天問一號高分相機(jī)火表復(fù)雜照度下自動調(diào)光成像電路設(shè)計

黃敬濤，王曉東，孫振亞，周大立，周鵬驥

天問一號高分相機(jī)火表復(fù)雜照度下自動調(diào)光成像電路設(shè)計

黃敬濤*，王曉東，孫振亞，周大立，周鵬驥

（中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130033）

航天相機(jī)的成像質(zhì)量是獲取遙感數(shù)據(jù)的關(guān)鍵，航天相機(jī)設(shè)計中調(diào)光是影響相機(jī)的成像質(zhì)量的重要參數(shù)，自動調(diào)光是預(yù)先獲取目標(biāo)場景的信息，根據(jù)信息確定調(diào)光參數(shù)，避免過度曝光或曝光不足帶來的圖像信息損失。我國首次火星探測任務(wù)天問一號高分相機(jī)，針對火表復(fù)雜照度，為獲取高質(zhì)量圖像數(shù)據(jù)，提出了基于TDI CCD推掃成像與CMOS凝視成像自動調(diào)光成像電路設(shè)計，并提出了基于FPGA的自動調(diào)光算法。對天問一號高分相機(jī)進(jìn)行自動調(diào)光試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：自動調(diào)光后圖像的動態(tài)傳函MTF提升0.013，外場試驗(yàn)中，對實(shí)際景物進(jìn)行自動調(diào)光前后對比拍攝，結(jié)果表明自動調(diào)光成像效果良好，具備較好的場景適應(yīng)能力，滿足火表復(fù)雜照度下自動調(diào)光成像需求。

TDICCD；CMOS；自動調(diào)光；天問一號；MTF

1 引　言

我國第一顆火星探測器“天問一號”，邁出了我國深空探測的第一步，高分辨率相機(jī)（以下簡稱高分相機(jī)）是火星環(huán)繞器上的有效載荷之一，主要完成對火星表面精細(xì)觀測的任務(wù)，旨在為我國的火星探測和為人類全面了解火星地貌地表狀況、太陽系起源與演化以及為后續(xù)的火星登陸計劃做出重要貢獻(xiàn)。

火星表面的太陽輻亮度約為地球的0.43倍，不同區(qū)域如沙丘、冰川、崩塌等輻亮度會有所不同，為實(shí)現(xiàn)火星表面地形地貌高精度成像和詳細(xì)勘測，對相機(jī)的成像質(zhì)量有著很高的要求，航天相機(jī)在不同照度下的自動調(diào)光是相機(jī)設(shè)計的關(guān)鍵，影響著航天相機(jī)的成像質(zhì)量［1］。

高分相機(jī)采用時間延遲積分（Time Delayed and Integration，TDI）電荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）作為主探測器，進(jìn)行推掃成像，但在對目標(biāo)場景成像時只進(jìn)行一次推掃成像，因此無法預(yù)知目標(biāo)場景的特征信息，進(jìn)而無法確定調(diào)光參數(shù)，星上自動調(diào)光實(shí)現(xiàn)難度較大［2］。

為了實(shí)現(xiàn)線陣TDI CCD推掃式相機(jī)的星上自動調(diào)光，高分相機(jī)設(shè)計了面陣CMOS與TDI CCD相結(jié)合的焦平面結(jié)構(gòu)，利用CMOS預(yù)先采集目標(biāo)場景，對場景信息進(jìn)行分析預(yù)判進(jìn)而確定調(diào)光參數(shù)，實(shí)現(xiàn)星上自動調(diào)光［3］。TDI CCD作為主探測器獲取火星表面的全色圖像和彩色圖像，面陣CMOS傳感器通過凝視成像輔助TDI CCD實(shí)現(xiàn)自動調(diào)光進(jìn)而提高成像質(zhì)量。

2 成像系統(tǒng)組成

整個系統(tǒng)由CCD預(yù)放電路、CCD視頻處理電路和CCD驅(qū)動電路及控制器電路組成。CCD預(yù)放電路實(shí)現(xiàn)對CCD輸出的模擬信號進(jìn)行預(yù)處理，包括信號放大和抑制噪聲，以保證模擬信號傳輸?shù)耐暾裕籆CD視頻處理電路實(shí)現(xiàn)對經(jīng)過預(yù)放電路處理后的CCD模擬信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字圖像信號；CCD驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)對CCD工作所需的時序信號進(jìn)行功率驅(qū)動；控制器電路用于產(chǎn)生CCD與CMOS工作所需的時序，接收CCD與CMOS輸出的圖像數(shù)據(jù)并整理輸出［4-5］。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1　成像系統(tǒng)組成框圖

