資源一號(hào)02D衛(wèi)星可見近紅外相機(jī)在軌調(diào)試與圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

譚偉 齊文雯 王軍 何紅艷 于生全 王殿中

(1 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094)(2 北京空間機(jī)電研究所 先進(jìn)光學(xué)遙感技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094)

衛(wèi)星發(fā)射前，可見近紅外相機(jī)在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過精密裝調(diào)與測(cè)試，焦面位置與成像參數(shù)狀態(tài)均已預(yù)設(shè)。由于發(fā)射期間多種因素的影響，以及大氣壓力、溫度、濕度等環(huán)境因素的變化，衛(wèi)星入軌后相機(jī)狀態(tài)可能會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)致相機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)離焦[1]。同時(shí)，考慮到在軌成像時(shí)地物反射率、光照條件等成像輸入變化復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)室積分球產(chǎn)生的均勻光無法完全模擬相機(jī)在軌時(shí)接收到的能量，導(dǎo)致預(yù)設(shè)成像參數(shù)的成像結(jié)果無法體現(xiàn)相機(jī)最佳的輻射性能[2]。

在軌調(diào)試是保障并提高可見近紅外相機(jī)圖像質(zhì)量的重要途徑，在軌測(cè)試是檢驗(yàn)相機(jī)成像性能的重要方法。資源一號(hào)02D衛(wèi)星(又稱為5米光學(xué)業(yè)務(wù)衛(wèi)星)可見近紅外相機(jī)入軌后，隨即開展高精度調(diào)試。本文結(jié)合可見近紅外相機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及成像模式，研究了高精度在軌調(diào)試方法，同時(shí)采用性能指標(biāo)測(cè)試的方法評(píng)價(jià)調(diào)整后的圖像質(zhì)量，對(duì)調(diào)整結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。

1 在軌調(diào)試概述

空間光學(xué)相機(jī)在軌調(diào)試主要指與相機(jī)成像質(zhì)量相關(guān)的相機(jī)工作狀態(tài)與性能參數(shù)調(diào)試，通過開展在軌調(diào)試將相機(jī)成像性能調(diào)整到最佳狀態(tài)，可有效保障成像數(shù)據(jù)的質(zhì)量。對(duì)于長(zhǎng)焦距大口徑的推掃型(Time Delayed Integration Charge Coupled Device，TDICCD)相機(jī)，一般在軌調(diào)試包括相機(jī)焦面調(diào)試與相機(jī)成像參數(shù)調(diào)試。其中，焦面狀態(tài)主要影響相機(jī)的空間調(diào)制度，進(jìn)而影響圖像清晰度和細(xì)節(jié)解析能力；成像參數(shù)主要影響相機(jī)的輻射性能，包括信噪比、動(dòng)態(tài)范圍等。

2 在軌調(diào)焦方法

目前空間遙感相機(jī)調(diào)焦方法有程序控制法[3]、對(duì)比調(diào)焦法[4]和圖像處理法[5]。程序控制法是指根據(jù)相機(jī)拍照時(shí)的實(shí)測(cè)參數(shù)和對(duì)熱真空試驗(yàn)時(shí)可能對(duì)焦面產(chǎn)生影響的因素進(jìn)行預(yù)估，利用提前編制好的程序來調(diào)整焦面位置；對(duì)比調(diào)焦法最早用于斯波特-5(SPOT-5)衛(wèi)星[6]，利用雙相機(jī)具有相同覆蓋的原理，以互相為參考進(jìn)行對(duì)比調(diào)焦，直至兩臺(tái)相機(jī)均調(diào)整到最佳焦面[7]。圖像處理法利用遙感相機(jī)實(shí)時(shí)圖像作為評(píng)價(jià)依據(jù)，通過圖像的特征參數(shù)對(duì)焦面狀態(tài)進(jìn)行判斷，來確定相機(jī)的最佳工作狀態(tài)[8-9]。

目前遙感衛(wèi)星發(fā)射入軌后，用戶對(duì)相機(jī)在軌調(diào)焦的時(shí)間要求越來越高?？焖贉?zhǔn)確完成在軌調(diào)焦的關(guān)鍵之處在于如何制定合適的調(diào)焦計(jì)劃和選取可靠的調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)。對(duì)于資源一號(hào)02D衛(wèi)星可見近紅外相機(jī)來說，調(diào)焦策略方面，常規(guī)連續(xù)調(diào)焦搜索的策略對(duì)在軌成像時(shí)間和衛(wèi)星使用資源占用要求高[10]，難以滿足用戶的要求；調(diào)焦函數(shù)方面，資源一號(hào)02D衛(wèi)星可見近紅外相機(jī)采用TDICCD推掃模式成像，被攝目標(biāo)始終處于變化之中，常用調(diào)焦評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用精度難以保證[11-12]。在用戶的時(shí)效要求下迅速精準(zhǔn)完成在軌調(diào)焦的關(guān)鍵在于制定高效的調(diào)焦策略和研究高精度的調(diào)焦函數(shù)。

