CN102710905A - 一种多片交错拼接tdi-ccd相机偏流角的调整方法 - Google Patents

Abstract

一种多片交错拼接TDI-CCD相机偏流角的调整方法，包括以下步骤：步骤101：测量得到相邻的两片TDI-CCD在偏流角为零时的搭接像元列数n；步骤102：计算所述相邻的两片TDI-CCD所拍到的重复图像的像元列数m；步骤103：调整调偏流机构，使重复图像的像元列数m趋向于与搭接像元列数n一致。本发明的调整方法避免中间环节的标校，直接从成像链路的末端——图像入手，通过计算两片TDI-CCD之间搭接像元的列数来调整偏流角的大小,实现简单，调偏流速度快，很适合TDI-CCD地面转台成像实验中使用。

Description

一种多片交错拼接TDI-CCD相机偏流角的调整方法

技术领域

本发明涉及一种TDI-CCD相机偏流角的调整方法，特别是涉及一种适合于应用在航天相机地面成像实验中的，多片交错拼接TDI-CCD相机偏流角的调整方法。

背景技术

TDI（Time Delayed and Integration）-CCD，即时间延迟积分CCD，是近几年发展起来的一种新型光电传感器。TDI-CCD是基于对同一目标多次曝光，通过延迟积分的方法，大大增加了光能的收集，在恶劣环境条件下，例如在光线较暗的场所，也能输出一定信噪比的信号。在空间对地面的遥感中，采用TDI-CCD器件作为焦平面探测器可以减小相对孔径，从而可减小探测器重量和体积。当应用TDI-CCD对运动目标成像时，与其他视频扫描方法相比具有一系列优点，其中包括灵敏度高、动态范围大等。它允许在限定光强时提高扫描速度，或在常速扫描时减小照明光源的亮度，减小了功耗，降低了成本。

航天相机是航天遥感器中最重要的遥感器，一般包括航天侦察相机、航天测绘相机、航天多光谱相机及成像光谱仪。航天相机多采用TDI-CCD作为焦平面光电转换元件。拍照方式采用推扫成像技术，通过对同一目标进行多次曝光积分，获得足够的光电灵敏度和信噪比。这种TDI-CCD的工作原理与普通线阵CCD不同，它要求行扫速率与目标的运动速率严格同步。在成像过程中需要保证推扫方向和TDI-CCD积分方向严格一致，且像移速度要与TDI-CCD的行频相匹配，否则将产生图像模糊和几何畸变。控制推扫方向和行频匹配的技术被称为像移匹配技术，像移匹配是TDI-CCD使用过程中需要着重解决的问题。

TDI-CCD推扫方向和积分方向的角度偏差被称为偏流角。航天相机在研制、调试阶段需要在地面做大量成像试验，静态、动态传递函数测试等工作。航天相机的地面成像实验是航天相机研制、调试阶段的一种重要的安全测试手段。在该地面成像实验中，需要将多片交错拼接TDI-CCD相机安装在转台上，转台旋转带动相机转动，从而做到模拟在轨推扫成像。由于转台、相机、光机***、焦平面等存在安装误差；对月亮等高仰角目标成像时还会引入俯仰角误差，这些因素会在成像过程中产生偏流角，影响成像质量。由于上述地面实验中产生偏流角的因素为相机安装、目标位置、转台精度等方面。导致现有技术中的，飞行器上利用调偏流机构来实现偏流角调整的方法，不能应用在航天相机的地面成像实验中。

目前，航天相机的地面成像实验的调整偏流角的方法是：分析产生偏流角的各个环节，对各环节的引入的误差进行标定，最终通过调偏流机构将总误差引起的偏流角消除。这种方法实现起来复杂，各环节的标校精度要求很高；对于拍摄月亮这种动目标需要频繁调整偏流角，精度和速度都难以保证。所以目前，急需一种适合于应用在航天相机地面成像实验中的，多片交错拼接TDI-CCD相机偏流角的调整方法。

发明内容

为了解决现有的航天相机的地面成像实验的调整偏流角的方法存在的，各环节的标校精度要求很高、频繁调整偏流角时精度和速度都难以保证的技术问题，提出一种适用于应用在航天相机地面成像实验中的，简单高效、可以满足频繁调整需要的、多片交错拼接TDI-CCD相机偏流角的调整方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种多片交错拼接TDI-CCD相机偏流角的调整方法，包括以下步骤：

