多通道宽响应域TDI CCD成像系统的非均匀性校正

针对时间延迟积分(TDI)电荷耦合器件(CCD)成像系统多通道间存在响应非均匀问题,开展了基于辐射定标的校正方法研究。结合成像系统的信号处理流程,推导了响应非均匀性校正的理论模型,提出了一种基于加权最小二乘的定标校正方法,分别在1/4、1/2和3/4饱和响应处采集三组图像数据,并利用高斯加权函数对三组通道间的校正参数进行加权最小二乘拟合,从而获得优化的校正参数。利用TDI CCD成像系统进行实验验证,结果表明,系统的响应非均匀性(1/2饱和响应处)由原来的4.09%降低至0.85%,并优于两点校正法的1.93%,同时该方法在宽响应域内均获得了良好的校正效果,具有精度高、实用性强等特点,可应用于机载、星载等相机载荷,为获取高质量的遥感图像数据奠定技术基础。     

星载差分吸收光谱仪噪声分析及处理方法

噪声对星载大气痕量气体差分吸收光谱仪信噪比具有重大影响,其是衡量光谱仪成像质量和痕量气体反演能力的标准。为量化并去除光谱仪系统噪声从而提高信噪比,分析了光谱仪噪声来源并给出了相应噪声模型,在此基础上建立了光谱仪信噪比模型。研究了入射光强度、积分时间和系统增益对系统信噪比的影响。通过光谱仪辐射定标试验数据对不同工作模式和不同参数与信噪比的关系进行了对比验证。并提出主要系统噪声的处理方法：利用线性拟合取截距法确定系统偏置噪声;在地面利用暗电流温度相关性获得温度修正因子实现载荷在轨暗电流校正;在探测器响应线性范围内利用两点校正法对PRNU噪声进行修正。结果表明：全幅成像模式下,可见1通道电子学偏置噪声响应DN值2 625,可见2通道电子学偏置噪声响应DN值2 763;暗电流噪声在CCD成像面温度高于0 ℃时占主要部分,温度下降至-20 ℃时其余噪声起主导作用,验证了CCD最佳制冷温度;光谱仪信噪比随着入射光响应和积分时间的增加而增大,系统增益不会影响信噪比;PRNU噪声通过校正得到明显改善,由3.32%下降到0.47%,提高了光谱仪成像质量。该噪声分析和处理方法对后期光谱数据的痕量气体反演提供帮助。     

多TDICCD拼接遥感相机成像串扰分析与抑制

为了解决多时间延迟积分(TDI)电荷耦合器件(CCD)拼接遥感相机不同CCD通道间的成像串扰问题,提高相机信噪比(SNR)和成像质量,利用周期信号的傅里叶级数分析法推导成像串扰的数学模型。根据理论分析结果提出多TDICCD成像串扰的根本原因是CCD工作不同步造成TDICCD成像电路电源的地平面高频扰动影响到了相邻通道CCD有效视频信号的采集。从工程研制实际出发,采取CCD通道之间的工作电源隔离以及共用统一的系统时钟等措施对多TDICCD成像电路系统进行改进,抑制成像串扰的发生。对改进后的多TDICCD成像电路系统进行成像和信噪比测试。实验结果表明,采取的措施有效地去除了CCD通道间成像串扰条纹,相机信噪比得到了显著的提高,在相机入瞳辐亮度为42.6W/(m2·Sr)的条件下,相机信噪比提高18.85dB,达到了50.42dB,且外场成像质量高,满足实际工程的需求。     

空间CCD相机高精度在轨调制传递函数估算

空间电荷耦合器件(CCD)相机在轨调制传递函数(MTF)估算由于噪声影响、边缘方向不够准确以及边缘扩展函数(ESF)构建精度低,而最终导致MTF估算精度低,针对此问题提出了一种适于空间CCD相机的高精度在轨调制传递函数估算方法。先根据CCD动态成像特点建立像移速度模型,求出精确的刃边方向,然后提取出满足要求的刃边图像。在考虑噪声情况下修正调制传递函数理论模型,并提出基于CCD相机传递函数参数模型的线扩展函数构建方法,对构建的线扩展函数进行求导和傅里叶变换得到估算的MTF。实验结果表明,此方法可以高效地在轨估算MTF,与传统方法相比,MTF估算的值提高了28.71%,有效性地提升了在轨MTF估算精度。     

