遙感TDICCD相機側擺成像及定位精度優化

石俊霞，李佩玥，李洪法，郭永飛

（1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所 應用光學國家重點實驗室，吉林 長春 130033；）

1 引 言

隨著空間遙感技術的發展，遙感相機不僅分辨率不斷提高，成像范圍也在不斷擴大。現有的CCD器件尺寸已經不能滿足大焦面遙感相機的要求。目前都是采用多片TDICCD拼接技術來實現高分辨率和大視場的要求［1－4］。航天遙感相機的視場主要受限于光學系統大小，在光學系統一定的條件下，為了進一步擴大視場，要求遙感相機在側擺模式下進行工作［5－6］。側擺時，由于相機和地面有一定的傾斜角，使得相機可以觀測的范圍增大。在側擺成像模式下，相機曝光期間CCD電荷轉移和地面景物存在相對運動，調制傳遞函數會下降，導致圖像模糊［7］。為了解決這一問題，通常采用分段異速的方式，即各片CCD在各自的行頻下獨立工作［8］。由于各片CCD的行周期之間存在誤差，這樣，在一段時間內，累積的誤差就會導致由相機輸出的圖像中的時間信息和衛星時間產生較大的差異。此時會導致圖像定位產生較大的誤差。這里所謂的圖像定位是指由TDICCD相機輸出的圖像來確定對應地面的實際地理位置，而由圖像估算的目標點與實際地面位置的偏差稱為圖像定位誤差［9］。圖像定位誤差與衛星姿態、軌道及相機對衛星時間的跟蹤精度即相機守時均有關系［10］。目前對于圖像定位的研究多是針對衛星姿態及軌道所引入的定位誤差［11－12］，而對于相機守時引起圖像定位誤差研究的較少，本文針對相機守時引入的圖像誤差，結合實際工程研究，介紹了遙感TDICCD相機的組成及工作原理，著重分析了側擺成像模式下圖像定位存在的問題，提出一種提高圖像定位精度的方法，計算結果表明，提出的方案能滿足系統對于相機圖像定位精度的要求。

2 遙感TDICCD相機成像系統組成及工作原理

2.1 TDICCD相機工作模式

遙感TDICCD相機工作模式可分為星下點工作模式和側擺工作模式。側擺工作模式是指相機在星下點工作模式的基礎上傾斜一定的角度，該角度稱為側擺角。側擺工作時相機可獲得更大的視場。但是，在側擺工作模式下，為了保證拍攝圖像的清晰，各片CCD需采用不同的行周期。下面對星下點成像模式及側擺成像模式下的行周期進行計算。

記CCD像元尺寸為a，地面像元分辨率為GSD，相機焦距為f，軌道高度為H。

F為光學系統焦點，φ代表焦面任意一點P面任于視場中心點相對于焦點F所成的角度，像面速度vs，地面速度vg，則

星下點成像時成像幾何關系如圖1所示，CCD像面上的點ABCD對應地面景物A′B′C′D′，像面上任意一點P對應地面景物P′。

圖1 星下點成像幾何關系圖Fig.1 Geometry relation of normal imaging

星下點成像時，像面上各點像移速度一致，

設像面任意一點P對應地面P′，則P、P′滿足關系：

因此，星下點成像時

TDICCD相機側擺成像時，以向右側擺角度θ為例，成像幾何關系如圖2所示。同樣，CCD像面上的點ABCD 對應地面景物A′B′C′D′，像面上任意一點P對應地面景物P′。

圖2 側擺成像幾何關系圖Fig.2 Geometry relation of scolling imaging

側擺成像時，像面上各點的像移速度各不相同，根據三角關系有：

由式（9）可知，側擺成像時，行周期值既與側擺角度有關，也與焦面上像元位置有關。行周期值設置越精細，相機成像質量也越高，但同時相機設計也越復雜。在實際工程中，每個像元采用不同的行周期是不可實現的，對于拼接相機一般每片CCD采用單獨的行周期即可滿足系統對調制傳遞函數的要求［8］。