2.1 資源一號(hào)02D衛(wèi)星可見近紅外相機(jī)在軌調(diào)焦方法

經(jīng)分析其他在軌衛(wèi)星的在軌調(diào)焦過程發(fā)現(xiàn)，星載遙感相機(jī)在軌調(diào)焦時(shí)采用粗調(diào)焦與精調(diào)焦相結(jié)合的調(diào)焦方法可大幅縮短在軌調(diào)焦時(shí)間。粗調(diào)焦時(shí)，調(diào)焦機(jī)構(gòu)采用大步長(zhǎng)進(jìn)行焦面調(diào)整，并采用合適的調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)計(jì)算出當(dāng)前相機(jī)的離焦量，進(jìn)而得到初步的焦面調(diào)整位置；精調(diào)焦則在粗調(diào)焦焦面基礎(chǔ)上，調(diào)焦機(jī)構(gòu)采用小步長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)整，采用合適的調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)各焦面圖像特征參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，得到最佳焦面，過程見圖1，一般以相機(jī)焦深為參考，以一倍焦深對(duì)應(yīng)相機(jī)調(diào)焦步長(zhǎng)為L(zhǎng)。

圖1 在軌調(diào)焦過程Fig.1 Flowchart of on-orbit refocusing

精確計(jì)算調(diào)焦過程中不同焦面特征參數(shù)的關(guān)鍵在于調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)的選取。在上述調(diào)焦策略的基礎(chǔ)上，第一輪調(diào)焦獲取粗調(diào)焦圖像，基于圖像功率譜與相機(jī)離焦量的關(guān)系，獲取不同焦面的離焦量，計(jì)算得到粗調(diào)焦最佳焦面，圖像功率譜計(jì)算方法如下[13]

(1)

式中：f為圖像頻率變量；A為圖像頻率幅值，即功率譜強(qiáng)度；k為圖像指數(shù)變量。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)仿真分析和在軌驗(yàn)證，k的取值范圍為1.81～2.05。

第二輪調(diào)焦獲取精調(diào)焦圖像，結(jié)合TDICCD相機(jī)的成像特點(diǎn)，選擇一種與成像場(chǎng)景無關(guān)的圖像清晰度評(píng)價(jià)方法，最終得到精調(diào)焦最佳焦面，完成在軌調(diào)焦。在軌精調(diào)焦的圖像清晰度評(píng)價(jià)方法如下[14]

(2)

式中：De為圖像清晰度；fr為高頻強(qiáng)度；ep為有效邊緣寬度；A、B分別為常數(shù)系數(shù)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證[15]，當(dāng)A+B=1且A∈(0.09，0.23)，B∈(0.77，0.91)時(shí)，該結(jié)果作為圖像清晰度時(shí)不僅對(duì)場(chǎng)景變化的獨(dú)立性好，而且能夠很好的反映圖像的離焦?fàn)顩r。

2.2 焦面調(diào)整結(jié)果

2.2.1 在軌粗調(diào)焦

根據(jù)相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)、調(diào)焦機(jī)構(gòu)等相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)2.1節(jié)中設(shè)計(jì)的在軌粗調(diào)焦策略，采用式(1)及相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)調(diào)焦設(shè)計(jì)參數(shù)分別計(jì)算相機(jī)粗調(diào)焦過程中每個(gè)焦面的離焦量，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 粗調(diào)焦過程相機(jī)每個(gè)焦面的離焦量Table 1 Defocusing degree of each focal plane in rough refocusing process

對(duì)比表1中各焦面離焦量可知，相機(jī)粗最佳焦面位置為

P1=P0-0.3L

(3)

2.2.2 在軌精調(diào)焦

根據(jù)相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)、調(diào)焦機(jī)構(gòu)等相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，以及2.1節(jié)中設(shè)計(jì)的在軌精調(diào)焦策略，分別計(jì)算相機(jī)粗調(diào)焦過程中每個(gè)焦面的離焦量，計(jì)算結(jié)果見表2。采用式(2)圖像清晰度評(píng)價(jià)方法分別對(duì)焦面圖像清晰度進(jìn)行計(jì)算和對(duì)比，清晰度計(jì)算結(jié)果越大，表示對(duì)焦越好。