基于在轨成像物理机理的立体测绘相机建模与仿真

基于在轨成像物理机理的立体测绘相机成像建模与仿真综合考虑了大气辐射传输、卫星运行平台、光学系统成像、相机辐射响应等各个环节,采用数值模拟技术进行精确建模,可用于进行成像过程端到端的完整分析,评估成像系统设计可行性及成像质量。本文以可见光立体测绘相机为例,采用高精度高、分辨率地表物理模型作为输入源,首先结合立体测绘相机内外方位元素计算正视相机和前视相机CCD光敏面各亚像元区域中心的观测向量,然后根据目标相机的成像参数得到地面目标在相机入瞳处的辐亮度,最后通过光线追迹算法和光学系统点扩散函数模型计算探测器靶面的辐通量,经由探测器辐射响应模型得到数字影像。实验结果表明,正视相机几何物理模型定位精度达124 m,前视相机定位精度达193 m,能够较为可靠地模拟出立体影像,模拟方法可行。     

TDI线扫相机光学通道建模与仿真

卫星相机建模与仿真研究不论在民用还是军事领域都具有重要的理论研究和实际应用价值。根据TDI线扫相机的工作原理建立了一个TDI线扫相机光学通道的数学模型,该模型包括从景物到TDI CCD离散图像的几何投影关系和能量传递关系两部分,对于确定的成像系统,给定景物参数和光学系统参数,就可以确定对应图像传感器上的离散图像。为了验证模型,对一幅卫星图像进行了计算机仿真。建立的模型可以用来研究当成像条件改变时对图像的影响,进一步还可以用来发展虚拟卫星相机系统。     

高速TDI CCD空间相机焦平面设计与实验

时间延迟积分(TDI)CCD焦平面组件是空间相机的重要组成部分,主要完成光电转换,输出模拟CCD视频信号,是影响相机成像质量高低的关键部件之一。现有TDI CCD的像素数量有限,不能满足大视场、宽覆盖的要求,需要对CCD进行拼接。从结构和热控两方面入手针对空间相机高速TDI CCD焦平面组件开展了设计工作,分析了影响拼接精度的因素,针对相机恶劣的发射条件和苛刻的在轨工作温度,设计了特殊的拼接结构来保证TDI CCD拼接精度。开展了动力学环境实验和热真空环境实验来验证拼接结构的可靠性,结果表明:焦平面组件完全能够克服相机力学环境,保证TDI CCD的拼接精度;在热真空实验中,TDI CCD器件在1.5min工作时间内最高温度为30℃,CCD能够正常工作。动力学环境实验和热真空实验后对TDI CCD的拼接精度进行了检测,得到TDI CCD拼接的直线性精度3.5μm,搭接精度4μm,两行TDI CCD平行精度3.5μm,4片TDI CCD共面精度5μm,拼接精度完全满足光学设计要求。外场成像实验得到的清晰图像进一步验证了焦平面组件设计的合理性和可行性,实现了TDI CCD的高精度拼接。     

单镜头两视角同轨立体成像、TDICCD自推扫和速高比补偿——嫦娥二号CCD相机技术

介绍了嫦娥二号卫星有效载荷CCD立体相机中单镜头两视角同轨立体成像、时间延迟积分(TDI)CCD自推扫和速高比补偿的综合技术方案.它在国际上首次采用两线阵TDI CCD自推扫实现对月面的高分辨率同轨立体成像.TDI CCD在自推扫成像中必须保持图像在TDI CCD焦平面上的运动速度与电子潜像运动速度同步,为此采用了地面...     

