何紅艷 王小勇 宗云花

(北京空間機電研究所,北京100076)

1 引言

隨著光電探測技術(shù)和高分辨率相機的發(fā)展,TDICCD相機已成為發(fā)展方向,廣泛應(yīng)用于航天遙感領(lǐng)域。航天遙感相機的輻射定標(biāo)雖然不直接參與獲取遙感圖像,但在確定圖像數(shù)據(jù)的品質(zhì)方面起著重要的作用。它使遙感信息真實、定量[1-2],是遙感信息定量化關(guān)鍵的一步。輻射定標(biāo)有絕對定標(biāo)和相對定標(biāo)2種方式,絕對定標(biāo)的目的是建立遙感器獲取的測量值與相應(yīng)實際值之間的關(guān)系;相對定標(biāo)是校正由遙感器成像通道中各個探測器(如每片CCD)之間的響應(yīng)及偏置的不均勻性、每個探測元的固有響應(yīng)和暗電流的不一致性以及探測器外圍電路特征差異的響應(yīng)不一致性所造成的圖像采集誤差。

與普通線陣CCD相機相比,TDICCD相機的輻射定標(biāo)要復(fù)雜得多,主要由TDICCD的特殊性引起。首先,為了適應(yīng)不同成像條件下的理想成像,TDICCD相機在軌期間將采用多種TDI積分級數(shù)和電路增益組合的成像模式;另外,由于TDICCD成像的同步要求[3],成像過程中相機的積分時間需要定期更新和變化,以適應(yīng)TDICCD相機的成像需要。

由于TDI積分級數(shù)、積分時間和增益為3個獨立的參數(shù),各種組合模式很多,可以多達(dá)上百種(具體見表1),在輻射定標(biāo)試驗中很難采集各種組合模式下的定標(biāo)數(shù)據(jù)。因此,如何在地面進行輻射定標(biāo)試驗以獲取必要的定標(biāo)數(shù)據(jù),如何選擇合適的定標(biāo)數(shù)據(jù)以適應(yīng)相機參數(shù)不斷變化的輻射定標(biāo),是TDICCD相機必須要解決的問題。

中巴合作的CBERS-02B衛(wèi)星于2007年9月成功發(fā)射,衛(wèi)星在01、02星的基礎(chǔ)上新配置了一臺高分辨率TDICCD相機(HR相機)[4]。相機的星下點地面像元分辨率為2.36m,圖像采用8bit數(shù)字量化,并進行了8∶1壓縮。根據(jù)HR相機的設(shè)計情況,衛(wèi)星在軌運行期間相機參數(shù)使用情況如表1所示。

相機焦面采用3片TDICCD器件視場拼接的方式。其中,TDICCD器件的主要參數(shù)如表2所示。

表2 HR相機焦面探測器參數(shù)

本文根據(jù)TDICCD相機的成像特點,結(jié)合HR相機的特殊性,對HR相機的輻射定標(biāo)試驗方案進行介紹,并對試驗結(jié)果進行分析和比較,最后給出了HR相機的在軌相對輻射校正方案,該方案已經(jīng)成功應(yīng)用于HR圖像數(shù)據(jù)的后期處理。

2 HR相機的相對輻射定標(biāo)方法

2.1 相對輻射定標(biāo)原理

理想狀態(tài)下,TDICCD相機中的每一個像元的輸出灰度值與入射的輻亮度成正比,且有相同的比例因子;當(dāng)相機入瞳處的入射光完全均勻一致時,每一像元的輸出灰度值應(yīng)完全相同。但實際上,由于各種因素的影響,如光學(xué)系統(tǒng)、不同視場及視場拼接的影響,TDICCD探測器各片、各抽頭、各像元的響應(yīng)不一致性以及電路的差異,這些因素都會導(dǎo)致理想的對應(yīng)關(guān)系不存在,常常出現(xiàn)偏差,在圖像上表現(xiàn)為條帶,使目標(biāo)失真,影響視覺效果和對目標(biāo)的分辨與解釋。

相對輻射定標(biāo)的目的就是根據(jù)定標(biāo)數(shù)據(jù),找出各像元的不一致性,并給出每個像元的輻射校正系數(shù)。根據(jù)輻射校正系數(shù),剔除各像元的差異,還原圖像的真實性,確保相機對均勻目標(biāo)成像時輸出的是均勻圖像。

