衛(wèi)星平臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)高分辨率光學(xué)遙感成像系統(tǒng)影響分析

范斌，于起峰

1.國(guó)防科技大學(xué)， 長(zhǎng)沙 410073 2.北京空間機(jī)電研究所，北京100094

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衛(wèi)星平臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)高分辨率光學(xué)遙感成像系統(tǒng)影響分析

范斌1,2，*，于起峰1

1.國(guó)防科技大學(xué)， 長(zhǎng)沙 410073 2.北京空間機(jī)電研究所，北京100094

在高分辨率光學(xué)遙感成像過(guò)程中，衛(wèi)星平臺(tái)的不穩(wěn)定性將影響相機(jī)成像質(zhì)量。針對(duì)該問(wèn)題，在分析動(dòng)態(tài)降質(zhì)機(jī)理的基礎(chǔ)上分別就面陣凝視模式、線陣推掃模式及時(shí)間延遲積分(Time Delay and Integration,TDI)推掃模式提出了相應(yīng)的動(dòng)態(tài)成像仿真模型，以此模擬不同情況下的退化結(jié)果。以高分辨率遙感相機(jī)為對(duì)象，開(kāi)展多種情況下的仿真試驗(yàn)分析。結(jié)果表明，同等平臺(tái)運(yùn)動(dòng)條件下，TDI推掃模式下的圖像質(zhì)量下降更明顯；分辨率越高，像質(zhì)對(duì)平臺(tái)振動(dòng)的響應(yīng)靈敏度越高。最后結(jié)合仿真模型及圖像評(píng)價(jià)參量，建立起空間分辨率與平臺(tái)顫振指標(biāo)之間的關(guān)系，給出不同空間分辨率下的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)誤差閾值，為平臺(tái)振動(dòng)抑制和補(bǔ)償提供約束條件。

平臺(tái)運(yùn)動(dòng)；光學(xué)成像；高分辨率；仿真模型；圖像質(zhì)量

星載光學(xué)遙感相機(jī)需要高精度穩(wěn)定的平臺(tái)支撐。成像期間的姿態(tài)穩(wěn)定性對(duì)于圖像質(zhì)量尤其關(guān)鍵。姿態(tài)擾動(dòng)將干擾像運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致所獲得的圖像模糊和幾何變形。對(duì)于高分辨率星載成像系統(tǒng)而言，這種擾動(dòng)對(duì)像質(zhì)的影響更為敏感[1]。姿態(tài)不穩(wěn)定導(dǎo)致成像質(zhì)量下降的原因是產(chǎn)生了振動(dòng)像移。

針對(duì)像移對(duì)時(shí)間延遲積分電荷耦合器件(Time Delay and Integration Charge Coupled Device,TDICCD)相機(jī)的影響，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了相應(yīng)的研究。文獻(xiàn)[2]建立了TDICCD相機(jī)推掃方向上不同電荷轉(zhuǎn)移時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)相數(shù)下的調(diào)制傳遞函數(shù)(Modulation Transfer Function,MTF)模型。文獻(xiàn)[3]分析了TDICCD行掃速率與運(yùn)動(dòng)像不同步時(shí)對(duì)相機(jī)質(zhì)量的影響。文獻(xiàn)[4-6]建立了像移影響下TDICCD相機(jī)空變降質(zhì)模型，給出了像移影響下的動(dòng)態(tài)MTF模型及計(jì)算方法。文獻(xiàn)[7]給出了TDICCD相機(jī)受運(yùn)動(dòng)影響后模糊圖像的仿真方法，文獻(xiàn)[8-10]給出了模糊圖像的復(fù)原方法。本文將基于像移像質(zhì)退化模型分析振動(dòng)像移對(duì)像質(zhì)的影響。

遙感成像仿真可以定量模擬各類要素對(duì)成像幾何、輻射質(zhì)量的影響，還可以驗(yàn)證某些模型、算法的正確性，因而是衛(wèi)星工程的重要一環(huán)[11]。盡管像移對(duì)成像質(zhì)量的影響在有關(guān)文獻(xiàn)中已有相關(guān)介紹，但是平臺(tái)振動(dòng)影響下的星載相機(jī)降質(zhì)可視化仿真與圖像評(píng)價(jià)卻鮮有研究。本文將就其開(kāi)展研究，建立星載光學(xué)相機(jī)動(dòng)態(tài)降質(zhì)仿真模型，基于成像仿真手段研究衛(wèi)星平臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)不同類型的遙感相機(jī)像質(zhì)的影響，建立起平臺(tái)顫振與光學(xué)成像相機(jī)圖像質(zhì)量之間的關(guān)系，為高分辨率光學(xué)遙感成像系統(tǒng)的顫振抑制提供參考。