表2 精調(diào)焦過程中各焦面圖像清晰度Table 2 Image definition of each focal plane in accurate refocusing process

根據(jù)表2可知相機(jī)實(shí)際最佳焦面應(yīng)處于P1與P1+0.25L之間，且更接近P1+0.25L，因此可以推導(dǎo)出相機(jī)最佳焦面應(yīng)為

P2=P1+0.2L

(4)

通過調(diào)焦指令將相機(jī)焦面調(diào)整到P2位置，完成在軌調(diào)焦。調(diào)焦前后相機(jī)焦面位置見表3，用具體對(duì)應(yīng)的步數(shù)表示相機(jī)在不同時(shí)期的焦面位置。

表3 相機(jī)調(diào)焦前后的焦面位置對(duì)比Table 3 Comparison of focal plane positions before and after refocusing

3 在軌成像參數(shù)調(diào)整方法

空間遙感相機(jī)發(fā)射前會(huì)預(yù)設(shè)一檔積分級(jí)數(shù)和增益作為默認(rèn)成像參數(shù)，成像參數(shù)的設(shè)置依據(jù)為實(shí)驗(yàn)室測(cè)試過程。以積分球輸出的不同輻亮度作為相機(jī)的輸入，測(cè)試相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍和在不同輸入能量下的響應(yīng)，以此預(yù)估相機(jī)圖像的動(dòng)態(tài)范圍并作為在軌在軌成像時(shí)的默認(rèn)參數(shù)[16]。

對(duì)于資源一號(hào)02D衛(wèi)星可見近紅外相機(jī)，大幅寬成像時(shí)被攝場(chǎng)景中不僅包含的地物類型多，反射率變化區(qū)間大，光照條件復(fù)雜。實(shí)驗(yàn)室采用積分球作為能量輸出時(shí)難以很好地模擬大幅寬相機(jī)在軌真實(shí)成像條件[17]，導(dǎo)致相機(jī)在預(yù)設(shè)成像參數(shù)條件下的成像結(jié)果可能無法完全表現(xiàn)相機(jī)的性能，影響相機(jī)圖像數(shù)據(jù)輻射質(zhì)量。保障相機(jī)數(shù)據(jù)輻射質(zhì)量的關(guān)鍵在于精確獲取相機(jī)在軌時(shí)成像場(chǎng)景的入瞳輻亮度以設(shè)置最優(yōu)的成像參數(shù)。

3.1 資源一號(hào)02D衛(wèi)星可見近紅外相機(jī)在軌成像參數(shù)調(diào)整方法

資源一號(hào)02D衛(wèi)星可見近紅外相機(jī)在軌工作時(shí)，涉及調(diào)整的成像參數(shù)只有積分級(jí)數(shù)和增益。為了合理預(yù)估在軌參數(shù)，本文提出了一個(gè)預(yù)估方案，過程見圖2，先開展左側(cè)過程，建立基于實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)結(jié)果參考表，再結(jié)合在軌成像條件開展右側(cè)過程。在軌預(yù)估首先根據(jù)仿真獲得輻射量，通過輻射傳輸仿真，建立相機(jī)不同成像參數(shù)組合下與太陽(yáng)高度角和地物反射率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲取相機(jī)在軌工作時(shí)的入瞳輻亮度。同時(shí)，基于實(shí)驗(yàn)室輻射定標(biāo)結(jié)果，獲得相機(jī)在不同積分球能量下輸出圖像的數(shù)字(DN)值，計(jì)算相機(jī)在軌典型工況下的入瞳輻亮度，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)結(jié)果，完成成像參數(shù)設(shè)置。

圖2 成像參數(shù)預(yù)估過程圖Fig.2 Flowchart of estimating the imaging parameters

使用輻射傳輸模型[18]，對(duì)相機(jī)在軌工作時(shí)的入瞳輻亮度進(jìn)行計(jì)算。大氣輻射傳輸能模擬太陽(yáng)入射能量經(jīng)大氣傳播到地表，地表反射信息并再經(jīng)大氣后被相機(jī)接收的過程。該大氣輻射傳輸模型以遙感器成像幾何和被攝地物反射率等作為輸入，可計(jì)算在特定成像條件下大氣層頂表觀反射率和相機(jī)入瞳輻亮度，其中入瞳表觀反射率ρTOA和入瞳輻亮度Rad單位為W/(m2·μm·sr))的物理模型可近似為表述為

