数字域时间延迟积分CMOS遥感相机动态传函建模分析

调制传递函数（MTF）是遥感相机的重要评价指标,但是目前对于数字域TDI CMOS相机动态MTF特性研究十分有限,为了深入研究其像质下降机理,结合数字域TDI CMOS成像原理,建立了像元、电子快门、曝光时间、振动引起的数字域TDI成像MTF下降数学模型。结合推导模型开展了预估分析和实验验证。结果表明：传感器的有效像元区域分布会影响图像MTF,且开口率越小影响越大;CMOS传感器的卷帘快门会导致数字域TDI成像MTF下降,卷帘速度越慢影响越严重,其中卷帘速度从6μs变为10μs时,对应的图像MTF从0.191下降为0.177;曝光时间越短则MTF越高,尤其当存在低频像移失配时更为明显,曝光时间从180μs减小为100μs时,图像MTF从0.126提高为0.155,但同时也会影响图像信噪比,因此在实际应用中应合理选择曝光时间。     

航空相机镜间快门对像移的影响分析（英文）

为了提高航空遥感相机的摄影分辨率,获得高分辨率的航空图像,除了采用具有高传递函数的光学系统和高质量成像介质外,还要正确控制快门的曝光时间,以保证探测器能够获得合适的像移量。本文基于一种航空测绘相机镜间快门的结构形式及工作原理,以笛卡尔理论为基础,通过坐标变换方法,建立地面目标和影像之间的矩阵关系,从而确定快门曝光时间和像移量的关系,接着,结合相机速高比、像元尺寸等参数,对像移量及像移残差进行分析。根据相机的不同安装方式,以像移残差为1/3像元尺寸为标准,判定成像系统是否加入像移补偿机构,为相机设计提供理论依据。通过静态测试及飞行试验对分析进行验证。试验结果表明,相机分辨力达到36.8 lp/mm,航拍图像良好,满足指标要求。     

大面阵CMOS航空相机双重退化图像恢复

由于采用电子卷帘式快门,大面阵互补金属氧化物半导体(CMOS)航空相机在高速成像时不仅会产生像移,还会引入由卷帘快门(RS)效应带来的几何畸变。传统的将两种图像退化因素分开进行处理的方法,过程繁复,计算复杂度高。针对航空前向飞行带来的线性像移和RS畸变,通过分析各自的数学模型,推导出了二者之间的紧密联系,提出了基于线性像移参数估计的双重退化图像恢复方法。随后设计了航空前向飞行模拟实验,通过直线位移平台控制CMOS相机以不同速度对目标景物成像。实验结果表明,RS效应对像移参数的估计没有任何影响,最终恢复图像帧间变换保真度能提高到27 d B左右。相比分步处理的方法,该方法在获得同样恢复效果的情况下,速度能提高3.5倍以上。     

基于联合变换相关的机载航空相机像移测量

为了提高像移测量精度,针对机载航空摆扫相机提出一种坐标变换法和图像相关法相结合的像移测量方法。利用坐标变换法得到初始像移速度,利用图像联合变换相关法对像移速度残差进行补偿。联合图像通过一个面阵CCD获得,该面阵CCD放置在相机焦平面上并与成像线阵TDI CCD平行,其输出的当前图像与参考图像合并构成联合图像进行二维空间联合变换相关运算,得到像移修正矢量。对该矢量分别在相机摆扫方向和载机飞行方向进行分解,从而得到摆扫像移和前向像移的修正量。仿真实验结果表明,在输入图像信噪比为4 dB时,像移测量误差在0.1 pixel以内。     

基于分时积分亚像元融合的地球静止轨道平台消颤振技术

相较于低轨卫星线阵扫描成像模式,地球静止轨道面阵成像的曝光时间相对更长,更容易受到平台颤振的影响而造成图像模糊.为了消除由平台颤振引起的像质退化,本文提出了基于分时积分亚像元融合的方法.由于地球静止轨道的凝视成像特性,相机观察区域在长时间内保持不变,因此分时短曝光可以获得多帧目标内容相同,但模糊尺度更低的短曝光图像.然后对多帧短曝光图像采用基于能量区域质心法的相位相关算法进行亚像元图像配准,计算相对偏移量并进行补偿,位移探测准确度可达0.1像元以内,满足卫星平台应用需求.再按亚像元偏移量对多帧图像进行融合,融合的过程可以提升由于曝光时间缩短而降低的单帧图像信噪比,最终可以获得图像清晰度更高、信噪比与原长曝光图像相当、信息辨识度更好的遥感图像.     

基于分时积分亚像元融合的地球静止轨道平台消颤振技术

相较于低轨卫星线阵扫描成像模式,地球静止轨道面阵成像的曝光时间相对更长,更容易受到平台颤振的影响而造成图像模糊.为了消除由平台颤振引起的像质退化,本文提出了基于分时积分亚像元融合的方法.由于地球静止轨道的凝视成像特性,相机观察区域在长时间内保持不变,因此分时短曝光可以获得多帧目标内容相同,但模糊尺度更低的短曝光图像.然后对多帧短曝光图像采用基于能量区域质心法的相位相关算法进行亚像元图像配准,计算相对偏移量并进行补偿,位移探测准确度可达0.1像元以内,满足卫星平台应用需求.再按亚像元偏移量对多帧图像进行融合,融合的过程可以提升由于曝光时间缩短而降低的单帧图像信噪比,最终可以获得图像清晰度更高、信噪比与原长曝光图像相当、信息辨识度更好的遥感图像.     