步骤101：测量得到相邻的两片TDI-CCD在偏流角为零时的搭接像元列数n；

步骤102：计算所述相邻的两片TDI-CCD所拍到的重复图像的像元列数m；

步骤103：调整调偏流机构，使重复图像的像元列数m趋向于与搭接像元列数n一致。

在上述技术方案中，所述步骤102具体包括：

步骤102a：拍照并采集图像；

步骤102b：计算相邻的两片TDI-CCD重复图像的列数m。

在上述技术方案中，在所述步骤102之前还包括步骤：确定调偏流机构初始位置。

在上述技术方案中，所述步骤103具体包括：

步骤103a：判断m是否等于0，如果是则调整调偏流机构向正方向调整偏流角，然后转步骤102；如果否则转步骤103b；

步骤103b：判断m是否小于n，如果是则计算偏流角β，并根据计算得到的结果调整调偏流机构向正方向调整偏流角β，然后结束；如果否则转步骤103c；

步骤103c：判断m是否大于n，如果是则计算偏流角β，并根据计算得到的结果调整调偏流机构向负方向调整偏流角β，然后结束；如果否则转步骤103d；

步骤103d：判断m是否等于n，如果是则结束。

在上述技术方案中，在所述步骤103之前还包括步骤：测量得到两行TDI-CCD感光区的间距d，以及每片TDI-CCD的像元尺寸a。

在上述技术方案中，

所述步骤103b中的计算偏流角β是根据：β=arcta n[a×（m-n）/d]得到的；

所述步骤103c中的计算偏流角β是根据：β=arctan[a×（n-m）/d]得到的。

本发明的有益效果是：

本发明的多片交错拼接TDI-CCD相机偏流角的调整方法，利用图像匹配的方法，计算出相邻两片TDI-CCD图像中重叠图像的列数m，图像重叠列数m与已知搭接像元列数n的差值作为调偏流方向的依据。本发明的调整方法避免中间环节的标校，直接从成像链路的末端——图像入手，通过计算两片TDI-CCD之间搭接像元的列数来调整偏流角的大小,实现简单，调偏流速度快，很适合TDI-CCD地面转台成像实验中使用。

附图说明

图1是交错拼接TDI-CCD相机中的多片TDI-CCD位置的示意图；

图2是本发明的多片交错拼接TDI-CCD相机偏流角的调整方法的一种具体实施方式中的调整方法流程示意图；

图3是图2所示的具体实施方式中，当m=0时两片CCD位置关系示意图；

图4是图2所示的具体实施方式中，当m>n时两片CCD位置关系示意图；

图5是图2所示的具体实施方式中，当0<m<n时两片CCD位置关系示意图；

图6是图2所示的具体实施方式中，当m=n时两片CCD位置关系示意图；

图7是图2所示的具体实施方式中，实验的组成框图；

图8是图2所示的具体实施方式中，相邻两片TDI-CCD拼接参数示意图；

图9是辐射状标靶的示意图；

图10是图2所示的具体实施方式中，相邻两片TDI-CCD拍照图9中所示的辐射状标靶得到的照片示意图；

图中的附图标记表示为：

1-第一片TDI-CCD（TDI-CCD1）的感光区；2-第二片TDI-CCD（TDI-CCD2）的感光区；

3-平行光管；4-相机光机本体；5-调偏流机构；6-转台；7-图像采集与处理***；8-TDI-CCD及成像电路。

具体实施方式

本发明的思想是，不交缠于分析计算产生偏流角的各环节以及各环节对产生偏流角的贡献值，而是将图像引入偏流角控制回路，因为各环节引起的偏流角的总和最终在图像中有所体现。将两片TDI-CCD获取的图像中的重复图像找出，并计算出重复图像的列数，并利用该值计算出需要调整调偏流机构的角度值，从而可以快速调整调偏流机构到准确的位置。

本发明为了克服飞行器上使用的像移补偿方法不适合地面转台推扫实验的不足，不研究像移产生的环节，直接从图像结果出发，利用图像匹配方法找出两片TDI-CCD搭接像元数，通过调整调偏流机构，使搭接像元数逼近理论数值，从而消除成像过程偏流角的影响。具体是通过以下步骤来实现：

