石俊霞，李佩玥，李洪法，郭永飞

（1.中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033；2.中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室，吉林 长春 130033；）

1 引 言

随着空间遥感技术的发展，遥感相机不仅分辨率不断提高，成像范围也在不断扩大。现有的CCD器件尺寸已经不能满足大焦面遥感相机的要求。目前都是采用多片TDICCD拼接技术来实现高分辨率和大视场的要求［1－4］。航天遥感相机的视场主要受限于光学系统大小，在光学系统一定的条件下，为了进一步扩大视场，要求遥感相机在侧摆模式下进行工作［5－6］。侧摆时，由于相机和地面有一定的倾斜角，使得相机可以观测的范围增大。在侧摆成像模式下，相机曝光期间CCD电荷转移和地面景物存在相对运动，调制传递函数会下降，导致图像模糊［7］。为了解决这一问题，通常采用分段异速的方式，即各片CCD在各自的行频下独立工作［8］。由于各片CCD的行周期之间存在误差，这样，在一段时间内，累积的误差就会导致由相机输出的图像中的时间信息和卫星时间产生较大的差异。此时会导致图像定位产生较大的误差。这里所谓的图像定位是指由TDICCD相机输出的图像来确定对应地面的实际地理位置，而由图像估算的目标点与实际地面位置的偏差称为图像定位误差［9］。图像定位误差与卫星姿态、轨道及相机对卫星时间的跟踪精度即相机守时均有关系［10］。目前对于图像定位的研究多是针对卫星姿态及轨道所引入的定位误差［11－12］，而对于相机守时引起图像定位误差研究的较少，本文针对相机守时引入的图像误差，结合实际工程研究，介绍了遥感TDICCD相机的组成及工作原理，着重分析了侧摆成像模式下图像定位存在的问题，提出一种提高图像定位精度的方法，计算结果表明，提出的方案能满足系统对于相机图像定位精度的要求。

2 遥感TDICCD相机成像系统组成及工作原理

2.1 TDICCD相机工作模式

遥感TDICCD相机工作模式可分为星下点工作模式和侧摆工作模式。侧摆工作模式是指相机在星下点工作模式的基础上倾斜一定的角度，该角度称为侧摆角。侧摆工作时相机可获得更大的视场。但是，在侧摆工作模式下，为了保证拍摄图像的清晰，各片CCD需采用不同的行周期。下面对星下点成像模式及侧摆成像模式下的行周期进行计算。

记CCD像元尺寸为a，地面像元分辨率为GSD，相机焦距为f，轨道高度为H。

F为光学系统焦点，φ代表焦面任意一点P面任于视场中心点相对于焦点F所成的角度，像面速度vs，地面速度vg，则

星下点成像时成像几何关系如图1所示，CCD像面上的点ABCD对应地面景物A′B′C′D′，像面上任意一点P对应地面景物P′。

图1 星下点成像几何关系图Fig.1 Geometry relation of normal imaging

星下点成像时，像面上各点像移速度一致，

设像面任意一点P对应地面P′，则P、P′满足关系：

因此，星下点成像时

TDICCD相机侧摆成像时，以向右侧摆角度θ为例，成像几何关系如图2所示。同样，CCD像面上的点ABCD 对应地面景物A′B′C′D′，像面上任意一点P对应地面景物P′。

图2 侧摆成像几何关系图Fig.2 Geometry relation of scolling imaging

侧摆成像时，像面上各点的像移速度各不相同，根据三角关系有：

由式（9）可知，侧摆成像时，行周期值既与侧摆角度有关，也与焦面上像元位置有关。行周期值设置越精细，相机成像质量也越高，但同时相机设计也越复杂。在实际工程中，每个像元采用不同的行周期是不可实现的，对于拼接相机一般每片CCD采用单独的行周期即可满足系统对调制传递函数的要求［8］。