(5)

(6)

式中：ρpath為大氣程輻射導(dǎo)致的大氣固有反射率，ρs為被攝地物反射率，θs和θv為分別太陽(yáng)天頂角和觀測(cè)天頂角，T(θs)和T(θv)分別為大氣下行透過率和帶去上行透過率，S為大氣半球反照率，d為日地距離修正因子，Es為大氣層頂太陽(yáng)等效光譜輻照度，單位為W/(m2·μm)。

基于大氣輻射傳輸模型獲取資源一號(hào)02D衛(wèi)星在國(guó)土資源遙感時(shí)的典型平均入瞳輻亮度，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果，按照式(7)查找實(shí)驗(yàn)室測(cè)試時(shí)不同積分級(jí)數(shù)與增益參數(shù)組合下最接近成像參數(shù)，即為在軌最佳的成像參數(shù)。

(7)

式中：k為查找系數(shù)，對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果中的絕對(duì)定標(biāo)系數(shù)，N為資源一號(hào)02D衛(wèi)星相機(jī)量化位數(shù)，可見近紅外相機(jī)量化位數(shù)為12 bit，即N=12。37.5%為比例系數(shù)[19]，代表了圖像DN值灰度直方圖峰值與量化位數(shù)的比值。

3.2 成像參數(shù)調(diào)整結(jié)果

根據(jù)2.2節(jié)中描述，對(duì)資源一號(hào)02D衛(wèi)星可見近紅外相機(jī)在軌成像參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，參數(shù)調(diào)整結(jié)果見表4。

表4 相機(jī)參數(shù)調(diào)整前后的具體參數(shù)對(duì)比Table 4 Comparison of the imaging parameters before and after adjustment

表4中為夏季成像參數(shù)時(shí)國(guó)土區(qū)域的圖像統(tǒng)計(jì)結(jié)果，對(duì)于冬季成像參數(shù)，由于光照條件的變化，國(guó)土區(qū)域平均太陽(yáng)高度角較夏季約降低了1.4～1.6倍，為了確保圖像動(dòng)態(tài)范圍與輻射質(zhì)量，通過調(diào)整增益檔位或積分級(jí)數(shù)，將冬季成像參數(shù)在夏季成像參數(shù)的基礎(chǔ)上增大約1.5倍。

完成夏季成像參數(shù)調(diào)整后，對(duì)相機(jī)各譜段在表5對(duì)應(yīng)成像參數(shù)下圖像灰度均值和動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以夏季參數(shù)為例，成像場(chǎng)景為典型國(guó)土區(qū)域，包含城市、水體、山體等，如圖3所示，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表5。

圖3 可見近紅外相機(jī)典型國(guó)土遙感成像示意圖Fig.3 True color image of VNIR camera for typical land-resource mote sensing

表5 夏季參數(shù)下可見近紅外相機(jī)圖像灰度均值和動(dòng)態(tài)范圍Table 5 Imaging parameters of VNIR camera in summer and winter

根據(jù)表5中統(tǒng)計(jì)參數(shù)可知：各譜段圖像均值均為灰度量程值(4095)的三分之一左右，與式(7)選用的37.5%比例系數(shù)基本一致，且動(dòng)態(tài)范圍基本可覆蓋低響應(yīng)地物目標(biāo)(量程的10%左右)和高響應(yīng)地物目標(biāo)(量程的90%左右)，充分發(fā)揮了相機(jī)的成像性能。

4 性能指標(biāo)測(cè)試

4.1 調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)測(cè)試

MTF反映的是成像系統(tǒng)在對(duì)目標(biāo)物成像過程中信號(hào)的擴(kuò)散與削弱程度。對(duì)于光學(xué)相機(jī)，測(cè)試MTF是檢驗(yàn)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)焦?fàn)顟B(tài)的一種有效手段。相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)焦越好，目標(biāo)經(jīng)成像系統(tǒng)后能量越集中，擴(kuò)散越小，MTF越大，反之MTF越小。因此，在軌測(cè)試過程中通常將奈奎斯特(Nyquist)頻率處的MTF作為檢驗(yàn)圖像對(duì)角狀態(tài)的質(zhì)量指標(biāo)參數(shù)。