步骤101：测量得到相邻的两片TDI-CCD在偏流角为零时的搭接像元列数n；

步骤102：计算所述相邻的两片TDI-CCD所拍到的重复图像的像元列数m；

步骤103：调整调偏流机构，使重复图像的像元列数m趋向于与搭接像元列数n一致。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

图1至图10显示了本发明的多片交错拼接TDI-CCD相机偏流角的调整方法的一种具体实施方式。

如图7所示，实验***中的设备包括：作为光源的平行光管3，相机光机本体4，与所述相机光机本体4相连接的调偏流机构5和TDI-CCD及成像电路8，以及图像采集与处理***7。所述相机光机本体5设置在转台6上。如图1所示，两行TDI-CCD中，每一行都设有多片TDI-CCD，而相邻的两片TDI-CCD处在不同两行上。在交错拼接TDI-CCD相机中的多片TDI-CCD中相邻的两片TDI-CCD（第一和第二片TDI-CCD）的位置关系如图8所示。

本发明的偏流角的调整方法的具体步骤为，如图2所示：

步骤1、确定多片（至少2片）TDI-CCD搭接拼接的像元列数n，n为图像调偏流的期望值。确定两行TDI-CCD感光区的间距d。同时需要确定调偏流机构控制码v计算公式v=f（β），该公式与调偏流机构设计的速比有关。每一个β值均对应一个调偏流控制码v，控制码v决定了调偏流机构的转动角度。

步骤2、将调偏流机构调整到中间位置。通常调偏流机构可以在正负两个方向上转动，两个方向中有一个方向会使搭接像元数比期望搭接数多，该方向定义为正方向，另一个方向会使搭接像元数少甚至会漏缝，该方向定义为负方向。实验中以调偏流机构的中间位置作为调整的起点。

步骤3、开始拍照，采集图像，获得如图10所示的图像。其中图中的A、B所指示的两部分区域的图像，为两片TDI-CCD由于搭接而产生的重复图像。

步骤4、利用图像匹配算法寻找左右两部分重复图像宽度，即重复图像的列数m。

步骤5、如果m=0，说明当前偏流角偏向负方向的角度过大，以至于两片TDI-CCD获取的图像没有重叠区域，此时需要向正方向调整调偏流机构后返回步骤3。此时两片TDI-CCD的偏转角度示意图如图3所示，第一片TDI-CCD（TDI-CCD1）的感光区1与第二片TDI-CCD（TDI-CCD2）的感光区2获取的图像没有重叠区域。

步骤6、如果m>n，说明当前偏流角偏向正方向，此时两片TDI-CCD的偏转角度示意图如图4所示，第一片TDI-CCD（TDI-CCD1）的感光区1与第二片TDI-CCD（TDI-CCD2）的感光区2获取的图像有重叠区域。此时偏流角β=arctan[a×（m-n）/d]。将偏流角β带入调偏流机构控制码v计算公式v=f（β），计算出v值，将v值传送至调偏流机构中，使之向负方向调整到β=0的位置，调偏流过程结束。

步骤7、如果0<m<n，说明当前偏流角偏向负方向，此时两片TDI-CCD的偏转角度示意图如图5所示，第一片TDI-CCD（TDI-CCD1）的感光区1与第二片TDI-CCD（TDI-CCD2）的感光区2获取的图像有重叠区域。此时偏流角β=arctan[a×（n-m）/d]。将偏流角β带入调偏流机构控制码v计算公式v=f（β），计算出v值，将v值传送至调偏流机构中，使之向正方向调整到β=0的位置，调偏流过程结束。

步骤8、如果m=n，说明偏流角β=0，此时偏流角已经调整到位，调偏流过程结束。此时两片TDI-CCD的偏转角度示意图如图6所示。

下面以具体的实验过程和具体实验数据来说明本具体实施方式。

如图7-10所示，本发明采用两片交错拼接的4096×96级TDI-CCD做偏离角调整实验。实验的组成框图如图7所示。图7中的平行光管用于模拟无穷远目标，成像相机安装于单轴转台6上，转台6转动带动相机光机本体4摆转运动来模拟推扫拍照过程。CCD成像***固联于调偏流机构5上，CCD成像***获得推扫图像数据，通过Camlink接口将图像传到图像采集与处理***7中。计算两片交错拼接TDI-CCD搭接像元数的算法在图像采集与处理***7中完成。计算出搭接像元数后，图像采集与处理***7向调偏流机构5发送指令，控制调偏流机构5转动一定的角度进行偏流角补偿。