3 成像電路設(shè)計

3.1　TDI CCD

高分相機(jī)根據(jù)任務(wù)要求，設(shè)計選用了DALSA公司的CORONA型TDI CCD，實(shí)物如圖2所示。該探測器全色像元數(shù)6 144、彩色像元數(shù)3 072，具有全色，藍(lán)色，綠色，紅色和近紅外五個譜段，光譜區(qū)共96行像素，可以通過5個級間選擇控制信號分別實(shí)現(xiàn)8行、16行、32行、48行、64行和96行6種TDI積分級數(shù)工作模式，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。TDI CCD主要指標(biāo)見表1。

圖2　TDI CCD實(shí)物圖

圖3　TDI CCD結(jié)構(gòu)

3.2　CCD預(yù)放電路

CCD預(yù)放電路用于對CCD輸出的模擬信號進(jìn)行信號放大和噪聲抑制，設(shè)計采用運(yùn)算放大器構(gòu)造同相放大電路。通過交流耦合的方式，將視頻信號中的直流偏置隔離掉，利用運(yùn)算放大器將低壓信號放大至后端視頻處理器需要的幅度范圍。

器件選用TI公司的視頻寬帶運(yùn)算放大器LMH6722，該器件3 dB帶寬可達(dá)300 MHz， CCD視頻輸出信號頻率設(shè)計值為12.65 MHz，滿足系統(tǒng)的設(shè)計需求。CCD預(yù)放電路如圖4所示。

表1TDI CCD的主要技術(shù)指標(biāo)

Tab.1　Main technical indicators of TDI CCD

圖4　CCD預(yù)放電路

3.3　CCD視頻處理電路

CCD視頻處理電路用于采集CCD輸出的模擬視頻信號，并進(jìn)行相關(guān)雙采樣、自動增益控制、抑制噪聲和高速A/D變換。

由于CCD頻率較高，為了能實(shí)現(xiàn)對像元進(jìn)行及時的處理和獲得高質(zhì)量的圖像，相應(yīng)的對視頻處理單元的帶寬和量化精度要求也變高。CCD視頻處理單元的目的是消除KTC 噪聲，抑制低頻噪聲和寬帶白噪聲，并且保證在CCD的動態(tài)范圍內(nèi)圖像信號隨目標(biāo)亮度成線性變化，通過綜合比較，采用TI公司視頻處理器LM98640。

設(shè)計采用全色與彩色均單抽頭輸出，全4路，彩色各1路，共8路輸出，其中全色圖像設(shè)計每路輸出頻率為12.65 MHz，彩色圖像設(shè)計每路輸出頻率為3.11 MHz，量化為12位，該器件滿足系統(tǒng)的設(shè)計需求。

3.4　CCD驅(qū)動電路設(shè)計

CCD驅(qū)動電路用于對FPGA產(chǎn)生的驅(qū)動信號進(jìn)行功率放大，將驅(qū)動時序轉(zhuǎn)換為符合TDI CCD工作要求的電平信號。根據(jù)TDI CCD對驅(qū)動信號的要求，驅(qū)動器設(shè)計選用Intersil公司的 ISL7457，該芯片內(nèi)部集成了電平轉(zhuǎn)換功能，前端輸入可以是3 V或5 V的TTL電平，輸出信號的高低電平由其VH和VL決定。同時ISL7457輸入脈沖頻率最高40 MHz，能滿足系統(tǒng)TDI CCD的單路最大像元讀出速率12.65 MHz的設(shè)計需求。

3.5　CMOS探測器

CMOS探測器設(shè)計選用長光辰芯的HR400型CMOS探測器，該器件是一款高動態(tài)范圍面陣探測器，有效像元數(shù)2 048（H）×2 048（V），像元尺寸11 μm×11 μm，量化位數(shù)為12 bit，主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2CMOS主要技術(shù)指標(biāo)