低曝光条件下遥感相机微振动量检测

针对搭载平台颤振对遥感相机成像的影响,利用辅助高速面阵CCD相机拍摄高帧频图像序列,通过像元合并来补偿曝光时间不足,增加图像的亮度、对比度和信噪比,同时结合一种区域选择算法来选择用于计算的图像区域,最后使用灰度投影算法对振动位移量进行估计.实验数据表明,提出的改进算法误差为一个像元,在准确性和稳定性方面均明显优于原始算法.     

TDI CMOS图像传感器曝光时间优化方法研究

为了提高时间延迟积分互补金属氧化物半导体(TDI CMOS)图像传感器的成像质量,研究了TDI CMOS图像传感器中曝光时间的选取对成像质量的影响。基于行滚筒曝光读出原理,分别分析了曝光时间对信噪比(SNR)和调制传递函数(MTF)的影响机理,根据分析结果,提出在级数已选定的情况下,曝光时间的选取存在最优值,此时得到的图像质量较好。为验证结论,基于自主研发的TDI CMOS图像传感器芯片及现场可编程门阵列(FPGA)开发板,搭建了TDI CMOS图像传感器成像测试系统。实验中采用MTF×SNR作为评价图像质量的指标,实验结果表明,在选定的相机参数下,积分级数为8级,光强为20 lx时,TDI CMOS图像传感器曝光时间选取64 ms时所得到的图像质量最好,此时MTF×SNR最大。     

一种彩色面阵CCD测绘相机前向像移的补偿方法

 为了实现对前向像移的补偿,提出一种通过合理调整快门曝光时间和飞机速高比之间的关系来补偿前向像移的方法,对前向像移产生的原因进行研究。介绍彩色面阵CCD工作原理、相机工作原理,从光学系统成像原理的角度分析产生前向像移的原因,还分析了速高比和曝光时间误差。实验结果表明：速高比误差和曝光时间误差均可控制在合理误差范围内,满足前向像移量小于1.5个像元尺寸的补偿要求,达到了测绘相机的精度指标。     

机械快门对大面阵滤光片型多光谱相机成像的影响及改进

分析了大面阵滤光片型多光谱相机所用机械快门曝光时间波动对其光谱图像获取及处理造成的影响。通过对现有机械快门结构及驱动方法的研究,分析了造成该类机械快门稳定性差的原因,并提出了一种先进的机械传动方式和电路驱动方法。通过室内试验数据计算,该方案将两次曝光间的最大变化率从15.05%降低到0.96%,极大提高了曝光时间稳定性;通过外场推扫成像试验及数据处理,证明快门改进后多光谱相机所得彩色影像更接近真实目标,且无明显色彩突变。这对实际应用中多光谱相机数据处理结果的判读和目标识别具有重要意义。     

一种全帧型CCD航空相机像移补偿方法

提出一种全帧型CCD航空相机像移补偿的实现方法.应用全帧型CCD在机械快门不关闭的情况下连续曝光的特点,并根据不同的速高比控制暂停脉冲的个数和宽度,控制了CCD垂直转移的速度,使CCD在曝光的同时进行转移和读出,实现了全帧型CCD航空数码相机航向方向的像移补偿.实验数据表明：该方法能够实现全帧型CCD像移补偿的功能.     

摆扫式TDI-CCD航空相机传感器MTF分析

TDI-CCD与普通线阵CCD相比具有很多优点,因而广泛应用于航空航天成像领域。在介绍TDI-CCD特点和摆扫式TDI-CCD航空相机扫描成像原理的基础上,分析了扫描像移的大小及行周期,推导出了由几何尺寸、电荷转移损失率、电荷分立运动、速度失配等因素引起图像传感器的调制传递函数退化表达式,给出了传感器线列方向和TDI方向的调制传递函数,提出了提高传感器调制传递函数的几种方法,对TDI-CCD航空相机整机设计提供了参考。     

高分辨率CMOS相机沿轨长条带钟摆式搜索成像设计

为实现面阵相机对沿轨方向长条带区域一定重叠率的推凝视成像,设计了高分辨CMOS传感器的钟摆式搜索成像模型.通过长条带逐层区域划分和成像重叠率渐近变化构建,计算了钟摆式搜索成像参量和卫星实时推凝指向姿态,并利用多次小幅逼近的PD控制器分析了搜索成像姿态控制精度与成像像移失配量.利用高分CMOS原理样机和小卫星姿控仿真平台对P5型曲面LED靶标系统进行地面等比缩放的长条带钟摆式搜索成像仿真试验.结果表明:帧间重叠率大于85%的钟摆式搜索成像比全凝视成像区域扩大了4倍;控制周期为10 Hz时,其姿态控制精度优于0.05°,姿态稳定度优于0.003°/s,搜索成像对应的图像传递函数能够达到0.141 1.     