两片TDI-CCD拼接尺寸和搭接像元数如图8所示，两片TDI-CCD感光区间距d=25mm，搭接的像元数n=30，像元尺寸a=8.75um。实验选用的靶标为辐射状靶标如图9所示。具体实验过程如下：

TDI-CCD相机上电；

将调偏流机构5调整到中间位置；

启动转台6，转台6带动相机转动；

转台6转速恒定时TDI-CCD相机开始拍照，并将两片TDI-CCD拍到的靶标图像传至图像采集与处理***7中。两片TDI-CCD拍到的原始图像如图10所示；

图像采集与处理***7中的图像匹配算法开始工作，计算两片TDI-CCD拍到的重复图像的列数m。图10中A、B两部分为重叠图像，重叠图像的列数m=23。0<m<n说明当前偏流角偏向负方向，需要将调偏流机构5向正方向调整，调整的角度β=arctan[a×（n-m）/d]=0.14。将β角带入调偏流控制码公式可以计算出v=0x034a，将该码值传输至调偏流控制器中，控制调偏流机构5向正方向转动到β=0的位置，调偏流过程结束。

本发明的多片交错拼接TDI-CCD相机偏流角的调整方法适用于多片（多于等于2片）TDI-CCD交错拼接的相机，且两片TDI-CCD具有一定的搭接像元数。对于单片TDI-CCD或者多片TDI-CCD间没有搭接像元的相机不适用本发明的偏流角调整方法。

本发明的多片交错拼接TDI-CCD相机偏流角的调整方法适用于航天、航空相机的地面转台推扫成像实验中，不适用于在执行任务中的调偏流过程。

本发明的多片交错拼接TDI-CCD相机偏流角的调整方法中的步骤4中的“利用图像匹配方法找出重叠列数”的方法有多种，在其他的具体实施方式中，只要保证准确找出两片CCD拍到的重叠区域即可。

本发明的多片交错拼接TDI-CCD相机偏流角的调整方法的上述具体实施方式，是按照左侧的TDI-CCD位于右侧的TDI-CCD下方的情况，如图8所示的相的TDI-CCD的位置关系，来进行的说明，据此显然可以得到左侧的TDI-CCD位于右侧的TDI-CCD上方的情况应如何进行偏流角的调整，故不对后一种情况进行赘述。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种多片交错拼接TDI-CCD相机偏流角的调整方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤101：测量得到相邻的两片TDI-CCD在偏流角为零时的搭接像元列数n；

步骤102：计算所述相邻的两片TDI-CCD所拍到的重复图像的像元列数m；

步骤103：调整调偏流机构，使重复图像的像元列数m趋向于与搭接像元列数n一致。

2.如权利要求1所述的调整方法，其特征在于，所述步骤102具体包括：

步骤102a：拍照并采集图像；

步骤102b：计算相邻的两片TDI-CCD重复图像的列数m。

3.如权利要求1所述的调整方法，其特征在于，在所述步骤102之前还包括步骤：确定调偏流机构初始位置。

4.如权利要求1-3任一所述的调整方法，其特征在于，所述步骤103具体包括：

步骤103a：判断m是否等于0，如果是则调整调偏流机构向正方向调整偏流角，然后转步骤102；如果否则转步骤103b；

步骤103b：判断m是否小于n，如果是则计算偏流角β，并根据计算得到的结果调整调偏流机构向正方向调整偏流角β，然后结束；如果否则转步骤103c；

步骤103c：判断m是否大于n，如果是则计算偏流角β，并根据计算得到的结果调整调偏流机构向负方向调整偏流角β，然后结束；如果否则转步骤103d；

步骤103d：判断m是否等于n，如果是则结束。

5.如权利要求4所述的调整方法，其特征在于，

在所述步骤103之前还包括步骤：测量得到两行TDI-CCD感光区的间距d，以及每片TDI-CCD的像元尺寸a。

6.如权利要求5所述的调整方法，其特征在于，所述步骤103b中的计算偏流角β是根据：β=arctan[a×（m-n）/d]得到的；

所述步骤103c中的计算偏流角β是根据：β=arctan[a×（n-m）/d]得到的。

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