目前常用的實驗室輻射定標(biāo)方法為積分球定標(biāo)法,定標(biāo)框圖如圖1所示。

采用穩(wěn)定性、面均勻性和漫射特性均滿足定標(biāo)要求的積分球作為相機的標(biāo)準(zhǔn)光源,為相機提供不同擋、已知輻亮度的均勻光源[5]。根據(jù)采集的定標(biāo)圖像,用最小二乘擬合的方法,求出相機各像元的相對輻射校正系數(shù)。

由于HR相機的系統(tǒng)響應(yīng)線性度非常好,相對輻射校正算法可采用線性擬合,具體計算方法和過程如下:

首先,根據(jù)積分球的光譜輻亮度、相機參數(shù)和定標(biāo)數(shù)據(jù),求出各探測器像元在特定相機參數(shù)組合下(定義為TDI積分級數(shù)、積分時間和增益三個相機參數(shù)的組合,下同)的響應(yīng)系數(shù);然后,根據(jù)響應(yīng)系數(shù)求出各探測器像元的相對定標(biāo)系數(shù)。

圖1 實驗室輻射定標(biāo)試驗設(shè)備安裝示意圖

具體計算過程如下:

第一步,計算響應(yīng)系數(shù)K(n)和c(n),

式中 n為探測器像元序號;c(n)為第n像元的偏置;Ic(n)為第n像元的實際輸出,對應(yīng)定標(biāo)數(shù)據(jù)中該單元的輸出灰度值的多行統(tǒng)計平均值;K(n)為第n像元的響應(yīng)系數(shù);L為等效輻亮度。

第二步,計算歸一化因子k(n),

式中 k(n)為第n像元的歸一化因子;K(n)表示所有探測器單元的響應(yīng)系數(shù)均值。

通過上述步驟,可以計算出每個相機參數(shù)組合下的各像元的相對定標(biāo)系數(shù)[k(n),c(n)]。根據(jù)定標(biāo)系數(shù),可以對獲取的圖像進行相對輻射校正,得到校正后的圖像。

2.2 TDICCD相機的相對輻射定標(biāo)方法

對于線陣CCD相機,相機參數(shù)一般只有增益可調(diào),所以在線陣CCD相機的相對輻射定標(biāo)中,可以采集每擋增益的定標(biāo)數(shù)據(jù),然后得到各擋增益的定標(biāo)系數(shù)。不同增益的原始圖像用對應(yīng)的定標(biāo)系數(shù)進行相對輻射校正即可。

但對于TDICCD相機,由于相機TDI積分級數(shù)、積分時間、增益的各種參數(shù)組合多達(dá)上百種,很難在輻射定標(biāo)試驗中采集所有相機參數(shù)組合下的定標(biāo)數(shù)據(jù)。所以,需要探討不同參數(shù)組合下的相對定標(biāo)系數(shù)是否具有一致性,如:

1)不同TDI積分級數(shù)的相對輻射定標(biāo)系數(shù)是否一致(積分時間和增益保持不變);

2)不同積分時間的相對輻射定標(biāo)系數(shù)是否一致(TDI積分級數(shù)和增益保持不變);

3)不同增益的相對輻射定標(biāo)系數(shù)是否一致(TDI積分級數(shù)和積分時間保持不變)。

如果上述3種可能中有一種情況一致,就可以大大減少輻射定標(biāo)的工作量,尤其是不同積分時間的相對輻射定標(biāo)系數(shù)一致的情況。下面從成像原理上來討論上述3種可能性。

根據(jù)相機及TDICCD器件的工作原理,理論上TDICCD相機的輸出與TDI積分級數(shù)N、積分時間t和增益G成正比,相機輸出為:

式中 K0為響應(yīng)系數(shù)。

考慮到TDICCD探測器的暗信號c0,相機輸出為:

結(jié)合公式(1)、(2)、(4),可以得出以下結(jié)論:

1)如果TDI積分級數(shù)N和增益G相同,不同積分時間t的相對輻射定標(biāo)系數(shù)一致;

2)如果積分時間 t和增益G相同,在TDICCD暗信號為零且TDICCD多行像元響應(yīng)一致時,不同TDI積分級數(shù)的相對輻射定標(biāo)系數(shù)一致,否則不一致;