彩色大面阵航空测绘相机前向像移补偿分析及误差纠正

为了提高彩色大面阵航空测绘相机的成像分辨率和测绘精度,对其前向像移补偿的可行性进行了分析,并设计了前向像移补偿机构。根据航空成像的中心投影模型,研究了前向像移补偿下航空测绘相机内、外方位元素的变化对成像过程的影响,证明了前向像移补偿的可行性;设计了一套基于等径共轭凸轮机构的前向像移补偿机构,并分析了各种误差因素对测绘精度的影响;提出了基于仿射变换的误差纠正方法。实验结果表明,提出的前向像移补偿方法正确,机构引入误差的纠正精度可以达到0.001mm。     

像移补偿技术的发展与展望

航空相机广泛采用像移补偿技术来提高成像质量和相机分辨力。本文分析了像移补偿的原理并介绍了国内外较多采用的像移补偿技术,如光学式像移补偿法、机械式像移补偿法、集成像移补偿法、数字式像移补偿法等。文中列举了像移补偿过程中获取重要参数速高比的常用方法,包括平行狭缝法、扫描相关法、外差法、光程差法、直接计算法等。最后讨论了像移补偿技术数字化的发展方向,以及速高比测量的数字化、实时化、小型化发展趋势,提出了采用面阵CCD结合高性能微处理器获取速高比的新思路。     

像移补偿技术的发展与展望

航空相机广泛采用像移补偿技术来提高成像质量和相机分辨力。本文分析了像移补偿的原理并介绍了国内外较多采用的像移补偿技术,如光学式像移补偿法、机械式像移补偿法、集成像移补偿法、数字式像移补偿法等。文中列举了像移补偿过程中获取重要参数速高比的常用方法,包括平行狭缝法、扫描相关法、外差法、光程差法、直接计算法等。最后讨论了像移补偿技术数字化的发展方向,以及速高比测量的数字化、实时化、小型化发展趋势,提出了采用面阵CCD结合高性能微处理器获取速高比的新思路。     

远距斜视航空相机获取大场景图像技术研究

针对远距航空相机视场角较小的问题,介绍了目前常用的几种像移补偿技术,并对各种补偿方法进行了比较。采用小面阵相机并结合系统光学元件通过在横滚方向的摆扫实现大场景地面成像,对摆扫过程进行了数学分析,得出了摆扫所需的扫描指令。通过仿真实验验证了推导的数学公式的正确性,仿真结果表明,应用该扫描指令即可通过小面阵航空相机实现地面大场景图像的获取。     

卷帘快门对数字域TDI成像的影响分析EI北大核心CSCD

数字域时间延迟积分(TDI)互补金属氧化物半导体(CMOS)成像以其成本低、功耗小、操作灵活等优势,近几年逐渐引起研究关注。然而CMOS传感器的卷帘快门存在运动失真,为了深入研究其对数字域TDI的影响,结合卷帘快门工作原理,建立了卷帘快门效应对数字域TDI引起的像移及调制传递函数(MTF)下降的数学模型。并结合推导模型开展了预估分析和验证实验。结果表明:卷帘快门效应会对数字域TDI算法带来较大的影响;读出时间越长像移量越大、MTF下降越严重;另外行周期越短影响也越严重,其中行周期从200 us变为100 us时,对应的数字域TDI图像MTF从0.6144下降为0.4807。     

基于光学相关的空间相机像移测量方法研究

为了测量由卫星姿态不稳定或振动等原因引起的空间相机的亚像元像移,使用了光学联合变换相关的方法对安装在相机焦面上的辅助面阵CCD采集到的相邻两帧图像进行相关运算.给出了使用该方法测量像移的原理,提出对联合变换相关器的输入面采用拉普拉斯卷积核进行边缘锐化,对功率谱相减并以0值进行二值化的处理方法提高像移测量准确度,并使用该方法对不同信噪比下的不同景物进行了像移测量仿真.结果表明:对于信噪比SNR=1的输入图像,当像移范围在 0~55个像元内时,该方法的像移测量误差小于0.2个像元.     

卷帘快门对数字域TDI成像的影响分析

数字域时间延迟积分(TDI)互补金属氧化物半导体(CMOS)成像以其成本低、功耗小、操作灵活等优势,近几年逐渐引起研究关注。然而CMOS传感器的卷帘快门存在运动失真,为了深入研究其对数字域TDI的影响,结合卷帘快门工作原理,建立了卷帘快门效应对数字域TDI引起的像移及调制传递函数(MTF)下降的数学模型。并结合推导模型开展了预估分析和验证实验。结果表明:卷帘快门效应会对数字域TDI算法带来较大的影响;读出时间越长像移量越大、MTF下降越严重;另外行周期越短影响也越严重,其中行周期从200 us变为100 us时,对应的数字域TDI图像MTF从0.6144下降为0.4807。