范斌，于起峰

1.国防科技大学， 长沙 410073 2.北京空间机电研究所，北京100094



卫星平台运动对高分辨率光学遥感成像系统影响分析

范斌1,2，*，于起峰1

1.国防科技大学， 长沙 410073 2.北京空间机电研究所，北京100094

在高分辨率光学遥感成像过程中，卫星平台的不稳定性将影响相机成像质量。针对该问题，在分析动态降质机理的基础上分别就面阵凝视模式、线阵推扫模式及时间延迟积分(Time Delay and Integration,TDI)推扫模式提出了相应的动态成像仿真模型，以此模拟不同情况下的退化结果。以高分辨率遥感相机为对象，开展多种情况下的仿真试验分析。结果表明，同等平台运动条件下，TDI推扫模式下的图像质量下降更明显；分辨率越高，像质对平台振动的响应灵敏度越高。最后结合仿真模型及图像评价参量，建立起空间分辨率与平台颤振指标之间的关系，给出不同空间分辨率下的平台运动误差阈值，为平台振动抑制和补偿提供约束条件。

平台运动；光学成像；高分辨率；仿真模型；图像质量

星载光学遥感相机需要高精度稳定的平台支撑。成像期间的姿态稳定性对于图像质量尤其关键。姿态扰动将干扰像运动，导致所获得的图像模糊和几何变形。对于高分辨率星载成像系统而言，这种扰动对像质的影响更为敏感[1]。姿态不稳定导致成像质量下降的原因是产生了振动像移。

针对像移对时间延迟积分电荷耦合器件(Time Delay and Integration Charge Coupled Device,TDICCD)相机的影响，国内外进行了相应的研究。文献[2]建立了TDICCD相机推扫方向上不同电荷转移时钟驱动相数下的调制传递函数(Modulation Transfer Function,MTF)模型。文献[3]分析了TDICCD行扫速率与运动像不同步时对相机质量的影响。文献[4-6]建立了像移影响下TDICCD相机空变降质模型，给出了像移影响下的动态MTF模型及计算方法。文献[7]给出了TDICCD相机受运动影响后模糊图像的仿真方法，文献[8-10]给出了模糊图像的复原方法。本文将基于像移像质退化模型分析振动像移对像质的影响。

遥感成像仿真可以定量模拟各类要素对成像几何、辐射质量的影响，还可以验证某些模型、算法的正确性，因而是卫星工程的重要一环[11]。尽管像移对成像质量的影响在有关文献中已有相关介绍，但是平台振动影响下的星载相机降质可视化仿真与图像评价却鲜有研究。本文将就其开展研究，建立星载光学相机动态降质仿真模型，基于成像仿真手段研究卫星平台运动对不同类型的遥感相机像质的影响，建立起平台颤振与光学成像相机图像质量之间的关系，为高分辨率光学遥感成像系统的颤振抑制提供参考。

1 振动像移分类及降质原理

从国外的理论建模和试验结果中可以看出卫星姿态振动的规律是高频低振幅、低频高振幅，频谱范围从轨道周期倒数到几千赫兹[10-13]，传递到像面上引起像的振动，也即振动像移。像移是时间的函数，是平台等的振动在像面上的映射。像点的运动形式包括线性运动、随机运动和正弦运动。正弦运动按照振动周期与积分时间的关系又分为高频振动和低频振动[6]。不同形式的振动形式如图1所示。

按照方向又分为像面方向上振动以及沿光轴方向振动。像面方向上的像移降质的机理可参考文献[4]，主要是由于点扩散函数宽度及中心位置的变化导致图像产生模糊与变形。光轴方向上的像移降质可看作在不同时刻由于离焦产生点扩散函数之和的平均。本文以像面方向上的像移为研究对象开展。

2 仿真模型

星载高分辨率相机的成像模式有多种，典型的主要有推扫成像(TDI和线阵)及面阵凝视成像，如表1所示。针对推扫成像模式，为了保证信噪比，在分辨率较高的情况下，通常采用TDI模式。不同成像模式下的动态降质模型是不一致的，需要分别建立。

