偏流角误差对TDICCD相机成像的影响与仿真图文精.docx

偏流角误差对TDICCD相机成像的影响与仿真图文精.docx

《偏流角误差对TDICCD相机成像的影响与仿真图文精.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《偏流角误差对TDICCD相机成像的影响与仿真图文精.docx（15页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

偏流角误差对TDICCD相机成像的影响与仿真图文精

第35卷第11期光电工程Vol.35,No.112008年11月Opto-ElectronicEngineeringNov,2008文章编号：

1003-501X（200811-0045-06

偏流角误差对TDICCD相机

成像的影响与仿真

杨秀彬1,2，贺小军1,2，张刘1，徐开1,2，金光1

（1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春130033；

2.中国科学院研究生院，北京100039

摘要：

本文分析了TDICCD相机的偏流角调整过程和偏流角误差匹配的影响因素，依据偏流角误差导致的姿态稳定度偏差对相机成像质量的影响，建立推扫相机像点与物点一一对应的数学模型，根据TDICCD成像时超出对应像素的横向与纵向偏移量的累加计算，仿真卫星姿态稳定度改变时相机的成像；同时，利用单轴气浮转台和面阵CCD进行成像实验，将实验条件的像移速度与仿真条件的像移速度匹配，并对面阵CCD成像进行偏移量的累加，模拟推扫CCD成像，最后利用图像对比度和互相关相似性测度分析仿真成像与实验成像质量。

仿真成像与实验成像在对比度和互相关相似性测度上相差为0.03左右，能较好满足地面卫星相机连调试验的图像仿真。

关键词：

TDICCD相机；偏流角；MTF；像移；像质

中图分类号：

V448.21文献标志码：

A

EffectandSimulationoftheDeviantAngleErroron

TDICCDCamerasImage

YANGXiu-bin1,2，HEXiao-jun1,2，ZHANGLiu1，XUKai1,2，JINGuang1

（1.ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China;2.GraduateSchoolofChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China

Abstract:

Theprocessofdeviantangleadjustmentandthefactorsofdeviantanglematchingerrorwereanalyzed.Then,themathematicalmodelforcorrespondingrelationbetweenscanningcamerapixelsandthepointofscenerywasestablished.AccordingtocumulativeTDICCDimagingexceedingthecorrespondingpixelhorizontalandverticaloffset,cameraimagingwassimulatedwhenstabilityofsatelliteattitudechanged.Atthesametime,theuniaxialflotationturntableandplanearrayCCDwereusedtoimagingexperiment.TheexperimentimagingspeedshouldmatchsimulationimagingspeedandtheoffsetofplanearrayCCDimagingwascumulatedtosimulateCCDpush-broomimage.Atlast,weusedimagecontrastandcross-correlationsimilarmeasuresimulationtoanalyzeexperimentalimagingquality.Simulationandexperimentalimagingarejustdifferenceonly0.03intheimagingcontrastandcross-correlationsimilarmeasure,whichcanmeettheneedsofexperiments.Themodelcanbefurtherusedforimagesimulationfortestingsatellitecameraontheground.

Keywords:

TDICCDcamera;deviantangle;MTF;imagemotion;imagequality

1引言

TDI（TimeDelayandIntegrationCCD器件最突出的特点是能够利用其多级光敏元对运动的同一个目标多次积分，它正常工作的基本前提是光生电荷包的转移与焦面上图像的运动保持同步，任何的误匹配都将

收稿日期：

2008-03-07；收到修改稿日期：

2008-05-09

基金项目：

863重点基金资助项目

作者简介：

杨秀彬（1982-，男（汉族，吉林白山人，博士研究生，主要研究工作卫星姿态动力学。

E-mail:

yangxiubin@

光电工程第35卷第11期

46导致图像模糊[1-2]。

但由于TDICCD相机在偏流角调整过程中存在像移速度方向的估值误差、卫星偏航姿态角控制误差、相机像面坐标系与相机坐标系在偏航方向的装调误差等，最终使TDICCD行转移速率和实际的地面目标在TDICCD靶面上的像的移动速度不同步，即产生偏流角误差，为更好研究成像条件改变时偏流角误差变化对图像成像的影响，为实际卫星相机测试系统做有力补充和替代方法，本文对偏流角误差导致TDICCD成像质量的下降进行了理论分析与模拟仿真。

