“高分七號(hào)”衛(wèi)星雙線陣相機(jī)暗電流特性分析及校正

張斐然 董方 劉冰潔 李陽(yáng) 李春梅 董書(shū)莉

“高分七號(hào)”衛(wèi)星雙線陣相機(jī)暗電流特性分析及校正

張斐然 董方 劉冰潔 李陽(yáng) 李春梅 董書(shū)莉

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

暗電流的有效去除能夠提高相機(jī)動(dòng)態(tài)范圍，提高相機(jī)在低輻照條件下的成像能力。文章對(duì)“高分七號(hào)”衛(wèi)星雙線陣相機(jī)應(yīng)用的兩款CCD各譜段的暗電流及其噪聲特性進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上分別選取了不同的暗電流估計(jì)方法，給出了校正算法的數(shù)學(xué)模型，利用FPGA開(kāi)發(fā)工具對(duì)校正算法進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用中分析了影響校正效果的各種因素。使用標(biāo)定的暗電流估計(jì)系數(shù)進(jìn)行暗電流校正，結(jié)果顯示兩臺(tái)相機(jī)的暗電流均得到去除，選取的估計(jì)方法合理有效。

電荷耦合器件 暗電流噪聲 特性分析 校正算法“高分七號(hào)”衛(wèi)星

0 引言

CCD憑借其良好的光電轉(zhuǎn)換性能，廣泛應(yīng)用于空間軍事偵察、地球資源探測(cè)和測(cè)繪等領(lǐng)域[1]。在實(shí)際應(yīng)用中，由CCD引起的影響相機(jī)成像特性的因素很多，暗電流及其噪聲是其中的重要組成部分[2]。暗電流指CCD內(nèi)部少數(shù)載流子受熱激發(fā)產(chǎn)生的電流，它在無(wú)光照條件下也能產(chǎn)生，故稱(chēng)其為暗電流。在CCD的輸出圖像信息中，暗電流成分是多余且無(wú)用的信息，特別在低照度條件下，暗電流占CCD輸出信號(hào)很大比重時(shí)，相機(jī)成像品質(zhì)特別是信噪比會(huì)受到較大影響。暗電流的去除不僅能夠提高相機(jī)信噪比和動(dòng)態(tài)范圍，還能夠大大提高后續(xù)光電響應(yīng)不一致性校正的精度。目前廣泛應(yīng)用的抑制暗電流的方法有兩種[3-4]：1）降低CCD器件的工作溫度，據(jù)理論計(jì)算，CCD工作溫度每降低10℃，暗電流大小減半，在實(shí)際應(yīng)用中，這種方法能夠達(dá)到一定效果；2）利用某些CCD兩端提供的少量暗像元，在保證暗像元與有效像元成像條件相同的情況下，將有效像元采樣信號(hào)與暗像元采樣信號(hào)相減，達(dá)到消除暗電流的目的，兩種方法也可結(jié)合使用。雙線陣相機(jī)分系統(tǒng)是“高分七號(hào)”（GF-7）衛(wèi)星的重要有效載荷，對(duì)暗電流的校正提出了較高的要求。本文基于圖像數(shù)據(jù)對(duì)雙線陣相機(jī)分系統(tǒng)的前視、后視兩臺(tái)相機(jī)在不同階段和不同試驗(yàn)條件下的暗電流響應(yīng)特點(diǎn)及暗電流噪聲特性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)與分析，前視相機(jī)、后視相機(jī)全色譜段和后視相機(jī)多光譜譜段分屬有暗像元、無(wú)暗像元和暗像元不能反映實(shí)際暗電流三種不同情況，針對(duì)這三種情況，采用了兩種暗電流估計(jì)方法對(duì)暗電流進(jìn)行校正，解決了傳統(tǒng)方法校正精度不高及不適用的問(wèn)題。

1 暗電流的特點(diǎn)