表1 高分辨卫星典型代表

2.1 面阵凝视相机动态成像仿真模型

凝视成像模式示意如图2所示，在该模式下，1帧图像是同时曝光的，不同位置的像点振动函数一致。

(1)

式中：p为像元尺寸；R为阵列总行数；C为阵列总列数；r为阵列行号；c为阵列列号；T为行周期。

2.2 线阵推扫相机动态成像仿真模型

线阵推扫成像时，不同行的图像对应的初始积分时刻不同，设定第一行的初始积分时刻为0，则第n行的初始积分时刻为(r-1)T，如图3所示。因此，线阵推扫相机的动态成像仿真模型为：

(2)

2.3 TDICCD动态成像模型

仅分析像移对像质的影响，因此这里忽略TDI方向上像元的感光尺寸。如图4所示，浅色框代表单级积分时间单个像素扫过的面积，如无非正常的像移，每个像素运动的长度与相邻的像素之间的距离一致，这样可以保证多级像素对同一区域进行积分累积能量。而在非正常推扫情形下，探测器各级对应的区域不一致，导致多级累加后产生图像模糊。

设理想像速度(即电荷转移速度)TDI方向上的不正常像移为TDI方向上的总像移ξx(t)=v[t-(L-2+n)T]+X(t)，包含正常像移和非正常像移，垂直TDI方向上仅为非正常像移，为ξy(t)=Y(t)。由推扫TDICCD相机的电荷累加原理及线阵CCD动态降质模型，得到TDICCD相机的动态降质模型：

(3)

式中：N为积分级数。

从上面可见，普通线阵CCD的模型与级数为1的TDICCD的模型相当。

为了将数学模型转化成可仿真的计算机语言，采用数值积分的方法计算式(1)～(3)中的定积分，本文采用复合梯形公式开展计算。

3 光学遥感成像仿真实验与分析

3.1 仿真原始场景

仿真原始场景选用高分辨率遥感图像及靶标图像，如图5所示。

3.2 图像质量评价方法

图像评价方法采用均方误差MSE和结构相似度SSIM两种评价指标[14-15]，SSIM可以反映亮度、对比度和结构信息的差异，SSIM越接近1，代表两幅图像越接近。

3.3 像移计算

3.4 TDI行频及积分时间计算

空间光学相机在轨成像过程中为获得较高的图像信噪比，需要保持一定时间的积分，尤其在弱光及低反射率的条件下。下面给出不同分辨率下为达到近似一致的信噪比所需的行周期与积分级数，作为仿真的输入，如表3所示。

表2 不同分辨率下的像移幅值

表3 不同分辨率下行周期及积分级数

3.5 仿真试验

(1)不同振动方向下的动态降质仿真

以TDI推扫相机为例，将表2中的1 m分辨率、1Hz低频振动参数作为输入，为得到较好的目视效果，采用靶标作为仿真源，仿真分析不同方向上的像点振动对成像质量的影响，如图6所示。

从仿真结果可见，不同方向上的振动对图像质量的影响是不同的，二者均产生了空间变化的图像质量下降。在几何变形上，当振动发生在推扫方向，由于推扫方向上不同扫描行对应的像移速度不一致，导致图像在TDI方向上存在周期性的拉伸与收缩。当振动发生在垂直推扫方向上时，图像产生空间周期性扭曲，具体扭曲的幅值、周期等的理论分析可参考文献[4]。

(2)不同成像模式下的动态降质仿真

设定分辨率为1 m，以Landsat低频(1 Hz)振动数据为平台振动输入，将振动施加在x方向，仿真分析不同成像模式下的成像结果，并给出相应的评价结果，如图7所示。