2TDICCD相机扫描的数学模型

2.1TDICCD相机工作原理

TDICCD与景物间有相对运动，TDICCD的每行像素都在扫描成像，以第一行为例，在T1时刻，扫描景物的线1，积分时间结束后，TDICCD沿扫描方向向前运动一个像元的距离，此时，TDICCD的第二行开始对应扫描景物的线1，同时，第一行中曝光生成的电子电荷通过时钟的控制转移到第二行中，与第二行的曝光生成的电子电

荷相累加，……，以此类推，直到N级扫描结束（如图2所示，对景物线1的N次扫描累计的电子电荷在最后一次扫描结束后被转移到水平移位寄存器中输出[3-7]。

2.2偏流角的调整与偏流角误差

航天相机对星下点进行摄像时，除存在TDICCD推扫方向的像移速度，还因地球自转等因素，存在与TDICCD推扫方向垂直的横向像移，它与TDICCD推扫方向组成的角度，即偏流角。

计算TDICCD像移速度，需变换坐标系[8]，从地理坐标系变换到像面坐标系过程如图3所示。

其中，R为相对于地心的地球半径；H为被摄景物处飞船的轨道高度；h为被摄景物处的地物地形高度；i0为轨道倾角；f为相机镜头焦距，Ω为飞船轨道运动相对地心的角速率；γ0为在摄影时刻在轨道平面飞船到降交点或升交点之间所对应的中心角；000,,ϕθψ分别为飞船坐标系相对于轨道坐标系在摄影时刻的偏航、俯仰和

横滚姿态角。

ϕθψ

,分别为飞船坐标系相对于轨道坐标系的偏航、俯仰和横滚姿态角速度。

对p像面的像移矢量对时间t微分后，求出t=0的值，即可得到像面上各点的像移方程：

相机像面的

图1TDICCD工作方式

Fig.1TDICCDworkmode

Scanmode

图2TDICCD电荷积累过程

Fig.2

Processofchargeaccumulation

TDICCDscandirection

Geographic

coordinateframe

AlongG3move–（R+HAlongG2rotateγ0AlongG3rotatei0

Terrestrialcoordinateframe

AlongE2rotate-ωt

Inertialcoordinatesystem

Inertialcoordinatesystem

Imagecoordinatesystem

Orbit

coordinatesystem

Satellitecoordinatesystem

Satellitecoordinatesystem

Cameracoordinatesystem

AlongI3rotate–i0AlongI2rotateΩtAlongI3move（R+H

Reducef/（H-h

AlongC3move–f

AlongB3rotateψ=ψ0+ψt

AlongB2rotateθ=θ0+θt

AlongB1rotateϕ=ϕ0+ϕt

图3坐标变换过程图

Fig.3Processofcoordinatetransformations

P

⋅

⋅

⋅

2008年11月杨秀彬等：

偏流角误差对TDICCD相机成像的影响与仿真

47

前向像移速度vp1和相机像面的横向像移速度vp2，最终得到像移速度主向量值和偏流角：

2

P22P1Pvvv+=（1

/（arctanP1P2Pvv=β（2

由于偏流角的影响，存在与TDICCD推扫方向垂直的横向像移如图4（a，要对TDICCD平面进行调整。

旋转TDICCD平面使之与卫星运动速度方向成β角度，TDICCD运动如图4（b所示，vp1为相机运动速度，水平方向v为CCD阵面横向移动速度，vp为CCD推扫速度。

