CN104486535B - 帧转移型ccd航空相机扫描像移补偿方法 - Google Patents

Abstract

帧转移型CCD航空相机扫描像移补偿方法，属于航空相机成像技术领域，为了解决现有技术需要机械快门对光进行阻断的问题，该方法：步骤1，陀螺测量航空相机相对惯性空间的摆扫角速度，为了减少安装非正交性引起的测量误差，陀螺敏感角速度的方向与航空相机摆扫方向一致；步骤2，行转移脉冲发生器接收陀螺测量到的相机摆扫角速度信息，计算像移补偿时刻帧转移CCD的行转移脉冲频率；步骤3，在像移补偿阶段，帧转移CCD时序发生器计算产生的脉冲信号驱动帧转移CCD进行电荷转移，实现像移补偿；步骤4，在电荷读出阶段，帧转移CCD时序发生器根据内部设定的行转移周期频率自行驱动帧转移CCD进行电荷转移，实现对景物像点的光敏成像。

Description

帧转移型CCD航空相机扫描像移补偿方法

技术领域

本发明属于航空相机成像技术领域，涉及帧转移型面阵CCD在航空成像***中的应用，具体涉及一种采用帧转移型面阵CCD的航空相机扫描像移补偿方法。

背景技术

为了扩大地面覆盖宽度，面阵CCD航空相机一般采取连续摆扫成像的工作方式。摆扫成像将带来扫描像移，为了保证成像分辨率，需要对扫描像移进行补偿。当前扫描像移的补偿方式一般分两种，一为光机式补偿，二为基于全帧转移CCD的电子式补偿。光机式补偿方法采用转动成像***中光学元件的方式使曝光时刻景物像点与光敏介质之间保持相对静止，这种方法受限于执行结构的性能，补偿带宽与精度有限。基于全帧转移CCD的电子式补偿方法使曝光时刻内电荷转移线速度与景物像点移动线速度相匹配，当曝光结束后需要机械快门对光进行阻断，从而避免像素电荷串行读出时光敏像元继续收集光子引起图像拖尾效应。然而机械快门的寿命有限，且由于快门开启、关闭控制精度的差异将引起CCD曝光非均匀，对成像***的可靠性与性能具有较大影响。

发明内容

本发明为了解决现有技术需要机械快门对光进行阻断而引起CCD曝光非均匀，对成像***的可靠性与性能具有较大影响的问题，提出一种帧转移型CCD航空相机扫描像移补偿方法，通过驱动帧转移CCD的电荷运动实现扫描像移的片上补偿，这种方法在像移补偿后将整帧像素电荷并行快速转移至暗像元存储区，因此无需机械快门对光进行阻断。

本发明的技术方案是：

帧转移型CCD航空相机扫描像移补偿方法，包括以下步骤：

步骤1，陀螺测量航空相机相对惯性空间的摆扫角速度，为了减少安装非正交性引起的测量误差，陀螺敏感角速度的方向与航空相机摆扫方向一致；

步骤2，行转移脉冲发生器接收陀螺测量到的相机摆扫角速度信息，计算像移补偿时刻帧转移CCD的行转移脉冲频率；由于相机摆扫导致景物像点在帧转移CCD焦平面上移动线速度V_S为：

V_S＝ω_S·f (一)

其中ω_S为航空相机摆扫角速度，单位为弧度/秒，f为航空相机焦距，单位为米；为了保证景物像点移动的线速度与电荷转移线速度相等，行转移脉冲发生器产生的电荷转移脉冲周期为：

(二)

其中b为CCD的像元尺寸，单位为米；则行转移脉冲频率为：

(三)；

步骤3，在像移补偿阶段，帧转移CCD时序发生器根据式(三)计算产生的脉冲信号驱动帧转移CCD进行电荷转移，实现像移补偿；

步骤4，在电荷读出阶段，帧转移CCD时序发生器根据内部设定的行转移周期频率自行驱动帧转移CCD进行电荷转移，实现对景物像点的光敏成像。

本发明原理为：1)航空相机通过摆扫的方式对地面景物成像，帧转移CCD将地面景物的光子信息转换为电子信息收集起来。2)装置于相机扫描机构上的陀螺测量相机相对于惯性空间的扫描角速度，并通过该角速度计算出景物像点沿着扫描方向的移动线速度。3)为了补偿扫描像移，需通过数字信号处理单元计算出帧转移CCD的行转移脉冲频率，从而使曝光时刻景物像点移动线速度与电荷转移线速度实现完全匹配。4)在一帧图像曝光结束后，将存储于光敏区的像素电荷全部并行快速转移至暗像元存储区，最终将存储于暗像元区的电荷串行读出，完成一帧成像过程中扫描像移的补偿以及电荷的读出。