3)如果TDI積分級數(shù)N和積分時間t相同,在TDICCD暗信號為零且各抽頭響應(yīng)一致時,不同增益G的相對輻射定標(biāo)系數(shù)一致,否則不一致。

根據(jù)上述分析結(jié)果,可以確定:對于系統(tǒng)響應(yīng)為線性的TDICCD相機,不同積分時間的相對輻射定標(biāo)系數(shù)一致,即原始圖像可以用不同積分時間的相對輻射定標(biāo)系數(shù)進行相對輻射校正。如果TDICCD暗信號不為零,不同增益和TDI積分級數(shù)的相對輻射定標(biāo)系數(shù)不一致。

由于相機參數(shù)組合中,積分時間的擋數(shù)最多,且在軌需要定期更新。根據(jù)分析結(jié)果,可以大量減少輻射定標(biāo)試驗中需采集的定標(biāo)數(shù)據(jù)(對于HR相機,定標(biāo)數(shù)據(jù)減少為原來的1/40),并可以解決TDICCD相機在軌成像時積分時間不斷更新的定標(biāo)問題。

根據(jù)上述結(jié)論,在輻射定標(biāo)試驗中,只需采集一種積分時間下不同TDI級數(shù)和增益組合下的定標(biāo)數(shù)據(jù)即可,從原來需要采集360種組合變?yōu)樽疃嘀恍枰杉?種組合下的定標(biāo)數(shù)據(jù)。

下面從HR相機的系統(tǒng)響應(yīng)曲線和實際輻射校正結(jié)果兩個方面進行驗證。

3 HR相機不同積分時間的系統(tǒng)響應(yīng)系數(shù)分析比較

根據(jù)相對輻射定標(biāo)方法分析結(jié)果結(jié)合TDICCD的特性,在HR相機輻射定標(biāo)試驗中,采集了3種積分時間(0.351ms,0.364ms,0.377ms)、3種TDI級數(shù)(12級、24級、36級)、3種增益(1倍、1.5倍、2倍)共27種組合情況下的輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)。

通過分析HR相機的輻射定標(biāo)數(shù)據(jù),可以判定相機是否滿足前面的理論推導(dǎo)結(jié)果。按照公式(4),在TDI級數(shù)和增益不變的情況下,各像元的系統(tǒng)響應(yīng)應(yīng)該滿足:

1)改變積分時間,TDICCD各像元的暗信號保持不變;

2)改變積分時間,TDICCD各像元的響應(yīng)系數(shù)按照同一比例變化。

根據(jù)相機的具體輻射定標(biāo)試驗數(shù)據(jù),給出了不同積分時間下相機的系統(tǒng)響應(yīng)情況。在TDI級數(shù)12,增益為1時,3個不同積分時間的系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖2所示(隨機選取一像元)。

圖2 不同積分時間的系統(tǒng)響應(yīng)曲線

通過響應(yīng)曲線可以看出:不同積分時間的系統(tǒng)響應(yīng)曲線呈線性,具體的斜率和偏置如表3(每片TDICCD隨意選取1個像元)。

表3 不同積分時間的響應(yīng)系數(shù)比較

通過表中數(shù)據(jù)可以看出,不同積分時間的系統(tǒng)響應(yīng)與分析結(jié)果一致。即:改變積分時間,TDICCD各像元的暗信號基本保持不變,且各像元的響應(yīng)系數(shù)按照同一比例變化。

4 HR相機不同積分時間的相對輻射校正效果

為了驗證前面的理論分析結(jié)果——在TDI積分級數(shù)和增益相同的情況下,不同積分時間的相對輻射定標(biāo)系數(shù)一致,可以互相校正的結(jié)論,進行了下面的試驗。

對于同一幅原始定標(biāo)圖像,用自身積分時間的定標(biāo)系數(shù)及其它積分時間的定標(biāo)系數(shù)來校正。其中TDI級數(shù)和增益保持不變,如相機TDI級數(shù)12級、積分時間0.364ms、增益1(簡寫12- 0.364- 1,后同)的原始圖像分別用相機參數(shù)12- 0.364- 1的定標(biāo)系數(shù)和12- 0.351- 1的定標(biāo)系數(shù)來校正,每個積分時間均選取了兩個TDI級數(shù)(N=12和N=24)的圖像。通過比較校正后的圖像,判定相對輻射校正的效果。