2.2 遙感TDICCD相機工作原理

圖3 遙感TDICCD相機組成框圖Fig.3 Structure of TDICCD remote sensing camera

本文以實際工程中TDICCD相機為例進行說明。該相機側擺工作時側擺角為－40°～＋40°。圖3所示為TDICCD相機組成框圖，TDICCD相機由相機本體和相機控制器組成，相機本體是TDICCD相機的核心部件，它由10個成像單元組成，10個成像單元組成完全一樣，每個成像單元包含一片TDICCD，10片TDICCD在焦平面進行首尾拼接。相機本體的工作由相機控制器進行控制的，相機控制器為相機本體提供復位信號、攝像控制信號，行同步信號以及相機的工作參數，而相機控制器產生的行同步信號由星務控制系統的秒脈沖進行校正，校正周期為500 ms。TDICCD相機是以行為單位成像，相機工作時，成像單元1－成像單元10在行周期信號的控制下進行CCD的積分以及圖像的輸出，TDICCD相機輸出的圖像經由數傳系統傳回地面。為了方便判讀每一行圖像的起始以及該行圖像成像時刻的工作參數，在輸出圖像數據的時候，同時輸出一些額外的數據，這些數據稱為圖像輔助數據，包括幀頭、成像單元通道號、圖像行號、衛星輔助數據、主控輔助數據以及工作參數（行周期參數、積分級數以及增益偏置參數等）等。衛星輔助數據主要用來標識當前工作過程的衛星工作狀態，主控輔助數據描述的開始攝像后，每個秒脈沖到來時相機控制器發出的行同步信號的個數，以及秒脈沖上升沿到來后的第1個行同步信號上升沿的時刻。其中行同步信號的個數對應輔助數據中的“秒脈沖時刻對應行計數”，秒脈沖上升沿到來后的第1個行同步信號上升沿的時刻對應“秒脈沖整秒時刻”以及“行同步相對秒脈沖延時計數”。數傳數據中的幀頭、成像單元通道號以及圖像行號是由成像單元生成，幀頭用于標識一行數據的開始，通道號用于識別不同的成像單元，圖像行號是用于標識當前輸出的圖像時開始攝像之后的第幾行。而衛星輔助數據、主控輔助數據和工作參數是由相機控制器經由485總線發送給成像單元的。在成像單元輸出數據時，由于工作參數更新頻率比較低，為了減少圖像輔助數據占用的字節數，將衛星輔助數據、主控輔助數據以及工作參數以16行為一個循環插入到圖像數據中。在獲得圖像數據后，可根據攝像時刻衛星時間和TDICCD相機輸出的輔助數據中的時間信息（主控輔助數據）來定位圖像所在的地理位置。因此，TDICCD相機的時間信息和衛星時間信息之間的差異至關重要，二者相差越小，圖像定位誤差越小。衛星時間與相機控制器時間的時間關聯就是衛星發送給相機的秒脈沖信號，相機控制器與成像單元之間的時間關聯是外行同步信號，相機控制器的外行同步信號的上升沿由秒脈沖進行校正。因此，成像單元的時間信息可由外行同步信號的上升沿作為參考。

3 TDICCD相機圖像定位的實現

由2.1的分析可知，各成像單元實際使用的行周期信號與工作模式相關。在星下點工作模式時，各成像單元的行周期均相同，直接采用控制器發出的行同步信號作為實際使用的行周期信號。當成像單元在側擺工作模式時，成像單元的行周期信號各不相同，此時，各成像單元采用自已產生的內部行同步信號作為實際使用的行周期信號。內部行同步信號由成像單元根據RS－485總線接收的行周期參數值生成。側擺工作模式下，每片CCD行周期并不相同，因此實際使用的行周期信號與控制器發出的外行同步信號之間是異步的。