2.2 遥感TDICCD相机工作原理

图3 遥感TDICCD相机组成框图Fig.3 Structure of TDICCD remote sensing camera

本文以实际工程中TDICCD相机为例进行说明。该相机侧摆工作时侧摆角为－40°～＋40°。图3所示为TDICCD相机组成框图，TDICCD相机由相机本体和相机控制器组成，相机本体是TDICCD相机的核心部件，它由10个成像单元组成，10个成像单元组成完全一样，每个成像单元包含一片TDICCD，10片TDICCD在焦平面进行首尾拼接。相机本体的工作由相机控制器进行控制的，相机控制器为相机本体提供复位信号、摄像控制信号，行同步信号以及相机的工作参数，而相机控制器产生的行同步信号由星务控制系统的秒脉冲进行校正，校正周期为500 ms。TDICCD相机是以行为单位成像，相机工作时，成像单元1－成像单元10在行周期信号的控制下进行CCD的积分以及图像的输出，TDICCD相机输出的图像经由数传系统传回地面。为了方便判读每一行图像的起始以及该行图像成像时刻的工作参数，在输出图像数据的时候，同时输出一些额外的数据，这些数据称为图像辅助数据，包括帧头、成像单元通道号、图像行号、卫星辅助数据、主控辅助数据以及工作参数（行周期参数、积分级数以及增益偏置参数等）等。卫星辅助数据主要用来标识当前工作过程的卫星工作状态，主控辅助数据描述的开始摄像后，每个秒脉冲到来时相机控制器发出的行同步信号的个数，以及秒脉冲上升沿到来后的第1个行同步信号上升沿的时刻。其中行同步信号的个数对应辅助数据中的“秒脉冲时刻对应行计数”，秒脉冲上升沿到来后的第1个行同步信号上升沿的时刻对应“秒脉冲整秒时刻”以及“行同步相对秒脉冲延时计数”。数传数据中的帧头、成像单元通道号以及图像行号是由成像单元生成，帧头用于标识一行数据的开始，通道号用于识别不同的成像单元，图像行号是用于标识当前输出的图像时开始摄像之后的第几行。而卫星辅助数据、主控辅助数据和工作参数是由相机控制器经由485总线发送给成像单元的。在成像单元输出数据时，由于工作参数更新频率比较低，为了减少图像辅助数据占用的字节数，将卫星辅助数据、主控辅助数据以及工作参数以16行为一个循环插入到图像数据中。在获得图像数据后，可根据摄像时刻卫星时间和TDICCD相机输出的辅助数据中的时间信息（主控辅助数据）来定位图像所在的地理位置。因此，TDICCD相机的时间信息和卫星时间信息之间的差异至关重要，二者相差越小，图像定位误差越小。卫星时间与相机控制器时间的时间关联就是卫星发送给相机的秒脉冲信号，相机控制器与成像单元之间的时间关联是外行同步信号，相机控制器的外行同步信号的上升沿由秒脉冲进行校正。因此，成像单元的时间信息可由外行同步信号的上升沿作为参考。

3 TDICCD相机图像定位的实现

由2.1的分析可知，各成像单元实际使用的行周期信号与工作模式相关。在星下点工作模式时，各成像单元的行周期均相同，直接采用控制器发出的行同步信号作为实际使用的行周期信号。当成像单元在侧摆工作模式时，成像单元的行周期信号各不相同，此时，各成像单元采用自已产生的内部行同步信号作为实际使用的行周期信号。内部行同步信号由成像单元根据RS－485总线接收的行周期参数值生成。侧摆工作模式下，每片CCD行周期并不相同，因此实际使用的行周期信号与控制器发出的外行同步信号之间是异步的。

3.1 星下点模式图像定位的实现

在星下点工作模式下，相机实际使用的行周期信号就是控制器发出的行同步信号，因此每片CCD 的行周期信号的上升沿时刻就是相机控制器发出的行同步信号上升沿时刻。

相机工作过程中，相机控制器发出的行同步信号上升沿时刻每隔500ms由卫星的秒脉冲校正一次。在相机控制器中采用1M时钟进行守时和校时。假设时钟的稳定度为1×10－4，那么在500ms内任一行同步信号的上升沿时刻误差不会超过Δtxxd＝500ms×1×10－4＝50μs。

星下点工作模式下的最小行周期为80μs。可以看出，在这种模式下，系统的时间误差已经小于最小行周期，因此由其造成的地面定位误差小于地面像元分辨率，可忽略不计。

此时，相机控制器发出的行同步信号上升沿时刻，可由数传辅助数据中主控辅助数据以及行周期计算得出，计算方法如下：

假设相邻两包主控辅助数据第n包和第n＋1包主控辅助数据之间的行同步信号共有N＝An＋1－An个。第An行后任一行同步信号的上升沿时刻txxd计算公式为

式（10）中参数含义如表1所示。

表1 星下点模式行同步信号上升沿的时刻计算方法Tab.1 Calculation method for timing of line rising edge in normal mode

3.2 侧摆成像模式下图像定位的实现方案

侧摆工作模式下各成像单元采用自己产生的内部行同步信号作为实际使用的行周期信号。内部行周期的产生受相机控制器发送的复位信号控制，因此复位时刻的行周期信号上升沿时刻是确定的，但各成像单元的行周期信号都是异步的，如图4所示。

图4 侧摆成像模式各片CCD行周期信号Fig.4 Line signal for every CCD in scolling mode

因此，在侧摆工作模式下，根据开始摄像时刻和数传接口中记录的实际执行周期值累加，计算可得每个行周期信号上升沿时刻。假设开始摄像时刻为t0，行周期为T，则开始摄像后第N个行周期上升沿时刻t可以表示为：

这种设计的缺点在于，由于只有复位时刻的行周期上升沿时刻是被卫星校正过；其余每个行周期信号上升沿时刻存在累积误差。假设时钟的稳定度为1×10－4，成像时间为10min，成像10 min后的时钟累积误差Δt为：

如果当前行周期为80μs，上述时钟累积误差会造成的地面误差ΔL为：

从上面的分析中可以看出，同速工作模式下，行周期信号上升沿时刻每500ms被卫星校正一次，其所产生的误差在满足系统对TDICCD相机图像定位的要求。在侧摆工作模式下，采用这种方法计算行周期上升沿时刻，在成像时间较长时误差较大，已经不宜采用，应对其进行修改。因此下面重点讲述改进后的计算方法。