從產(chǎn)生機(jī)理看，CCD的暗電流主要來(lái)源于三個(gè)區(qū)域[5]：Si-SiO2分界區(qū)域、勢(shì)阱中的耗盡區(qū)以及耗盡區(qū)以外的中性區(qū)域。在上述三個(gè)區(qū)域的暗電流中，中性區(qū)域暗電流很小，可以忽略不計(jì)，耗盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的暗電流是暗電流噪聲的主要來(lái)源，而分界區(qū)暗電流和耗盡區(qū)暗電流都與載流子濃度成正比，于是可以得到CCD暗電流的簡(jiǎn)化計(jì)算公式為[6]

式中D(e)為平均暗電流產(chǎn)生速率；為常數(shù)；為工作溫度；為玻爾茲曼常數(shù)；g為硅帶隙能量。由式（1）可見(jiàn)，暗電流的大小主要與溫度相關(guān)，隨著溫度的升高或降低，暗電流數(shù)值按指數(shù)規(guī)律增加或減小，因此抑制暗電流的有效措施之一便是對(duì)器件進(jìn)行制冷。

從暗電流噪聲分布特點(diǎn)看，CCD的暗電流噪聲包含兩部分[7]：一部分與平均暗電流水平相關(guān)，為暗電流散粒噪聲，與光子散粒噪聲類(lèi)似，服從泊松分布；另一部分由于加工工藝的原因，暗電流噪聲中存在隨像元變化的不一致性噪聲，這種不一致性是像元固有的特性，不具有隨機(jī)性。當(dāng)平均暗電流較小時(shí)，暗電流散粒噪聲占主要成份；當(dāng)暗電流增加時(shí)，暗電流不一致性噪聲占主要成份。暗電流散粒噪聲屬于隨機(jī)噪聲，不能完全去除；暗電流不一致性噪聲屬于固定圖形噪聲，可以去除。

2 暗電流的測(cè)量

GF-7衛(wèi)星雙線陣相機(jī)分系統(tǒng)的前視相機(jī)采用多片全色CCD器件拼接，后視相機(jī)采用多片全色/多光譜五譜段CCD器件拼接，包含一個(gè)全色譜段和四個(gè)多光譜譜段，均采用TDI工作模式，這兩款CCD的暗電流特性略有差別。另外，由于兩臺(tái)相機(jī)性能要求不完全一致，相關(guān)焦面組件本身在設(shè)計(jì)上存在一定差異，實(shí)際工況也有不同，導(dǎo)致兩臺(tái)相機(jī)的暗電流各有特點(diǎn)。成像電路加電工作后CCD溫度開(kāi)始上升，在剛加電時(shí)由于起始溫度較低，溫度上升較快，暗電流平均水平增長(zhǎng)較快；隨著CCD溫度的升高，產(chǎn)熱和散熱趨于平衡，暗電流平均水平的增長(zhǎng)逐漸放緩；待CCD溫度不再上升，暗電流平均水平會(huì)保持穩(wěn)定不變。一般在暗電流測(cè)試中，電路加電30~45min左右，CCD溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，通常從成像電路開(kāi)始加電至加電45min左右，循環(huán)采集不同成像參數(shù)下的暗電流進(jìn)行統(tǒng)計(jì)[8]。本文用上述方式對(duì)GF-7衛(wèi)星雙線陣相機(jī)成像電路電子學(xué)測(cè)試階段及相機(jī)實(shí)驗(yàn)室相對(duì)輻射定標(biāo)實(shí)驗(yàn)階段中的暗電流數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析。

2.1 平均暗電流測(cè)量結(jié)果

前視相機(jī)、后視相機(jī)全色譜段、后視相機(jī)多光譜譜段在成像電路電子學(xué)測(cè)試階段及相對(duì)輻射定標(biāo)階段的平均暗電流測(cè)量參數(shù)均設(shè)置為：增益6dB，量化位數(shù)14 bit。圖1~3分別為前視相機(jī)、后視相機(jī)全色譜段、后視相機(jī)多光譜譜段的平均暗電流測(cè)量結(jié)果。圖1~3中曲線為CCD完全遮光并分別工作在小TDI級(jí)數(shù)和大TDI級(jí)數(shù)情況下，單片CCD所有像元45min內(nèi)的平均暗電流變化，不同顏色的曲線代表等時(shí)間間隔所采集的平均暗電流水平，這些曲線的值也反映了CCD溫度的變化。