3.1 星下點模式圖像定位的實現

在星下點工作模式下，相機實際使用的行周期信號就是控制器發出的行同步信號，因此每片CCD 的行周期信號的上升沿時刻就是相機控制器發出的行同步信號上升沿時刻。

相機工作過程中，相機控制器發出的行同步信號上升沿時刻每隔500ms由衛星的秒脈沖校正一次。在相機控制器中采用1M時鐘進行守時和校時。假設時鐘的穩定度為1×10－4，那么在500ms內任一行同步信號的上升沿時刻誤差不會超過Δtxxd＝500ms×1×10－4＝50μs。

星下點工作模式下的最小行周期為80μs。可以看出，在這種模式下，系統的時間誤差已經小于最小行周期，因此由其造成的地面定位誤差小于地面像元分辨率，可忽略不計。

此時，相機控制器發出的行同步信號上升沿時刻，可由數傳輔助數據中主控輔助數據以及行周期計算得出，計算方法如下：

假設相鄰兩包主控輔助數據第n包和第n＋1包主控輔助數據之間的行同步信號共有N＝An＋1－An個。第An行后任一行同步信號的上升沿時刻txxd計算公式為

式（10）中參數含義如表1所示。

表1 星下點模式行同步信號上升沿的時刻計算方法Tab.1 Calculation method for timing of line rising edge in normal mode

3.2 側擺成像模式下圖像定位的實現方案

側擺工作模式下各成像單元采用自己產生的內部行同步信號作為實際使用的行周期信號。內部行周期的產生受相機控制器發送的復位信號控制，因此復位時刻的行周期信號上升沿時刻是確定的，但各成像單元的行周期信號都是異步的，如圖4所示。

圖4 側擺成像模式各片CCD行周期信號Fig.4 Line signal for every CCD in scolling mode

因此，在側擺工作模式下，根據開始攝像時刻和數傳接口中記錄的實際執行周期值累加，計算可得每個行周期信號上升沿時刻。假設開始攝像時刻為t0，行周期為T，則開始攝像后第N個行周期上升沿時刻t可以表示為：

這種設計的缺點在于，由于只有復位時刻的行周期上升沿時刻是被衛星校正過；其余每個行周期信號上升沿時刻存在累積誤差。假設時鐘的穩定度為1×10－4，成像時間為10min，成像10 min后的時鐘累積誤差Δt為：

如果當前行周期為80μs，上述時鐘累積誤差會造成的地面誤差ΔL為：

從上面的分析中可以看出，同速工作模式下，行周期信號上升沿時刻每500ms被衛星校正一次，其所產生的誤差在滿足系統對TDICCD相機圖像定位的要求。在側擺工作模式下，采用這種方法計算行周期上升沿時刻，在成像時間較長時誤差較大，已經不宜采用，應對其進行修改。因此下面重點講述改進后的計算方法。

在側擺工作模式時，成像單元1～10的行周期信號各不相同，為了建立他們之間的相互關系，成像單元5仍然采用相機控制器發出的行同步信號作為實際使用的行周期信號，因此它的行周期信號上升沿時刻也由相機控制器發出的行同步信號時刻決定。而其他成像單元通過485總線接收來自相機控制器的行周期參數并生產各自的行周期信號，同時，除成像單元5以外的其他成像單元（成像單元1，2，3，4，6，7，8，9，10）仍然接收來自相機控制器發出的行同步信號。

成像單元對于第1、2、3、4、6、7、8、9和10通道，從開始攝像信號上升沿開始，對相機控制器發出的行同步信號和當前通道的行周期信號的行號分別進行計數。同時，每隔16行，利用計數器計數從16行循環中最后一行的行周期信號（假設其行號為第N＝16n行）上升沿，到在它之前與其緊相鄰的第1個行同步信號（假設其行號為第M行）的上升沿的時間差ΔT，將其稱為相位差，如圖5所示。這里的n＝1，2，3，……

圖5 改進后成像單元行周期上升沿時刻產生方法Fig.5 Improved line rising edge timing generate method for imaging unit

采用這種方法需要記錄3種信息，行同步信號的行號M，行周期信號的行號N，以及行周期信號（假設其行號為第N行）上升沿到在它之前的第1個行同步信號的上升沿的時間差ΔT。