通过坐标变换，对偏流角的调整应满足：

垂直扫描方向的横向像移速度v=0m/s。

在偏流角调整过程中，由于像移速度方向的估值误差α1、卫星偏航姿态角控制误差α2、相机像面坐标系与相机坐标系在偏航方向的装调误差α3、相机坐标系与GNC坐标系在偏航方向的装调误差α4等，造成偏流角误差[9]。

偏流角误差（各误差总和：

4321ααααα+++=（3

根据各误差性质与分布和姿态稳定度与姿态角指向精度将姿态角度与姿态角速度代入vp1与vp2，求出像移速度方向的估值误差、卫星偏航姿态角控制误差，最后得出偏流角误差α。

如图4（c将各速度分解至坐标轴，求得实际TDICCD横向与纵向像移速度：

αββcossincos（2P1PPvvv′+′=（4αββsinsincos（p1P2Pvvvv+′−′=（5

2.3TDICCD相机像点与物点的对应模型

读取地面图像对应像素值TT（i，j，取T（i，j=TT（i，j/96为TDICCD每一级图像像素值，并设定TDI

CCD图像像素数组R（k，i，j，k=96代表TDICCD级数。

无误差存在时,TDICCD推扫图像，图像数组T（i，j与每一级像素数组R（i，j一一对应。

此时的横向与纵向的像移为

0=x（6；Aiy×=（7

但由于偏流角误差的存在，TDICCD扫描过程中横向与纵向速度不再匹配，如图5所示，存在超出对应像素的横向与纵向位移误差∆x、∆y，如图6所示。

tivx××=∆（8；Aitivy×−××=∆p（9

式中：

A是CCD单元格长度，i为CCD扫过的行数，t为行转移时间。

TDICCD推扫过程像素不再一一对应，而是每个像素单元格占在四个单元格中，由于图像的每个像元的灰度值对应着景物的光亮度，即像素值与光电荷数成正比，可将TDICCD收集电荷过程（TDICCD单元像素数值看作所占对应图像四个单元格各像素值的面积百分比，如图6所示。

1（1,（1（,1（1,1（1（1（,（,（yxjiTxyjiTyxjiTxyjiTjiR∆−∆−+∆−∆++∆∆−++∆−∆−=（10当姿态角与姿态角速度过大，会出现对应像素格超出多行多列的情况，算出对应行n列m，如图7所示，将像素值进行整合计算，最后对CCD96级像素积分求和，取出TDICCD96级像素。

+∆∆−−+++∆−∆−−+=yxmjniTxymjniTjiR1,1（1（1（,（,（

1（1,（1（,1（yxmjniTxymjniT∆−∆−−++∆−∆−++（11

图4偏流角调整图

Fig.4Deviantangleadjustment

error

（aExitdeviantangle（bDeviantangleadjust（cDeviantangleadjust

P1

vP2

vP

vvP2

光电工程第35卷第11期

483成像与分析

选取一幅大小512pixels×512pixels的高分辨力卫星图像作为假想景物图8，该图像为拍摄的某航空机场。

3.1图像分析方法

采用两种方法对图像进行比较分析。

1像移对应的传递函数[10]