1 振動(dòng)像移分類及降質(zhì)原理

從國(guó)外的理論建模和試驗(yàn)結(jié)果中可以看出衛(wèi)星姿態(tài)振動(dòng)的規(guī)律是高頻低振幅、低頻高振幅，頻譜范圍從軌道周期倒數(shù)到幾千赫茲[10-13]，傳遞到像面上引起像的振動(dòng)，也即振動(dòng)像移。像移是時(shí)間的函數(shù)，是平臺(tái)等的振動(dòng)在像面上的映射。像點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)形式包括線性運(yùn)動(dòng)、隨機(jī)運(yùn)動(dòng)和正弦運(yùn)動(dòng)。正弦運(yùn)動(dòng)按照振動(dòng)周期與積分時(shí)間的關(guān)系又分為高頻振動(dòng)和低頻振動(dòng)[6]。不同形式的振動(dòng)形式如圖1所示。

按照方向又分為像面方向上振動(dòng)以及沿光軸方向振動(dòng)。像面方向上的像移降質(zhì)的機(jī)理可參考文獻(xiàn)[4]，主要是由于點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)寬度及中心位置的變化導(dǎo)致圖像產(chǎn)生模糊與變形。光軸方向上的像移降質(zhì)可看作在不同時(shí)刻由于離焦產(chǎn)生點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)之和的平均。本文以像面方向上的像移為研究對(duì)象開(kāi)展。

2 仿真模型

星載高分辨率相機(jī)的成像模式有多種，典型的主要有推掃成像(TDI和線陣)及面陣凝視成像，如表1所示。針對(duì)推掃成像模式，為了保證信噪比，在分辨率較高的情況下，通常采用TDI模式。不同成像模式下的動(dòng)態(tài)降質(zhì)模型是不一致的，需要分別建立。

表1 高分辨衛(wèi)星典型代表

2.1 面陣凝視相機(jī)動(dòng)態(tài)成像仿真模型

凝視成像模式示意如圖2所示，在該模式下，1幀圖像是同時(shí)曝光的，不同位置的像點(diǎn)振動(dòng)函數(shù)一致。

(1)

式中：p為像元尺寸；R為陣列總行數(shù)；C為陣列總列數(shù)；r為陣列行號(hào)；c為陣列列號(hào)；T為行周期。

2.2 線陣推掃相機(jī)動(dòng)態(tài)成像仿真模型

線陣推掃成像時(shí)，不同行的圖像對(duì)應(yīng)的初始積分時(shí)刻不同，設(shè)定第一行的初始積分時(shí)刻為0，則第n行的初始積分時(shí)刻為(r-1)T，如圖3所示。因此，線陣推掃相機(jī)的動(dòng)態(tài)成像仿真模型為：

(2)

2.3 TDICCD動(dòng)態(tài)成像模型

僅分析像移對(duì)像質(zhì)的影響，因此這里忽略TDI方向上像元的感光尺寸。如圖4所示，淺色框代表單級(jí)積分時(shí)間單個(gè)像素掃過(guò)的面積，如無(wú)非正常的像移，每個(gè)像素運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)度與相鄰的像素之間的距離一致，這樣可以保證多級(jí)像素對(duì)同一區(qū)域進(jìn)行積分累積能量。而在非正常推掃情形下，探測(cè)器各級(jí)對(duì)應(yīng)的區(qū)域不一致，導(dǎo)致多級(jí)累加后產(chǎn)生圖像模糊。

設(shè)理想像速度(即電荷轉(zhuǎn)移速度)TDI方向上的不正常像移為T(mén)DI方向上的總像移ξx(t)=v[t-(L-2+n)T]+X(t)，包含正常像移和非正常像移，垂直TDI方向上僅為非正常像移，為ξy(t)=Y(t)。由推掃TDICCD相機(jī)的電荷累加原理及線陣CCD動(dòng)態(tài)降質(zhì)模型，得到TDICCD相機(jī)的動(dòng)態(tài)降質(zhì)模型：