天文观测相机低噪声CCD视频处理电路的分析与设计

在讨论天文观测相机低噪声视频处理电路的基础上,对前置放大、差分放大、可编程增益放大、相关双采样及16bit模数转换等关键组成部分进行了分析,给出各组成部分的设计方法。对所设计的低噪声视频处理电路进行了PSPICE仿真和实验测试,仿真和实验结果表明,该视频处理电路在本身引入噪声较小的同时,有效地抑制了CCD的复位噪声和1/f等低频噪声,使天文观测相机的整机噪声<15e-,达到了指标要求。     

TDI CCD像元响应不一致性校正算法

线阵TDI CCD遥感相机的不一致性校正对获取高质量的图像来说具有重要意义。主要对TDI CCD像元响应不一致性的校正算法及其硬件实现进行了深入的研究。对CCD的噪声特性进行了详细的分析,给出了像元响应不一致性(PRNU:Pixel-response non-uniformity)的退化模型及校正算法,并对其计算精度进行了分析,在硬件电路上对校正算法进行了验证,详细分析了影响校正效果的各种因素。实测结果表明,校正后图像的信噪比得到显著提高。     

航天TDI CCD相机成像拼接快速配准算法设计与分析

为解决卫星灵活机动多模式成像中多片TDI CCD拼接像元失配的问题,提出了一种实现TDI CCD相机成像搭接与错位像元快速拼接配准的匹配算法。通过分析卫星侧摆成像过程焦平面上像移速度矢量变化导致的多片TDI CCD拼接成像像元失配现象,设计了成像速度矢量光线追迹与齐次坐标变换方法,计算了侧摆成像过程中影响图像失配的偏流角、像移速度矢量和两片TDI CCD拼接纵向错位方向和横向搭接方向的像元数目。利用小卫星姿态控制系统半物理仿真平台和TDI CCD原理样机系统对两片TDI CCD拼接像元匹配算法进行实验验证。结果表明:视场角为10°的TDI CCD相机在卫星侧摆30°成像时,经过1个拼接周期后,两片TDI CCD拼接纵向错位和横向搭接像元数目由初始的148.5和50变为137和49,其中横向搭接像元数目与理论计算结果仅有0.1pixel的偏差,纵向错位像元数目与理论计算结果基本一致。经实验和理论对比分析,所设计的纵向错位与横向搭接像元快速拼接配准算法能够解决TDI CCD图像拼接的准确性,确保图像像元匹配进而获得高质量的图片。     

基于MTF的时间延迟积分CCD成像系统同步误差分析

通过像移调制传递函数MTF分析了TDI CCD行扫速率与运动像不同步时对相机成像质量的影响。为验证速度失配对TDI CCD相机成像质量的影响，针对应用环境，利用高对比度靶标对TDI CCD动态成像进行了仿真实验和动态测试，结果表明，在奈奎斯特频率范围内，只要将相机动态成像系统的同步误差控制在±2%的范围内，并使图像时钟处于连续多相的工作方式，就可以基本上消除同步误差对成像质量的影响。     

TDICCD亚像元技术应用于小相对孔径光学系统

TDI CCD器件和亚像元成像技术都是实现相机小型化的有效途经,TDI CCD器件和亚像元成像技术结合应用于小相对孔径光学系统具有重要的应用价值.就成像系统需要满足Nyquist频率处静态传函≥0.2条件对系统进行了分析、讨论,并就设计中引入信噪比指标提出了一点建议.     

八通道并行多光谱成像仪的辐射定标

为了对八通道并行多光谱成像仪进行准确的辐射定标,介绍了多光谱成像仪的工作原理,分析了相机的辐射响应模型,根据八个通道以及窄带滤光片的光谱响应特性及实际应用要求,提出取每个相机的G通道输出作为定标通道。根据不同色温下积分球输出的光谱辐亮度和相机的曝光时间,测量并拟合出相应的八通道相机辐射特性曲线。实验结果表明该方法可以准确地得到被测目标的绝对光谱辐射亮度曲线,满足海洋表面多光谱数据的测量要求。     

模拟增益对电荷耦合器件信噪比与动态范围影响的实验研究

电荷耦合器件(CCD)是遥感成像系统的核心部件,为了在低照度、低量化位数的情况下获得高信噪比与大动态范围的遥感图像,首先根据CCD的结构与噪声物理性质给出了模拟增益、量化位数与CCD信噪比的关系,接着搭建了CCD的积分球标定系统,依据实验数据建立了散粒噪声、光子响应非均匀性噪声以及基底噪声的数学模型,然后着重分析了低照度情况下模拟增益与信噪比之间的关系,最后搭建了实际成像系统,获取了低照度情况下不同模拟增益系数的遥感图像.结果表明理论分析、实验室积分球标定数据与实际成像图像符合良好,即模拟增益提高1至2倍 关键词： 电荷耦合器件 模拟增益 信噪比 遥感成像系统     