推扫方向像移由不可补偿的像移和可补偿的像移组成．不可补偿的像移：

CCD像元在采集光信号过程中产生的像移。

这种像移是不可能补偿的，其MTF为

64.0π

sin（πN

N==dVdVM推扫

（12

式中：

d像元宽度，VN为Nyquist频率。

可补偿的像移：

由于相机本身的焦距误差等因素导致的TDICCD行转移速率和实际的地面目标在TDI

CCD靶面上的像的移动速度不同步造成的像移，它产生MTF的匹配残余误差为式（13。

为对比图像需要，式中取特征频率VC=VN；TDICCD级次M=96；∆vP/vP为CCD像移匹配的速度残余误差，M匹配为沿推扫方向的MTF。

纵向像移产生的在扫描方向上的MTF如式（14。

P

PNCP

PNC2

2π（sinvVM

vvVVMM∆=匹配（13；匹配推扫纵向像移MMM×=（14

横向像移产生的MTF在和扫描垂直方向上的，由横向匹配的残余像移产生的MTF值为

dVM

d

d

VVMM∆∆=NCNC

22π（sin横向像移（15

式中：

∆d/d为横向方向上存在由于偏流角匹配误差产生的横向匹配的残余误差。

2图像配准的互相关相似性测度

原始图像T（m,n和仿真图像R（m,n，Ri,j表示TDICCD推扫的图像对应像素，其中i,j表示对应像素的位置，M=512。

则其归一化互相关相似性测度为

∑∑∑∑∑∑======×=

MnM

nMnMnjiMnM

njinmTnmRnmTnmR11

2

11

2,11

],（[],（[]

（,（[ρ（16

3.2仿真图像分析

图5TDICCD推扫图像Fig.5TDICCDscanningpicture图6像元偏差

Fig.6Pixeldeviant

Correspondpixel

图7像元偏差m列n行

Fig.7Pixeldeviantmrowsandnlines

vpv

图8假设的景物图像

Fig.8Scenery

picture

2008年11月杨秀彬等：

偏流角误差对TDICCD相机成像的影响与仿真

49

图像模拟基于以下假定的基本数据：

轨道高度H为570km，相机焦距f为5m，单个TDICCD像元尺寸为8.75µm×8.75µm，

行转移时间t=0.00133s。

由于TDICCD成像质量主要是由姿态角速度变化引起，本文分析在固定姿态角度下姿态角速度变化引起的偏流角误差的TDICCD成像质量，表1为对应图像的成像分析，图9为随姿态角速度的增加，仿真TDICCD扫描所得图像。

4实验测试与分析

实验中利用单轴气浮转台做为卫星平台，单轴气浮转台具有高稳定性和高精度，能够很好的模拟卫星轨道空间微扰动环境，该单轴气浮转台稳定度可控制在0.001°/s，满足实验要求。

实验条件：

TDICCD：

行转移时间0.00133s，分辨力1m，高度570km，焦距5m，像元尺寸8.75µm；面阵CCD：

一次照相时间1/40=250ms，分辨力0.0525m，物距3m，焦距0.05m，像元尺寸0.875mm。

实验方法：

1利用面阵CCD模拟TDICCD成像。

根据实验像移速度与仿真像移速度匹配原则，要求仿真与实验相面的横向与纵向推移速度一致：

faHGSD/=（17

2

2

11tan（tan（GSDtBHGSDtHθθ=

（18式中：

θ

为相机的姿态稳定度GSD为地面像元分辨力，B为姿态稳定度匹配倍数，a为CCD像元尺寸，f为光学系统焦距，H1为轨道高度，H2为物距。

考虑气浮平台能够提供的转动速度，取面阵CCD照相时间

t=250ms，姿态角速度为0.001°/s、0.005°/s、0.01°/s、0.05°/s、0.1°/s、0.5°/s时，比例关系为B为9993.6、9845.7、9429.6、5229.4、3083倍，对应的实验单轴气浮转台转速为9.99°/s、49.2°/s、94.3°/s、261.5°/s、308.3°/s、349.5°/s，试验与理论摄相的图像效果一致。

2对面阵CCD相机的处理：

根据TDICCD成像像移累加过程，TDICCD行转移时间在250ms内转移频次为1881033.1/1025033=××−−次，将面阵CCD在250ms内形成的两幅相邻的图像按像移等分比例分为188份图片，依此方法，得出512张图片，再对512张图片的每行进行偏移量累加成像得到图10，对成像质量进行分析得到表2。

通过对比实验的成像图10和模拟仿真的成像图9，分析表2和分析表1数据得到仿真成像与实验成像在图像的互相关相似性测度和横向像移的成像光学传递函数上相差为0.03左右，说明仿真能够较好的符合姿态稳定度变化时的卫星相机成像。