从仿真结果可见，推扫成像相对凝视成像有了较大的图像变形。对仿真结果的评价如表4所示。

表4 不同成像模式仿真评价结果

凝视成像下的SSIM比较接近1，说明该图的几何变形很小。由于推扫成像下产生的几何变形小，因此SSIM较低，MSE较大。说明在同等的运动条件下，运动给TDICCD相机带来的图像质量下降更明显。

(3)不同TDI级数下的动态降质仿真

设定像移方向与推扫方向夹角45°，以表2中的2 m分辨率对应的像移函数作为输入，分析不同级数下的动态降质效果，为考察振动对像质的影响，不考虑噪声，对仿真图像进行灰度拉伸，拉伸到同一动态范围下。仿真结果如图8所示。

评价结果如表5所示。

表5 不同级数下的评价结果

由仿真及评价结果可见，随着级数的增加，图像的模糊程度增加，但是图像的变形量随级数的变化相对不明显。

(4)不同分辨率下的动态降质仿真

以TDI推扫成像模式为例，像移输入参照表2，仿真分析不同分辨率下的动态降质情况，如表6所示。

由此仿真结果可见，分辨率越高，图像的降质越明显。主要原因是分辨率高，系统的焦距越长，平台振动到像面的传递效应越大。依据退化模型及图像质量评价结果，对不同的分辨率提出相应的抑制要求，得到结果如表7所示。

表6 不同分辨率下的动态降质仿真结果

表7 不同空间分辨率下的平台振动抑制要求

4 结束语

星载相机成像中受卫星平台振动的影响导致像质退化。本文分析了不同成像模式下的光学遥感系统在像移影响下的的像质退化仿真模型，基于仿真分析的方法研究平台振动对像质的影响。分析结果表明，平台振动对像质的影响与成像模式、振动方向、振动形式、遥感器积分级数等参数以及分辨率等均有关，其中TDI推扫成像动态退化模型为空间变化的，其像质对平台颤振的响应灵敏度更高，且成像系统的分辨率越高，对平台稳定度的要求越高，因此未来发展甚高分辨率遥感系统的同时必须提升平台的稳定性。本文的研究既可以评估与预测星载光学相机的动态像质，同时为平台振动抑制提出要求，还可以为像移像质退化图像恢复奠定基础。

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(编辑：高珍)

Simulation analysis of platform vibration on image quality of satellite-based high-resolution optical system

FAN Bin1,2，*，YU Qifeng1

1.NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,China2.BeijingInstituteofspaceMechanics&Electricity,Beijing100190,China

During the imaging progress of space based high-resolution camera, the image quality will be affected by instability of satellite platform. Aimed to this problem, mechanism of image quality degradation due to image motion was firstly analyzed and then different simulation models for staring, linear scanning and time delay and integration imaging modes were brought up to simulate images caused by image motion.The high-resolution remote sensor was then taken as the simulation example to analyze image quality under different conditions. The results show that more image degradation is brought by vibration for TDI imaging mode and image quality is more sensitive to platform vibration with higher resolution. At last，the relation between spatial resolution and platform vibration parameters was built and tolerances of vibration amplitude were given according to degradation model and image quality evaluation，which can provide references for parameters of stabilization devices．

platform vibration; optical imaging; high resolution; simulation model; image quality

10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0056

2016-10-25；

2017-02-10；录用日期：2017-05-18；网络出版时间：2017-05-31 10:48:33

http:∥kns.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20170531.1048.007.html

范斌，于起峰.卫星平台运动对高分辨率光学遥感成像系统影响分析[J].中国空间科学技术,2017,37(3)：86-92.

FANB，YUQF.Simulationanalysisofplatformvibrationonimagequalityofsatellite-basedhigh-resolutionopticalsystem[J].ChineseSpaceScienceandTechnology, 2017,37(3)：86-92(inChinese).

V445.8

A

http:∥zgkj.cast.cn

*通讯作者：范斌(1972-)，女，博士研究生，fanbin_bisme@163.com，研究方向为光学遥感系统总体