(3)

式中：N為積分級(jí)數(shù)。

從上面可見(jiàn)，普通線陣CCD的模型與級(jí)數(shù)為1的TDICCD的模型相當(dāng)。

為了將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化成可仿真的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，采用數(shù)值積分的方法計(jì)算式(1)～(3)中的定積分，本文采用復(fù)合梯形公式開(kāi)展計(jì)算。

3 光學(xué)遙感成像仿真實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 仿真原始場(chǎng)景

仿真原始場(chǎng)景選用高分辨率遙感圖像及靶標(biāo)圖像，如圖5所示。

3.2 圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

圖像評(píng)價(jià)方法采用均方誤差MSE和結(jié)構(gòu)相似度SSIM兩種評(píng)價(jià)指標(biāo)[14-15]，SSIM可以反映亮度、對(duì)比度和結(jié)構(gòu)信息的差異，SSIM越接近1，代表兩幅圖像越接近。

3.3 像移計(jì)算

3.4 TDI行頻及積分時(shí)間計(jì)算

空間光學(xué)相機(jī)在軌成像過(guò)程中為獲得較高的圖像信噪比，需要保持一定時(shí)間的積分，尤其在弱光及低反射率的條件下。下面給出不同分辨率下為達(dá)到近似一致的信噪比所需的行周期與積分級(jí)數(shù)，作為仿真的輸入，如表3所示。

表2 不同分辨率下的像移幅值

表3 不同分辨率下行周期及積分級(jí)數(shù)

3.5 仿真試驗(yàn)

(1)不同振動(dòng)方向下的動(dòng)態(tài)降質(zhì)仿真

以TDI推掃相機(jī)為例，將表2中的1 m分辨率、1Hz低頻振動(dòng)參數(shù)作為輸入，為得到較好的目視效果，采用靶標(biāo)作為仿真源，仿真分析不同方向上的像點(diǎn)振動(dòng)對(duì)成像質(zhì)量的影響，如圖6所示。

從仿真結(jié)果可見(jiàn)，不同方向上的振動(dòng)對(duì)圖像質(zhì)量的影響是不同的，二者均產(chǎn)生了空間變化的圖像質(zhì)量下降。在幾何變形上，當(dāng)振動(dòng)發(fā)生在推掃方向，由于推掃方向上不同掃描行對(duì)應(yīng)的像移速度不一致，導(dǎo)致圖像在TDI方向上存在周期性的拉伸與收縮。當(dāng)振動(dòng)發(fā)生在垂直推掃方向上時(shí)，圖像產(chǎn)生空間周期性扭曲，具體扭曲的幅值、周期等的理論分析可參考文獻(xiàn)[4]。

(2)不同成像模式下的動(dòng)態(tài)降質(zhì)仿真

設(shè)定分辨率為1 m，以Landsat低頻(1 Hz)振動(dòng)數(shù)據(jù)為平臺(tái)振動(dòng)輸入，將振動(dòng)施加在x方向，仿真分析不同成像模式下的成像結(jié)果，并給出相應(yīng)的評(píng)價(jià)結(jié)果，如圖7所示。

從仿真結(jié)果可見(jiàn)，推掃成像相對(duì)凝視成像有了較大的圖像變形。對(duì)仿真結(jié)果的評(píng)價(jià)如表4所示。

表4 不同成像模式仿真評(píng)價(jià)結(jié)果

凝視成像下的SSIM比較接近1，說(shuō)明該圖的幾何變形很小。由于推掃成像下產(chǎn)生的幾何變形小，因此SSIM較低，MSE較大。說(shuō)明在同等的運(yùn)動(dòng)條件下，運(yùn)動(dòng)給TDICCD相機(jī)帶來(lái)的圖像質(zhì)量下降更明顯。

(3)不同TDI級(jí)數(shù)下的動(dòng)態(tài)降質(zhì)仿真

設(shè)定像移方向與推掃方向夾角45°，以表2中的2 m分辨率對(duì)應(yīng)的像移函數(shù)作為輸入，分析不同級(jí)數(shù)下的動(dòng)態(tài)降質(zhì)效果，為考察振動(dòng)對(duì)像質(zhì)的影響，不考慮噪聲，對(duì)仿真圖像進(jìn)行灰度拉伸，拉伸到同一動(dòng)態(tài)范圍下。仿真結(jié)果如圖8所示。