50光电工程第35卷第11期0.001°/s0.005°/ss0.001°/s0.005°/s0.01°/s0.05°/s0.01°/s0.05°/s0.1°/s0.5°/s0.1°/s0.5°/s图9姿态角速度为0.001°/s、0.005°/s、0.01°/s、图10气浮转台姿态稳定度变化时的实验成像Fig.10PicturesformatstabilityofflotationTurntableattitudeof0.001°/s、0.005°/s、0.01°/s、0.05°/s、0.1°/s、0.5°/s0.05°/s、0.1°/s、0.5°/s时仿真成像Fig.9Picturesformatstabilityofsatelliteattitudeof0.001°/s、0.005°/s、0.01°/s、0.05°/s、0.1°/s、0.5°/s5结论对仿真所得图9和表1所列数据分析如下：

1由于偏流角误差的影响，使TDICCD扫描图像存在推扫方向上的像移速度，引起的TDICCD推扫方向的电荷转移速度与像移速度不同步；另外存在与推扫方向垂直的横向像移速度，使各像点收集的电荷混淆，从而使图像发生混淆现象；2在偏流角误差中的系统误差一定情况下，偏流角误差中的姿态稳定度误差为影响相机成像的主要因素，随着姿态角速度的增加，图像的各对比度与互相关相似性测度急速下降；3随着姿态角速度的变化，引起姿态角度的明显变化，如图9姿态稳定度为0.5°/s时，图像偏移明显，经计算该图像此时横向像移移动20多个单元格，直接导致指向精度降低。

结果表明：

卫星姿态稳定度对偏流角和TDICCD相机的成像质量影响很大，要调整偏流角保证成像质量必须相应的提高卫星姿态的稳定度。

本文根据TDI线扫相机的工作原理，模拟航天相机运动过程中偏流角误差对成像质量的影响，通过分析偏流角的调整过程和偏流角匹配误差的影响因素，建立扫描相机像点与物点对应关系的数学模型，最后通过计算机仿真，模拟随姿态角速度变化的偏流角误差影响的图像，利用相关对比度和互相关相似性测度，研究姿态稳定度改变时对相机成像的影响，利用实验方法测试仿真，结果表明仿真能够较好与实验符合。

该模型可进一步用于地面卫星相机连调试验的图像仿真。

参考文献：

[1]梅遂生.光电子技术[M].北京：

国防工业出版社，2000.MEISui-sheng.PhotoelectronTechnique[M].Beijing：

NationalDefenceIndustryPress，2000.[2]WASHKURAKWD.Highspeed,lownoise,fineresolutionTDICCDimagers[J].SPIE，1990，1242：

252-263.[3]杨秉新.TDICCD在航天遥感器中的应用[J].航天返回与遥感，1997，18（3：

15-18.YANGBing-xin.ApplicationofTDICCDinspaceimagesensor[J].SpacecraftRecovery&RemoteSensing，1997，18（3：

15-18.[4]HolstGC.CCDArrays,Cameras,andDisplays：

2nded[M].USA：

JCDPublishing,Willmann-Bell，1998.（下转第56页

56光电工程第35卷第11期结果的平均值如表3、表4所示。

α将εfβ，εα（x′,y′,Rfα（x′,y′和Rp（x′,y′的值代入式（11中，在积分平面Sα内，利用面积区域求和近似f代替面积积分进行数值计算，当εfβ=0.993时，ε=1.2%；当εfβ=1.000时，ε=0.5%。

由此可知两种照射方法定标结果的相对偏差ε小于1.2%。

6结论以辐射度学为理论基础，推导出了发散光和平行光两种照射方法标定的空间紫外遥感仪器光谱辐照度响应度的结果表达式，分析了影响两种照射方法定标结果的因素。

通过相关的测试实验，数值估算了采用发散光照射方法为仪器进行辐照度定标时所引入的定标方法误差。

计算结果表明，在假设平行光辐照度值均匀及发散光源为朗