圖1 前視相機(jī)各階段各像元平均暗電流變化

成像電路電子學(xué)測(cè)試階段僅對(duì)CCD器件及焦面電路進(jìn)行簡(jiǎn)單散熱。從圖1（a）中可以看出平均暗電流曲線分布下疏上密，這說(shuō)明在實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)單散熱條件下平均暗電流水平的增長(zhǎng)呈現(xiàn)先快后慢的趨勢(shì)；另外，圖1中的“臺(tái)階”是不同抽頭的通道不一致性造成的，從中也可以看出各抽頭本身的平均暗電流水平有很大差異，但漲幅基本一致，這說(shuō)明CCD器件各部位的溫度是均勻的；對(duì)于不同TDI級(jí)數(shù)下的平均暗電流，隨級(jí)數(shù)變化的部分僅占1/4左右，不隨級(jí)數(shù)變化的部分主要來(lái)自于該款CCD器件的隔離行。相對(duì)輻射定標(biāo)階段相機(jī)整體狀態(tài)與設(shè)計(jì)在軌狀態(tài)一致，焦面及相關(guān)部組件均有良好的控溫措施。從圖1（b）可以看出，平均暗電流水平增長(zhǎng)速度較慢也較為均勻，但不同抽頭之間漲幅出現(xiàn)差異，這說(shuō)明在該測(cè)試階段控溫條件下，CCD器件各部位的溫度是有差異的。

圖2 后視相機(jī)全色譜段各階段像元平均暗電流變化

圖3 后視相機(jī)多光譜譜段各階段像元平均暗電流變化

與前視相機(jī)類(lèi)似，后視相機(jī)全色譜段在成像電路電子學(xué)測(cè)試階段平均暗電流水平增加較快。后視相機(jī)全色譜段與前視相機(jī)所應(yīng)用的CCD具有相同的像元尺寸，但由于后視相機(jī)焦面電路功耗大，導(dǎo)致后視相機(jī)溫度更高，平均暗電流水平也更高。但從圖2（b）中可以看出，在相對(duì)輻射定標(biāo)階段，該片CCD器件在45min工作時(shí)間內(nèi)一側(cè)暗電流增長(zhǎng)速度明顯快于另一側(cè)，從而可以反推出CCD工作時(shí)，其兩端溫度狀態(tài)并不一致，一方面是由于器件兩端本身散熱情況不同，另一方面有可能受熱控實(shí)施影響。

與圖2相比，圖3中可以看出后視相機(jī)多光譜譜段平均暗電流水平明顯大于全色譜段，這是由于多光譜譜段的像元尺寸比全色譜段更大。同樣，由于后視相機(jī)焦面功耗大，后視相機(jī)多光譜譜段在兩個(gè)階段的平均暗電流水平增長(zhǎng)都比較快。

圖4為前視相機(jī)、后視相機(jī)全色譜段、后視相機(jī)多光譜譜段在成像電路電子學(xué)測(cè)試階段及相對(duì)輻射定標(biāo)階段，相同時(shí)間內(nèi)小TDI級(jí)數(shù)和大TDI級(jí)數(shù)對(duì)應(yīng)的單片CCD圖像均值變化。

圖4 前、后視相機(jī)各階段暗電流均值變化

從圖像均值變化能夠更直觀看出暗電流平均水平整體情況。分別對(duì)比圖4中各階段暗電流均值的變化趨勢(shì)，可以看出：在成像電路電子學(xué)測(cè)試階段，由于沒(méi)有有效的控溫措施，暗電流平均水平增加明顯更快，并且在暗電流基本穩(wěn)定后，暗電流大小分別占輸出滿(mǎn)量程的5%、7%、34%，這很大程度上降低了相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍；相對(duì)輻射定標(biāo)階段相機(jī)整體與星上狀態(tài)一致，焦面及相關(guān)部組件均有良好的控溫措施，暗電流水平明顯偏低，暗電流大小分別占輸出滿(mǎn)量程的3%、6%、20%，說(shuō)明對(duì)器件的冷卻在一定程度上去除了部分暗電流噪聲。