評(píng)價(jià)結(jié)果如表5所示。

表5 不同級(jí)數(shù)下的評(píng)價(jià)結(jié)果

由仿真及評(píng)價(jià)結(jié)果可見(jiàn)，隨著級(jí)數(shù)的增加，圖像的模糊程度增加，但是圖像的變形量隨級(jí)數(shù)的變化相對(duì)不明顯。

(4)不同分辨率下的動(dòng)態(tài)降質(zhì)仿真

以TDI推掃成像模式為例，像移輸入?yún)⒄毡?，仿真分析不同分辨率下的動(dòng)態(tài)降質(zhì)情況，如表6所示。

由此仿真結(jié)果可見(jiàn)，分辨率越高，圖像的降質(zhì)越明顯。主要原因是分辨率高，系統(tǒng)的焦距越長(zhǎng)，平臺(tái)振動(dòng)到像面的傳遞效應(yīng)越大。依據(jù)退化模型及圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)不同的分辨率提出相應(yīng)的抑制要求，得到結(jié)果如表7所示。

表6 不同分辨率下的動(dòng)態(tài)降質(zhì)仿真結(jié)果

表7 不同空間分辨率下的平臺(tái)振動(dòng)抑制要求

4 結(jié)束語(yǔ)

星載相機(jī)成像中受衛(wèi)星平臺(tái)振動(dòng)的影響導(dǎo)致像質(zhì)退化。本文分析了不同成像模式下的光學(xué)遙感系統(tǒng)在像移影響下的的像質(zhì)退化仿真模型，基于仿真分析的方法研究平臺(tái)振動(dòng)對(duì)像質(zhì)的影響。分析結(jié)果表明，平臺(tái)振動(dòng)對(duì)像質(zhì)的影響與成像模式、振動(dòng)方向、振動(dòng)形式、遙感器積分級(jí)數(shù)等參數(shù)以及分辨率等均有關(guān)，其中TDI推掃成像動(dòng)態(tài)退化模型為空間變化的，其像質(zhì)對(duì)平臺(tái)顫振的響應(yīng)靈敏度更高，且成像系統(tǒng)的分辨率越高，對(duì)平臺(tái)穩(wěn)定度的要求越高，因此未來(lái)發(fā)展甚高分辨率遙感系統(tǒng)的同時(shí)必須提升平臺(tái)的穩(wěn)定性。本文的研究既可以評(píng)估與預(yù)測(cè)星載光學(xué)相機(jī)的動(dòng)態(tài)像質(zhì)，同時(shí)為平臺(tái)振動(dòng)抑制提出要求，還可以為像移像質(zhì)退化圖像恢復(fù)奠定基礎(chǔ)。

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(編輯：高珍)

Simulation analysis of platform vibration on image quality of satellite-based high-resolution optical system

FAN Bin1,2，*，YU Qifeng1

1.NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,China2.BeijingInstituteofspaceMechanics&Electricity,Beijing100190,China

During the imaging progress of space based high-resolution camera, the image quality will be affected by instability of satellite platform. Aimed to this problem, mechanism of image quality degradation due to image motion was firstly analyzed and then different simulation models for staring, linear scanning and time delay and integration imaging modes were brought up to simulate images caused by image motion.The high-resolution remote sensor was then taken as the simulation example to analyze image quality under different conditions. The results show that more image degradation is brought by vibration for TDI imaging mode and image quality is more sensitive to platform vibration with higher resolution. At last，the relation between spatial resolution and platform vibration parameters was built and tolerances of vibration amplitude were given according to degradation model and image quality evaluation，which can provide references for parameters of stabilization devices．

platform vibration; optical imaging; high resolution; simulation model; image quality

10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0056

2016-10-25；

2017-02-10；錄用日期：2017-05-18；網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2017-05-31 10:48:33

http:∥kns.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20170531.1048.007.html

范斌，于起峰.衛(wèi)星平臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)高分辨率光學(xué)遙感成像系統(tǒng)影響分析[J].中國(guó)空間科學(xué)技術(shù),2017,37(3)：86-92.

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V445.8

A

http:∥zgkj.cast.cn

*通訊作者：范斌(1972-)，女，博士研究生，fanbin_bisme@163.com，研究方向?yàn)楣鈱W(xué)遙感系統(tǒng)總體