Tab.2　Main technical indicators of CMOS

3.6　CMOS成像電路設(shè)計

由于CMOS器件自身集成了地址譯碼器、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器等，外圍電路提供合適的供電、偏置電壓及驅(qū)動時序即可工作［6-7］，設(shè)計采用FPGA產(chǎn)生驅(qū)動時序直接驅(qū)動CMOS探測器，F(xiàn)PGA選用XILINX公司的XQ4VSX55，該器件具有IODELAY功能，可以滿足CMOS探測器LVDS輸出需進(jìn)行training操作的需求。

4 自動調(diào)光算法

自動調(diào)光的目的是改變圖像的灰度值，通過改變成像參數(shù)，使相機(jī)輸出圖像的灰度趨近于目標(biāo)灰度值，目標(biāo)灰度值的選取需根據(jù)實(shí)際成像場景。

其中：τ是光學(xué)系統(tǒng)平均透過率；是光學(xué)系統(tǒng)相對孔徑；是TDI CCD探測器響應(yīng)度，單位V·M2·J1；G是電子學(xué)量化增益，單位DN/V，本設(shè)計中選用的LM98640量化位數(shù)12 bit，=2 048 DN/V。

通常TDI CCD在不同軌道高度需要設(shè)置不同的積分時間來進(jìn)行像移匹配［8］，CCD的積分時間t可表示為：

其中：GSD為地面像元分辨率，為飛船速度。任務(wù)要求火表面像元分辨率全色為0.5 m、彩色為2.0 m，飛船速度根據(jù)任務(wù)的軌道高度而確定，積分時間在不同軌道高度基本是定值，所以調(diào)節(jié)圖像的灰度值的直接手段即調(diào)節(jié)積分級數(shù)，自動調(diào)光的實(shí)現(xiàn)即通過改變積分級數(shù)來實(shí)現(xiàn)，在公式（1）中，入瞳輻亮度B是唯一的未知數(shù)，其可以通過面陣CMOS圖像數(shù)據(jù)求得。

其中：是CMOS積分時間；是CMOS探測器響應(yīng)度，單位V·M2·J1。

CMOS像面輻照度E與相機(jī)入瞳輻亮度B的關(guān)系為：

根據(jù)公式（6）得到的入瞳輻亮度B代入公式（1）中，即可確定積分級數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)自動調(diào)光。

本文設(shè)計的自動調(diào)光算法，利用面陣CMOS圖像數(shù)據(jù)求出相機(jī)入瞳輻亮度B，進(jìn)而根據(jù)當(dāng)前軌道高度，選取合適的積分時間和積分級數(shù)，得到趨近于目標(biāo)灰度值TDI CCD圖像［9-11］，實(shí)現(xiàn)星上自動調(diào)光。

5 試驗(yàn)結(jié)果

5.1　自動調(diào)光測試

在實(shí)驗(yàn)室條件下，利用積分球作為均勻光源，測試自動調(diào)光功能，測試現(xiàn)場如圖5所示。

圖5　實(shí)驗(yàn)室測試自動調(diào)光

圖6是自動調(diào)光的圖像數(shù)據(jù)，上半部分是自動調(diào)光前的圖像信息，下半部分是自動調(diào)光后的圖像信息，從圖中可以看出，自動調(diào)光前圖像平均灰度值為57.1，設(shè)置目標(biāo)灰度值為120，開啟自動調(diào)光功能后圖像平均灰度值為115.12，自動調(diào)光功能得到驗(yàn)證。

5.2　MTF測試

在相機(jī)進(jìn)行動態(tài)MTF測試時，對自動調(diào)光效果進(jìn)行評估。通過動態(tài)目標(biāo)發(fā)生器和平行光管模擬無窮遠(yuǎn)的運(yùn)動目標(biāo)，調(diào)整動態(tài)目標(biāo)發(fā)生器的目標(biāo)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速，模擬典型軌道高度下的探測器星下點(diǎn)速度，采用1倍頻靶標(biāo)，模擬軌道高度265 km進(jìn)行固定行頻設(shè)置，增益設(shè)置為1倍增益，積分級數(shù)分別設(shè)置CCD全色的96級、64級、48級、32級、16級、8級，進(jìn)行動態(tài)傳函的測試，測試結(jié)果見表3。