2.2 暗電流噪聲測(cè)量結(jié)果

對(duì)于單一像元，其自身暗電流在同一條件下不同時(shí)刻的差異為暗電流散粒噪聲的結(jié)果，因此計(jì)算同一像元不同時(shí)刻暗電流的標(biāo)準(zhǔn)差，得到的即為暗電流散粒噪聲。而暗電流不一致噪聲表現(xiàn)為按空間分布的不同像元的差異，計(jì)算不一致性噪聲需要先在時(shí)間域?qū)γ總€(gè)像元足夠多的樣本進(jìn)行平均，去除散粒噪聲的影響，再計(jì)算像元序列的標(biāo)準(zhǔn)差，得到的結(jié)果即為暗電流不一致性噪聲[9-10]。兩臺(tái)相機(jī)不同譜段在各階段的暗電流噪聲情況如圖5所示。

圖5 前、后視相機(jī)各譜段暗電流噪聲變化

由圖5中的計(jì)算結(jié)果可知，隨著工作時(shí)間的推移，在電子學(xué)測(cè)試階段，暗電流散粒噪聲和暗電流不一致性噪聲都有一定增長(zhǎng)，而在相對(duì)輻射定標(biāo)階段，兩種噪聲均基本保持穩(wěn)定，由于暗電流大小反映CCD的工作溫度，圖中所示結(jié)果間接說(shuō)明兩種噪聲均會(huì)隨著溫度的升高而增大；另外，對(duì)比兩種噪聲的大小可知，暗電流噪聲的主要成分是散粒噪聲。

3 暗電流的校正

3.1 暗電流的估計(jì)

暗電流噪聲直流分量最簡(jiǎn)單的去除方法是通過(guò)在CCD像元陣列的起始處設(shè)置少量暗像元，對(duì)其輸出信號(hào)采樣存儲(chǔ)，并與后續(xù)有效像元的輸出信號(hào)采樣值相減的方法去除。但如果想要進(jìn)行更加準(zhǔn)確的校正，需要對(duì)每個(gè)像元分別進(jìn)行暗電流估計(jì)，得到每個(gè)像元的暗電流與平均暗電流的關(guān)系。每個(gè)像元實(shí)際的暗電流與平均暗電流滿(mǎn)足一次線性關(guān)系[11]，可以描述為：

針對(duì)雙線陣相機(jī)不同CCD以及不同譜段的器件特點(diǎn)，在進(jìn)行暗電流估計(jì)時(shí)，采用了兩種不同的方法：

3.2 暗電流校正

在獲得暗電流估計(jì)值后，將其從有效像元輸出值中去掉即可實(shí)現(xiàn)暗電流的校正。實(shí)際應(yīng)用中，需要考慮相機(jī)在不同成像參數(shù)下工作的具體情況進(jìn)行校正[14]。當(dāng)成像電路工作在不同積分時(shí)間，由于CCD工作在線性區(qū)，實(shí)際的暗電流與積分時(shí)間具有良好的線性關(guān)系[15]，式（2）可以適用于不同的積分時(shí)間；當(dāng)成像電路工作在不同TDI級(jí)數(shù)，實(shí)際曝光的是CCD像元陣列中的不同像元，它們具有不同的暗電流不一致性[16]，因此針對(duì)不同TDI級(jí)數(shù)需要分別標(biāo)定不同的暗電流估計(jì)系數(shù)k和b；當(dāng)成像電路工作在不同增益，基于AD轉(zhuǎn)換電路工作原理[17]，在式（2）中引用修正因子，該修正因子與AD轉(zhuǎn)換芯片增益相關(guān)，式（2）修正為

因此，暗電流可以按式（4）予以消除，

式中s和y分別為第個(gè)像元校正前和校正后的輸出。

由式（4）可知，在暗電流校正算法實(shí)施的過(guò)程中，會(huì)對(duì)所有圖像數(shù)據(jù)減去暗電流，這就使得校正后的圖像數(shù)據(jù)無(wú)法達(dá)到AD的滿(mǎn)量程，需要對(duì)校正后的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行灰度拉伸，將式（4）校正后的輸出再乘以一個(gè)數(shù)字增益系數(shù)d，得到最終的暗電流校正公式為