在成像FPGA的程序中，每隔16行將16行循環中最后一行的行周期信號上升沿時刻添加到數傳輔助數據包中，并且其更新速度與485總線上的行周期設置指令幀同步。由于行周期設置指令幀每500ms由主控給成像單元更新一次，因此行周期信號上升沿時刻的更新速度也是500ms一次。采用這種辦法形成的新輔助數據包格式如所示。

從上面的設計說明中可以看出，每個16行循環中第16行的行周期信號上升沿時刻，可根據輔助數據計算得出；而其余15行的行周期信號上升沿時刻，則可根據第16行的行周期信號上升沿時刻和行周期計數進行推算獲得。

對于該定位方法的計算，下面舉例說明。首先做如下假設：

（a）開始攝像后，第 N ＝16n（n＝1，2，3，……）個行周期信號上升沿時刻為t；

（b）開始攝像后，行周期信號的行號為N，其周期為T；

（c）開始攝像后，第N個行周期信號上升沿時刻所對應的由相機控制器發出的行同步信號的行號為M，該行同步信號上升沿對應的時刻為t1；

（d）相機控制器發出的行同步信號上升沿與第N個行周期信號上升沿的間隔為ΔT。

那么，開始攝像后第N個行周期信號上升沿時刻計算公式為：

開始攝像后第（N －i）（i＝1，2，3，…，15）個行周期信號上升沿時刻計算公式為：

采用上述方案后，相機本體的行信號時間信息每間隔500ms被相機控制器輸入的行同步信號校正一次。因此，行信號時間信息誤差取決于相機本體造成的時間誤差和相機控制器造成的時間誤差中的最大值。

相機本體的時間誤差由式計算為50μs，相機控制器造成的時間誤差由式計算也為50μs。因此，在最小行周期80μs下，一次成像10min時間內造成的地面誤差為因此，采用改進的圖像定位方法，在側擺成像模式下，一次成像圖像定位誤差小于地面像元分辨率，滿足系統對TDICCD相機的要求。

4 實驗及結果

為了驗證定位實現的正確性，在相機系統進行實驗驗證。驗證方法如下（以成像單元1為例）：記成像單元1的行周期值為T1，成像單元5的行周期值為T5，成像單元5的行周期也就是成像單元1接收的外行同步信號。如圖6所示，成像單元1連續兩次輸出的定位輔助數據中外行同步計數，行周期計數，時間差分別是N51、N11、ΔT1和N52、N12、ΔT2，連續兩次輸出定位輔助數據的間隔為Tab，那么式成立。

圖6 改進方案驗證方法Fig.6 Validate method for the improved scheme

實驗結果如表2所示，其中外行周期表示相機控制器發送的外行同步信號一個周期內110M時鐘個數，內行周期表示異速成像時相機本體實際執行的行周期一個周期內110M時鐘的個數，外行號和內行號分別為開始攝像后外行周期的個數和內行周期的個數，差代表成像單元實際執行行周期和該行周期前最近的外行同步信號之間的時間，用110M時鐘個數表示。由實驗結果可以看出，計算的差值時間為0，可以驗證采用的方案是正確的，即提出的改進方案在一次成像時間內定位誤差不超過地面像元分辨率，滿足系統對相機定位的要求。此外，這種方案與側擺角度無關，同時也適用于星下點成像模式。

表2 側擺成像圖像定位精度結果Tab.2 Result of image location accuracy in scolling imaging mode

5 結 論

針對空間遙感TDICCD相機在側擺成像模式下工作一段時間后累積定位誤差大的問題，提出了一種通過記錄3種信息：行周期信號上升沿時刻、行同步信號上升沿時刻和二者之間時間差來對圖像進行定位的方法。采用該方法后，在一次成像過程中，圖像定位誤差小于地面像元分辨率，滿足系統對TDICCD相機定位精度的要求。

［1］史磊，金光，安源，等.一種遙感相機的CCD交錯拼接方法研究［J］.紅外，2009，30（1）：12－15.Shi L，Jin G，An Y，et al.Research on a mechanical interleaving stitching method of CCDs for remote sensing camera［J］.Infrared，2009，30（1）：12－15.（in Chinese）