相機(jī)在軌時(shí)主要采用刃邊靶標(biāo)圖像進(jìn)行MTF測(cè)試，考慮到不同譜段空間分辨率與靶標(biāo)實(shí)際尺寸，資源一號(hào)02D衛(wèi)星可見近紅外相機(jī)只測(cè)試全色譜段的MTF。本測(cè)試采用的數(shù)據(jù)源是2019年11月2日、2019年11月5日、2019年11月8日、2019年11月11日資源一號(hào)02D衛(wèi)星全色(PAN)相機(jī)在包頭靶標(biāo)場(chǎng)的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，以2019年11月2日靶標(biāo)圖像為例，其示意如圖4所示。基于刃邊靶標(biāo)分別測(cè)試沿軌和垂軌兩方向MTF，結(jié)果見表6。

根據(jù)相機(jī)研制指標(biāo)中動(dòng)態(tài)調(diào)制傳遞函數(shù)要求，該測(cè)試結(jié)果一方面可滿足相機(jī)動(dòng)態(tài)調(diào)制傳遞函數(shù)指標(biāo)，說明相機(jī)當(dāng)前焦面位置處于良好的對(duì)焦?fàn)顟B(tài)。

圖4 2019年11月2日刃邊靶標(biāo)全色譜段圖像Fig.4 Edge target of pan image on November 2rd, 2019

表6 沿軌和垂軌方向MTF測(cè)試結(jié)果Table 6 Estimated MTF of cross-orbit and along orbit directions

4.2 信噪比(SNR)測(cè)試

SNR是表征相機(jī)系統(tǒng)輻射質(zhì)量的重要參數(shù)之一。SNR通常定義為圖像中的目標(biāo)信號(hào)與噪聲信號(hào)的比值。在復(fù)雜地物區(qū)域，難以可靠地區(qū)分圖像中的目標(biāo)信號(hào)與噪聲信號(hào)，因此本文中的信噪比測(cè)試均在均勻地物區(qū)域進(jìn)行。

結(jié)合相機(jī)指標(biāo)設(shè)計(jì)，一般在軌分別測(cè)試相機(jī)響應(yīng)低端和高端的SNR指標(biāo)，其中高端測(cè)試條件為(θ=70°、ρ=0.60)，主要是沙漠等高反射率均勻地物，低端測(cè)試條件為(θ=30°、ρ=0.03)，主要是平靜較深的水面，包括內(nèi)陸湖面和深海海面等。在高端和低端地物中截取滿足計(jì)算條件的一塊均勻區(qū)域，計(jì)算該區(qū)域響應(yīng)值的均值和方差，并將均值和方差之比作為信噪比。

(8)

(9)

式中：SNR為圖像信噪比，M為測(cè)試樣本圖像灰度均值，m、n分別為樣本圖像的行、列像素?cái)?shù)，v(i,j)為某像元灰度DN值。選擇資源一號(hào)02D衛(wèi)星可見近紅外相機(jī)于2020年5—7月對(duì)沙漠、深海和內(nèi)陸湖進(jìn)行信噪比測(cè)試，結(jié)果見表7。

表7 SNR測(cè)試結(jié)果Table 7 Testing results of SNR

經(jīng)與可見近紅外相機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)相對(duì)比(高端信噪比>48 dB，低端信噪比>30 dB)，測(cè)試結(jié)果滿足指標(biāo)設(shè)計(jì)要求，圖像輻射質(zhì)量高，相機(jī)完成焦面調(diào)整和成像參數(shù)調(diào)整后成像性能處于良好的狀態(tài)。

5 結(jié)束語(yǔ)

在軌調(diào)試是保障空間遙感相機(jī)在軌成像質(zhì)量的重要途徑，合適的調(diào)試策略和可靠的調(diào)試評(píng)價(jià)方法決定了相機(jī)在軌后調(diào)整到最佳成像狀態(tài)的時(shí)間效率和精度，而在軌圖像質(zhì)量指標(biāo)測(cè)試和評(píng)價(jià)是對(duì)在軌調(diào)試的重要檢驗(yàn)途徑。本文針對(duì)資源一號(hào)02D衛(wèi)星可見近紅外相機(jī)研究了快速高精度在軌調(diào)試方法，包括調(diào)焦策略與評(píng)價(jià)算法，成像參數(shù)預(yù)估方法。在完成在軌調(diào)試的基礎(chǔ)上，選擇MTF、SNR這兩個(gè)具有代表性的圖像質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示：本文提出的調(diào)焦策略和調(diào)焦評(píng)價(jià)方法精準(zhǔn)快速地完成了最佳焦面定位，成像參數(shù)預(yù)估方法得到了最佳成像參數(shù)組合(積分級(jí)數(shù)和增益)，MTF、SNR指標(biāo)參數(shù)均滿足相機(jī)設(shè)計(jì)要求，相機(jī)成像性能得到了充分保障。