式中為AD轉(zhuǎn)換芯片的位數(shù)。

3.3 校正結(jié)果分析

利用FPGA實(shí)現(xiàn)暗電流校正時(shí)，受到硬件有限字長(zhǎng)的影響，會(huì)不可避免地引入量化誤差和舍入誤差[18]，從而影響到整個(gè)系統(tǒng)的信噪比，為了降低計(jì)算誤差對(duì)圖像信噪比的影響，各個(gè)數(shù)據(jù)的精度必需滿(mǎn)足給定的要求。另一方面，為了節(jié)約資源，暗電流校正的相關(guān)參數(shù)根據(jù)實(shí)際需求使用了不同的整數(shù)位長(zhǎng)及小數(shù)位長(zhǎng)[19]。

以前視相機(jī)全色譜段為例，校正前CCD的一個(gè)通道所有像元的暗電流平均響應(yīng)如圖6所示。圖6中不同顏色曲線代表成像電路加電后等時(shí)間間隔（3min）采集的平均暗電流，平均暗電流隨時(shí)間的變化可以視為不同溫度下平均暗電流的變化。

圖6 校正前暗電流平均響應(yīng)

表2 各時(shí)間間隔暗像元輸出均值及該抽頭各像元平均暗電流均值

Tab.2 The output mean value of the dark pixel and the average dark current mean of pixel at each time interval

表3 基于兩種方法進(jìn)行暗電流估計(jì)所標(biāo)定的前10個(gè)像元的暗電流估計(jì)系數(shù)

Tab.3 The dark current estimation coefficients of the first 10 calibrated pixels based on two methods

圖7 基于兩種暗電流估計(jì)方法的暗電流估計(jì)情況

圖8 基于兩種暗電流估計(jì)方法的暗電流校正理論結(jié)果

圖8中可以看出兩種方法均獲得了較好的理論校正結(jié)果，這說(shuō)明在同一溫度下，無(wú)論是基于暗像元還是基于暗電流平均水平，都能夠準(zhǔn)確地估計(jì)暗電流的大小，從而對(duì)暗電流進(jìn)行去除。表4給出了校正前后相關(guān)數(shù)據(jù)的對(duì)比。由于暗電流散粒噪聲的存在及無(wú)法去除，無(wú)論使用哪種暗電流估計(jì)方法獲得的暗電流估計(jì)值，依然與暗電流的實(shí)際值有一定差值，該差值均值為0，按像元隨機(jī)分布，各像元的暗電流理論校正結(jié)果有正有負(fù)，之所以稱(chēng)其為理論校正結(jié)果，是因?yàn)樵谟布行∮?的部分無(wú)法輸出[20]，在圖像數(shù)據(jù)中，這部分像元實(shí)際校正值為0。在應(yīng)用中對(duì)暗電流校正算法中暗電流估計(jì)系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，會(huì)按照相關(guān)技術(shù)文件對(duì)估計(jì)系數(shù)b進(jìn)行相應(yīng)處理，使得所有像元的暗電流校正結(jié)果均為正數(shù)，具體做法本文中不做詳細(xì)介紹。