4.1 校正前后定標(biāo)圖像比較

在TDI級數(shù)N=12和N=24,增益G=1條件下,用積分時間t=0.364ms和t=0.351ms的定標(biāo)系數(shù)來校正積分時間t=0.364ms原始圖像,校正結(jié)果見圖3和圖4。

圖3 TDI級數(shù)N=12的輻射校正前后圖像

圖4 TDI級數(shù)N=24的輻射校正前后圖像

通過對校正前后圖像的比較發(fā)現(xiàn):帶有條帶的原始圖像經(jīng)定標(biāo)系數(shù)校正后變得灰度均勻、一致,相對輻射校正效果明顯。

4.2 校正前后數(shù)據(jù)比較

在積分時間 t=0.364ms、t=0.377ms下,分別選取兩幅灰度值不同的圖像(圖像1、圖像2),用不同積分時間定標(biāo)系數(shù)進行校正,校正后的圖像均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差見表4和表5。

表4 積分時間t=0.364ms的定標(biāo)圖像輻射校正前后圖像數(shù)據(jù)比較 DN

表5 積分時間t=0.377ms的定標(biāo)圖像輻射校正前后圖像數(shù)據(jù)比較 DN

對表中校正前后圖像數(shù)據(jù)進行比較,可看出:

1)相對輻射校正效果明顯,校正后圖像的標(biāo)準(zhǔn)偏差明顯變小;

2)用不同積分時間的定標(biāo)系數(shù)校正后,圖像均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差一致,校正效果相同;

3)在TDI級數(shù)N=12和N=24級時,上述規(guī)律一致。

試驗中對其它TDI級數(shù)和增益組合情況,也進行了不同積分時間的定標(biāo)系數(shù)校正效果分析比較,結(jié)果與上面一致。在此,不再列舉圖像和分析比較數(shù)據(jù)。

通過HR相機的相對輻射定標(biāo)試驗及相對輻射校正前后圖像的具體分析比較,發(fā)現(xiàn):試驗結(jié)果與分析結(jié)論一致,即在TDI級數(shù)和增益保持不變的情況下,不同積分時間的定標(biāo)系數(shù)一致。

5 HR相機的在軌相對輻射校正方案

HR相機的在軌相對輻射校正方案完全采用上面的分析結(jié)論和試驗結(jié)果。雖然在發(fā)射前采集了3種積分時間、3種TDI級數(shù)和3種增益共27種組合的輻射定標(biāo)數(shù)據(jù),但由于不同積分時間的相對輻射定標(biāo)系數(shù)一致,所以在軌應(yīng)用中使用9種相對輻射定標(biāo)系數(shù)。

原始衛(wèi)星圖像的相對輻射校正采用對應(yīng)TDI級數(shù)和增益下的相對輻射定標(biāo)系數(shù),如所有TDI級數(shù)為12,增益為1的衛(wèi)星圖像均采用12-0.364-1的相對輻射定標(biāo)系數(shù)。

衛(wèi)星在軌運行以來,采用該方案可以很好地解決HR相機圖像的相對輻射校正問題,能滿足相對輻射定標(biāo)精度。

6 結(jié)束語

本文首先從TDICCD相機的相對輻射定標(biāo)原理出發(fā),分析了TDICCD相機的相對輻射定標(biāo)系數(shù)的特點,得到以下結(jié)論:對于系統(tǒng)響應(yīng)為線性的TDICCD相機,不同積分時間的相對輻射定標(biāo)系數(shù)一致,不同積分時間的衛(wèi)星圖像可以用同一個相對輻射定標(biāo)系數(shù)進行校正。然后,結(jié)合HR相機的實際輻射定標(biāo)數(shù)據(jù),對上述結(jié)論進行了驗證,結(jié)果表明分析結(jié)論和試驗結(jié)果一致。

該結(jié)論大量減少了TDICCD相機的輻射定標(biāo)工作量,解決了TDICCD相機的在軌相對輻射校正問題,已經(jīng)成功應(yīng)用于HR圖像數(shù)據(jù)的相對輻射校正,對于其它類似TDICCD相機的相對輻射校正具有參考意義。

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