兩片CCD在拼接處像移速度與TDICCD列方向有最大的偏差時所需要重疊的像元個數為大于15。在實際設計中考慮CCD座之間的相互位置及用于固定CCD座的螺釘孔位的影響，則搭接時交錯的像元數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。通過實例分析，由于每片CCD總像元數為4 096，可以設定在40個像元，即占總像元數的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為20 320個，對應地面覆蓋寬度為10.16 km，滿足地面覆蓋寬度大于10 km的要求。對空間相機像面CCD拼接重疊像元數進行計算為空間相機像面機械拼接及相機整體能否滿足指標要求提供設計依據。

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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償、軟件設計等方向的研究。