表3各積分級數(shù)對應(yīng)的MTF

Tab.3　MTF corresponding to each integral series

由表中測試數(shù)據(jù)可以看出，積分級數(shù)48級時，圖像MTF最大為0.104。

同樣測試條件下，對比相機(jī)開啟自動調(diào)光前后的全色譜段MTF值，圖7為未開啟自動調(diào)光功能，TDI CCD以默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行成像，默認(rèn)積分級數(shù)為8級，默認(rèn)增益為1，平均MTF為0.092。

圖7　自動調(diào)光前MTF測試圖像

開啟自動調(diào)光，積分級數(shù)自動調(diào)整為 48 級，增益為1，平均MTF為0.105，如圖8所示。

圖8　自動調(diào)光后MTF測試圖像

測試結(jié)果如表4所示。

表4自動調(diào)光前后MTF值對比

Tab.4　MTF value comparison before and after adaptive automatic exposure

相機(jī)動態(tài)MTF測試中，開啟自動調(diào)光功能后，相機(jī)根據(jù)當(dāng)前入瞳輻亮度，自動選擇48級進(jìn)行成像，較默認(rèn)8級成像時MTF提升0.013，自動調(diào)光效果良好。

6 外景成像試驗(yàn)

在室溫條件下，利用單軸轉(zhuǎn)臺模擬推掃成像，對室外3.5 km外的目標(biāo)進(jìn)行推掃成像，首先使用默認(rèn)成像參數(shù)對目標(biāo)進(jìn)行成像，得到的圖像灰度值較低，圖像層次不分明，如圖9所示。

開啟自動調(diào)光功能后，對同一目標(biāo)進(jìn)行再次推掃成像，如圖10所示，圖像灰度值明顯增加，層次分明，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計目的。

圖9　自動調(diào)光前外景圖像

圖10　自適應(yīng)調(diào)光后外景圖像

7 結(jié)　論

我國首次火星探測任務(wù)天問一號上的高分相機(jī)，為獲取高質(zhì)量圖像數(shù)據(jù)，針對火表復(fù)雜照度，提出了基于TDI CCD推掃成像與CMOS凝視成像自動調(diào)光成像電路設(shè)計，并提出了基于FPGA的自動調(diào)光算法。在實(shí)驗(yàn)室利用積分球?qū)ψ詣诱{(diào)光功能進(jìn)行了驗(yàn)證，在外場試驗(yàn)中，對實(shí)際景物進(jìn)行自動調(diào)光前后對比拍攝。結(jié)果表明，自動調(diào)光成像效果良好，具備較好的場景適應(yīng)能力，滿足火表復(fù)雜照度下自動調(diào)光成像需求。

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Design of auto-exposure imaging circuit under complex illuminance of Mars in Tianwen-1 high-resolution camera

HUANG Jingtao*，WANG Xiaodong，SUN Zhenya，ZHOU Dali，ZHOU Pengji

（，，，130033，）

，：3511643163

The imaging quality of a space-borne camera is key to accurately obtain remote-sensing data. Exposure is an important parameter in the design of a space-borne camera， which affects the image quality of the camera. Auto-exposure obtains information from the target scene in advance and uses it as the basis for determining the exposure， which can avoid the loss of image information by overexposure or underexposure. In order to obtain high-quality image data from the high-resolution camera in Tianwen-1 under the complex illuminance of Mars， an auto-exposure imaging circuit， based on TDI CCD push-broom and CMOS staring imaging， and an FPGA-based auto-exposure algorithm is proposed. The auto-exposure experimental results from the high-resolution camera in Tianwen-1 show that the dynamic transfer function MTF of the image after auto-exposure is increased by 0.013. In an outdoor test， a comparison of the actual scene before and after the auto-exposure shows that the effect of auto-exposure is good， with better scene adaptation. The proposed circuit has the ability to meet the requirements of auto-exposure imaging under the complex illumination of Mars.

TDI CCD； CMOS； auto-exposure； Tianwen-1；MTF

TP272

A

10.37188/OPE.20223002.0191

黃敬濤（1988），男，吉林通化人，碩士，助理研究員，2013年于吉林大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事空間光電探測方面研究。E-mail：3511643@163.com

1004-924X（2022）02-0191-08

2020-11-12；

2021-01-02.

北京市科技計劃課題資助項(xiàng)目（No.Z191100004319001）