在侧摆工作模式时，成像单元1～10的行周期信号各不相同，为了建立他们之间的相互关系，成像单元5仍然采用相机控制器发出的行同步信号作为实际使用的行周期信号，因此它的行周期信号上升沿时刻也由相机控制器发出的行同步信号时刻决定。而其他成像单元通过485总线接收来自相机控制器的行周期参数并生产各自的行周期信号，同时，除成像单元5以外的其他成像单元（成像单元1，2，3，4，6，7，8，9，10）仍然接收来自相机控制器发出的行同步信号。

成像单元对于第1、2、3、4、6、7、8、9和10通道，从开始摄像信号上升沿开始，对相机控制器发出的行同步信号和当前通道的行周期信号的行号分别进行计数。同时，每隔16行，利用计数器计数从16行循环中最后一行的行周期信号（假设其行号为第N＝16n行）上升沿，到在它之前与其紧相邻的第1个行同步信号（假设其行号为第M行）的上升沿的时间差ΔT，将其称为相位差，如图5所示。这里的n＝1，2，3，……

图5 改进后成像单元行周期上升沿时刻产生方法Fig.5 Improved line rising edge timing generate method for imaging unit

采用这种方法需要记录3种信息，行同步信号的行号M，行周期信号的行号N，以及行周期信号（假设其行号为第N行）上升沿到在它之前的第1个行同步信号的上升沿的时间差ΔT。

在成像FPGA的程序中，每隔16行将16行循环中最后一行的行周期信号上升沿时刻添加到数传辅助数据包中，并且其更新速度与485总线上的行周期设置指令帧同步。由于行周期设置指令帧每500ms由主控给成像单元更新一次，因此行周期信号上升沿时刻的更新速度也是500ms一次。采用这种办法形成的新辅助数据包格式如所示。

从上面的设计说明中可以看出，每个16行循环中第16行的行周期信号上升沿时刻，可根据辅助数据计算得出；而其余15行的行周期信号上升沿时刻，则可根据第16行的行周期信号上升沿时刻和行周期计数进行推算获得。

对于该定位方法的计算，下面举例说明。首先做如下假设：

（a）开始摄像后，第 N ＝16n（n＝1，2，3，……）个行周期信号上升沿时刻为t；

（b）开始摄像后，行周期信号的行号为N，其周期为T；

（c）开始摄像后，第N个行周期信号上升沿时刻所对应的由相机控制器发出的行同步信号的行号为M，该行同步信号上升沿对应的时刻为t1；

（d）相机控制器发出的行同步信号上升沿与第N个行周期信号上升沿的间隔为ΔT。

那么，开始摄像后第N个行周期信号上升沿时刻计算公式为：

开始摄像后第（N －i）（i＝1，2，3，…，15）个行周期信号上升沿时刻计算公式为：

采用上述方案后，相机本体的行信号时间信息每间隔500ms被相机控制器输入的行同步信号校正一次。因此，行信号时间信息误差取决于相机本体造成的时间误差和相机控制器造成的时间误差中的最大值。

相机本体的时间误差由式计算为50μs，相机控制器造成的时间误差由式计算也为50μs。因此，在最小行周期80μs下，一次成像10min时间内造成的地面误差为因此，采用改进的图像定位方法，在侧摆成像模式下，一次成像图像定位误差小于地面像元分辨率，满足系统对TDICCD相机的要求。

4 实验及结果

为了验证定位实现的正确性，在相机系统进行实验验证。验证方法如下（以成像单元1为例）：记成像单元1的行周期值为T1，成像单元5的行周期值为T5，成像单元5的行周期也就是成像单元1接收的外行同步信号。如图6所示，成像单元1连续两次输出的定位辅助数据中外行同步计数，行周期计数，时间差分别是N51、N11、ΔT1和N52、N12、ΔT2，连续两次输出定位辅助数据的间隔为Tab，那么式成立。

图6 改进方案验证方法Fig.6 Validate method for the improved scheme

实验结果如表2所示，其中外行周期表示相机控制器发送的外行同步信号一个周期内110M时钟个数，内行周期表示异速成像时相机本体实际执行的行周期一个周期内110M时钟的个数，外行号和内行号分别为开始摄像后外行周期的个数和内行周期的个数，差代表成像单元实际执行行周期和该行周期前最近的外行同步信号之间的时间，用110M时钟个数表示。由实验结果可以看出，计算的差值时间为0，可以验证采用的方案是正确的，即提出的改进方案在一次成像时间内定位误差不超过地面像元分辨率，满足系统对相机定位的要求。此外，这种方案与侧摆角度无关，同时也适用于星下点成像模式。

表2 侧摆成像图像定位精度结果Tab.2 Result of image location accuracy in scolling imaging mode

5 结 论

针对空间遥感TDICCD相机在侧摆成像模式下工作一段时间后累积定位误差大的问题，提出了一种通过记录3种信息：行周期信号上升沿时刻、行同步信号上升沿时刻和二者之间时间差来对图像进行定位的方法。采用该方法后，在一次成像过程中，图像定位误差小于地面像元分辨率，满足系统对TDICCD相机定位精度的要求。

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