［2］岳俊華，李巖，武學穎，等.多 TDI－CCD拼接相機成像非均勻性的校正［J］.光學精密工程，2009，17（12）：3084－3088.Yue J H，Li Y，Wu X Y，et al.Correctio of imaging no－uniformity for multi－TDICCD mosaic camera［J］.Opt.Precision Eng.，2009，8（3）：3084－3088.（in Chinese）

［3］李朝輝，王肇勛，武克用.空間相機CCD焦平面的光學拼接［J］.光學精密工程，2000，8（3）：213－216.Li Z，Wang Z Y，Wu K Y.Optical assembly of CCD focal plane for space camera［J］.Opt.Precision Eng.，2000，8（3）：213－216.（in Chinese）

［4］李云飛，趙運隆.TDICCD相機成像系統地面檢測設備設計［J］.液晶與顯示，2012，27（6）：842－846.Li Y F，Zhao Y L.Design of ground test equipment for TDICCD camera imaging system ［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2012，27（6）：842－846.（in Chinese）

［5］曲洪豐，王曉東，徐抒巖，等.多TDICCD拼接遙感相機異速成像抗干擾設計［J］.紅外與激光工程，2013，42（4）：1026－1032.Qu H F，Wang X D，Xu S Y，et al.Anti－jamming design for multi－velocity imaging mode of multiple TDI CCDs mosaic remote camera［J］.Infrared and Laser Engineering，2013，42（4）：1026－1032.（in Chinese）

［6］馬天波，郭永飛，李云飛.科學級 TDICCCD的行頻精度［J］.光學精密工程，2010，18（9）：2028－2035.Ma T B，Guo Y F，Li Y F.Precion of row frequency of scientific grade TDICCD camera［J］.Opt.Precision Eng.，2010，18（9）：2028－2035.（in Chinese）

［7］薛旭成，石俊霞，呂恒毅，等.空間遙感相機TDICCD積分級數與增益的優化設置［J］.光學精密工程，2011，19（4）：855－861.Xue X C，Shi J X，Lv H Y，et al.Optimal set of TDICCD integration stages and gains of space remote sensing camerars［J］.Opt.Precision Eng.，2011，19（4）：855－861.（in Chinese）

［8］郭永飛.側擺成像下多片 TDICCD拼接相機分段側擺研究［J］.光機電信息，2010，27（10）：32－38.Guo Y F.Research on subsection image motion mismatching for multi－TDICCD mosaic camera of scroll imaging［J］.OME Information，2010，27（10）：32－38.

［9］張伍，陸春玲.推掃成像遙感衛星圖像定位精度分析與設計［J］.航天器工程，2007，16（2）：6－11.Zhang W，Lu C L.Design and analysis of determining the image position error of push－broom remote sensing satellite［J］.Spacecraft Engineering，2007，16（2）：6－11.（in Chinese）

［10］郭曉敏，張洪群，韓家瑋，等.側擺條件下衛星觀察區域計算研究［J］.微計算機信息，2011，27（11）：71－73.Guo X M，Zhang H Q，Han J W，et al.The research on computing the satellite observation area on swinging mode［J］.Microcomputer Information，2011，27（11）：71－73.（in Chinese）

［11］明洋，陳楚江，余紹淮，等.多條帶 WorldView衛星圖像幾何定位精度分析［J］.測繪科學，2013，38（1）：160－162.Ming Y，Chen C J，Yu S H，et al.Geolocation accuracy analysis of multi－strip WorldView satellite imagery［J］.Science of Surveying and Mapping，2013，38（1）：160－162.（in Chinese）

［12］李立鋼，吳一戎，劉波，等.基于衛星參數預測的星載SAR圖像定位方法研究［J］.電子與信息學報，2007，29（7）：1691－1694.Li L G，Wu Y R，Liu B，et al.The study of satellite sar imagery eo－referencing based on satellite parameters prediction［J］.Journal of Electronics ＆Information Technology，2007，29（7）：1691－1694.（in Chinese）