本发明通过将传统帧转移CCD的电荷转移分为两个阶段：像移补偿阶段和电荷读出阶段，不仅实现了扫描像移的电子式补偿，而且在电荷读出阶段无需机械快门对光进行阻断。像移补偿原理为航空相机扫描过程中景物像点的沿着扫描方向将发生线运动，通过移动光敏像元使之与景物像点移动匹配即可实现像移补偿。全帧像素电荷读出时无需快门对光阻断原理为，曝光结束后将所有的像素电荷通过并行方式快速转移至帧转移CCD的暗像元存储区，然后串行读出。由于暗像移存储区不对光敏感，因此在像素电荷读出过程中无需快门对光阻断。

本发明的有益效果是，该方法对扫描像移进行电荷式补偿，所用的结构简单，与传统光机式的补偿方案相比具有宽频带高精度的航空相机扫描像移补偿效果；其次本发明利用了帧转移CCD具有完全对称的光敏成像区与暗像元存储区的特点，电荷读出时无需机械快门配合，因此可靠性高及曝光非均匀性好。

附图说明

图1是本发明帧转移型CCD航空相机扫描像移补偿方法框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细的描述。

如图1所示，本发明主要由测量航空相机相对于惯性空间扫描角速度的陀螺1、行转移脉冲发生器2、帧转移CCD时序发生器3和帧转移CCD 4组成。

帧转移CCD的航空相机扫描像移补偿方法，包括以下步骤：

步骤1，陀螺1测量航空相机相对惯性空间的摆扫角速度，为了减少安装非正交性引起的测量误差，陀螺1敏感角速度的方向与航空相机摆扫方向一致。

步骤2，行转移脉冲发生器2接收陀螺1测量到的相机摆扫角速度信息，计算像移补偿时刻帧转移CCD的行转移脉冲频率。由于相机摆扫导致景物像点在帧转移CCD焦平面上移动线速度V_S为：

V_S＝ω_S·f (一)

其中ω_S为航空相机摆扫角速度，单位为弧度/秒，f为航空相机焦距，单位为米。为了保证景物像点移动的线速度与电荷转移线速度相等，行转移脉冲发生器2产生的电荷转移脉冲周期为：

(二)

其中b为CCD的像元尺寸，单位为米。则行转移脉冲频率为：

(三)

例如，某航空相机焦距为1000mm，摆扫角速度为2度/秒，像元尺寸为10微米，根据式(一)可得景物像点在帧转移CCD焦平面上移动线速度V_S为：

(四)

进而求得行转移脉冲发生器2产生的电荷转移脉冲频率为：

(五)。

步骤3，在像移补偿阶段，帧转移CCD时序发生器3根据式(三)计算产生的脉冲信号驱动帧转移CCD 4进行电荷转移，实现像移补偿。

步骤4，在电荷读出阶段，帧转移CCD时序发生器3根据内部设定的行转移周期频率自行驱动帧转移CCD 4进行电荷转移，实现对景物像点的光敏成像。为了减少转移过程中的图像拖尾效应，自行设定的电荷转移周期频率为不降低图像质量情况下所能达到的最高行转移周期频率。

Claims (1)

1.帧转移型CCD航空相机扫描像移补偿方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1，陀螺(1)测量航空相机相对惯性空间的摆扫角速度，为了减少安装非正交性引起的测量误差，陀螺(1)敏感角速度的方向与航空相机摆扫方向一致；

步骤2，行转移脉冲发生器(2)接收陀螺(1)测量到的相机摆扫角速度信息，计算像移补偿时刻帧转移CCD的行转移脉冲频率；由于相机摆扫导致景物像点在帧转移CCD焦平面上移动线速度V_S为：

V_S＝ω_S·f (一)

其中ω_S为航空相机摆扫角速度，单位为弧度/秒，f为航空相机焦距，单位为米；为了保证景物像点移动的线速度与电荷转移线速度相等，行转移脉冲发生器(2)产生的电荷转移脉冲周期为：

$T=\frac{b}{{\mathrm{\ω}}_{S}f}$ (二)

其中b为CCD的像元尺寸，单位为米；则行转移脉冲频率为：

$F=\frac{1}{T}\frac{{\mathrm{\ω}}_{S}f}{b}$ (三)；

步骤3，在像移补偿阶段，帧转移CCD时序发生器(3)根据式(三)计算产生的脉冲信号驱动帧转移CCD(4)进行电荷转移，实现像移补偿；

步骤4，在电荷读出阶段，帧转移CCD时序发生器(3)根据内部设定的行转移周期频率自行驱动帧转移CCD(4)进行电荷转移，实现对景物像点的光敏成像。