CCD相机调制传递函数增强滤波器设计

通过CCD相机成像模型讨论了成像链路各个环节对系统传递函数的影响,分析了滤波器品质因数的增强效果、品质因数对信噪比的影响,品质因数对多个像元影响,分析表明:当相机光学部件及传感器确定之后,可以通过设置合理的后端滤波电路品质因数来增强系统传递函数;当滤波器的最佳品质因数设置值为1时,成像系统在Nyquist空间频率处的传递函数能够提高32%.利用黑白条纹靶进行相机传递函数测试及信噪比测试,试验结果表明,调制传递函数增强滤波器在品质因数为1时可提高CCD成像相机的成像性能,提高传递函数30%;电路噪声抑制能力与通带内最平坦滤波器相当.     

X射线检测中高分辨率CCD相机及图像采集装置设计

通过选择ISD0 17AP型化妆品级CCD芯片和分析其主要性能 ,设计微光高分辨率制冷CCD相机的制冷电路 ,驱动时钟电路 ,输出信号A/D转换电路及微机EPP(增强并行口 )方式快速数据采集电路 ,研制X射线数字成像检测中慢扫描、高分辨率制冷CCD相机和图像采集装置 ,并和射线转换屏、光学系统等组成X射线数字成像系统。实验表明相机及其数据采集装置达到设计要求     

成像法测量脉冲激光远场能量密度的模型及不确定度分析

 设计了基于漫反射成像法测量脉冲激光远场能量分布的方案,在相机标定的基础上建立了CCD图像灰度值与漫反射板上脉冲激光能量密度对应关系的数学模型,该模型考虑了漫反射板的漫反射率和CCD像元响应度的空间不一致性,并对不同测量位置的离轴角的影响进行了修正。分析表明:CCD灰度值、镜头透过率、漫反射率和CCD响应度的不确定度传播系数为1,镜头光圈数的不确定度传播系数为2,镜头焦距的不确定传播系数随离轴角增大而增大,成像中心像素坐标的不确定度传播系数在图像顶点处最大。针对相机标定实验中发现的利用Tsai单视角共面点标定相机得到的镜头焦距与实际存在较大偏差问题,指出对于定焦镜头,应该采用其它离线方法进行准确标定;对于变焦镜头,可采用单视角非共面点或多视角共面点进行在线标定。     

基于多光谱遥感成像链模型的系统信噪比分析

信噪比(SNR)是评价多光谱遥感成像性能的重要指标,在设计多光谱遥感成像仪的最初阶段应进行分析,从而确定各分系统相关参数。多光谱遥感系统的成像链模型综合考虑辐射源、地物光谱反射、大气辐射传输、光学系统成像、分光元件特性、探测器光谱响应和相机噪声等各个环节,可用于进行成像过程端对端的完整分析。以基于滤光片阵列的多光谱遥感系统为例,采用MODTRAN软件进行大气辐射传输计算,对不同太阳天顶角下,不同目标地物计算像面的照度,根据电荷耦合器件探测器的噪声模型,计算出不同工作条件下多光谱遥感系统的SNR。通过对SNR的分析,可给出该类型多光谱遥感系统获得最佳性能的工作条件,并能够结合使用要求进行光学系统参数的优化选择。     

面阵CCD信号采集系统的噪声抑制

分析了CCD输出噪声及其一般抑制方法,提出了一种基于面阵CCD信号采集系统的噪声抑制方法。设计了CCD信号采集系统的噪声抑制电路和处理电路,应用于CCD442A型面阵CCD;并使用积分球对采集系统进行辐射定标,计算得到系统的信噪比。仿真和辐射定标实验表明,该面阵CCD信号采集系统具有相关双采样和暗电平校正功能,抑制了CCD输出信号的复位噪声和暗电流噪声;在中等照度条件下,系统信噪比达到40dB。