表4 同一溫度下校正前后數(shù)據(jù)的對(duì)比

Tab.4 Comparison of data before and after correction at the same temperature

試驗(yàn)表明，基于兩種暗電流估計(jì)方法進(jìn)行的暗電流校正均能得到較高精度的校正結(jié)果。但這需要良好的溫度穩(wěn)定性，要求CCD在標(biāo)定暗電流估計(jì)系數(shù)時(shí)和實(shí)際工作時(shí)處在完全一致的溫度條件下，但實(shí)際工程中往往很難保證。由于溫度對(duì)暗像元和對(duì)有效像元影響基本一致，若無(wú)法精確控溫，基于暗像元的暗電流估計(jì)方法受到的影響相對(duì)較小，在CCD具有暗像元的條件下優(yōu)先使用此方法。并且，為保證校正精度，在標(biāo)定系數(shù)時(shí)，通常采集更大范圍溫度變化的圖像，使得實(shí)際在軌工作溫度的變化范圍盡可能包絡(luò)在此時(shí)采集的樣本圖像溫度變化范圍內(nèi)。但對(duì)于沒(méi)有暗像元或暗像元不能真實(shí)反映有效像元暗電流變化情況的CCD，只能采用基于暗電流平均值的暗電流估計(jì)方法。標(biāo)定系數(shù)時(shí)，如果CCD工作溫度與其實(shí)際在軌工作時(shí)的溫度相差較大，會(huì)使得暗電流的估計(jì)值與暗電流實(shí)際值相差較大，影響暗電流的校正效果。因此，若采用基于暗電流平均水平的暗電流估計(jì)方法，在進(jìn)行系數(shù)標(biāo)定時(shí)，應(yīng)盡量保證溫控條件滿(mǎn)足相機(jī)使用要求，并以低溫采集的圖像數(shù)據(jù)為主要樣本，結(jié)合溫度升高時(shí)暗電流的變化情況對(duì)系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定[21-22]，并需在不同溫度條件下對(duì)校正效果進(jìn)行充分驗(yàn)證。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于CCD圖像信息中包含暗電流信息和光電響應(yīng)信息，經(jīng)驗(yàn)表明溫度引起的CCD光電響應(yīng)不一致變化不大，但如果忽略溫度造成的暗電流變化（包括暗電流均值變化和暗電流不一致性變化）影響，對(duì)暗電流的去除不夠準(zhǔn)確，后續(xù)進(jìn)行光電響應(yīng)不一致校正也難以獲得更高精度[12]。本文主要對(duì)GF-7衛(wèi)星雙線陣相機(jī)分系統(tǒng)暗電流及噪聲特性進(jìn)行了分析，根據(jù)CCD器件的特點(diǎn)和測(cè)試結(jié)果分別采取兩種方式對(duì)暗電流進(jìn)行了估計(jì)與校正，結(jié)果表明校正效果較好，不僅使相機(jī)在低照度下的成像品質(zhì)得到改善，也使得后續(xù)光電響應(yīng)不一致性校正獲得了較高的精度。GF-7衛(wèi)星雙線陣相機(jī)中的校正算法也可以廣泛應(yīng)用于其它成像設(shè)備中，具有易實(shí)現(xiàn)、精度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效消除暗電流噪聲引起的圖像退化，提高成像系統(tǒng)的性能。

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Analysis and Correction of Dark Current for the Dual Line Array Camera of GF-7 Satellite

ZHANG Feiran DONG Fang LIU Bingjie LI Yang LI Chunmei DONG Shuli

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

Dark current is an important and elementary part in CCD output signal, which affects imaging characteristics obviously. Removal of dark current raises dynamic range of the camera and improves the imaging capability in lower irradiation conditions. Firstly, a correction algorithm is given after analyzing the characteristic of CCD dark current and its noise of the high resolution stereo mapping camera of GF-7 satellite. Then, the hardware module of the correction algorithm is developed using a FPGA design tool. Finally, the proposed correction algorithm is tested in hardware circuit and the factors affecting the result of correction are described. The experimental result shows that both the dark current noise of two cameras are removed remarkablyby dark current estimation coefficients calculated during the relative radiometric calibration, which improves the validity of the estimation methods.

charge coupled devices; dark current noise;characteristic analysis; correction algorithm; GF-7 satellite

TP751

A

1009-8518(2020)02-0096-12

10.3969/j.issn.1009-8518.2020.02.011

張斐然，女，1988年生，畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)光學(xué)工程專(zhuān)業(yè)，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)檫b感圖像處理與應(yīng)用。E-mail：8298813@qq.com。

2020-02-27

國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)工程

張斐然, 董方, 劉冰潔, 等. “高分七號(hào)”衛(wèi)星雙線陣相機(jī)暗電流特性分析及校正[J]. 航天返回與遙感, 2020, 41(2): 96-107.

ZHANG Feiran, DONG Fang, LIU Bingjie, et al. Analysis and Correction of Dark Current for the Dual Line Array Camera of GF-7 Satellite[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2020, 41(2): 96-107. (in Chinese)

（編輯：夏淑密）