随着航天遥感领域超高分辨率成像电子学中行频的不断提升，一个积分时间内光生电荷数量逐渐减少，弱光成像能力有所下降，电子学中需要采用增大时间延迟积分级数的方法弥补能量的不足。传统数字域累加探测器有着引入过多噪声与帧频受限的多项弊端，而电荷域探测器的超大级数累加会带来电荷转移效率的下降和图像的混叠。基于此，文章在采用低功耗、高集成度TDICMOS基础上，提出了一种基于电荷域和数字域混合的新型累加方式，并对影响弱光成像像质水平的主要指标进行分析。随后针对混合域累加方式下多感光单元间的像质退化，提出一种基于图像配准的成像时刻校准方法，通过多片感光单元间隔测量和成像时刻时序微调有效改善了大积分级数电荷运动与景物运动的失配程度。最后通过滚筒测试验证了成像时刻校准方法的有效性，通过性能测试验证了混合域成像在弱光照下探测能力的提升。结果表明，文中所提方法有效地解决了TDI型探测器的主要瓶颈，为超高分辨率遥感相机提供了有效的解决方案。
行频 时间延迟积分级数 电荷转移效率 成像时刻 line frequency TDI stage charge transfer efficiency imaging time 红外与激光工程
2021, 50(2): 20200308
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了提高推扫式航天遥感相机的动态范围, 对TDI-CCD(Time Delay Integration-Charge Coupled Device)的全色谱段和多光谱谱段积分级数的特殊设置方法、相应图像的插值与融合方法进行研究。首先, 介绍了常见的TDI-CCD的像元尺寸和谱段构成等参数, 以及现有高分辨率多谱段融合图像的获取方法, 分析了常规的积分级数设置规律。接着, 提出在提高全色谱段的积分级数, 降低多光谱谱段积分级数的情形下, 分别获取各个谱段的灰度数据, 为提高相机的动态范围提供原始数据。最后, 针对性地提出了图像的融合、插值算法, 可以得到高动态范围、高分辨率的全色图像。实验和计算结果表明: 该方法能够有效提高相机的动态范围, 当P谱段积分级数提高2倍, 全色谱段降低为原来的1/4时, 最终获取的融合图像动态范围可以提高1806 dB。基本满足应用单排TDI CCD提高推扫式航天遥感相机动态范围的要求。
积分级数 推扫式遥感相机 动态范围 TDI CCD TDI-CCD TDI stage push-broom remote sensing cameras dynamic range
超敏捷卫星动中成像模式相比传统推扫和敏捷机动模式,具有很大的效能提升和多种新型成像方式,但对空间相机在动中成像新模式下成像带来较大困难和挑战。首先分析超敏捷动中成像模式的原理特性,明确卫星快速机动过程中成像给空间相机对地观测带来的影响。然后开展动中成像下成像质量研究,以实际卫星可见光相机参数进行模拟分析,确立实现动中良好像质对速高比、积分级数的约束条件并进行参数优化设置。同时,对未来进一步提升动中成像下的成像质量提出攻关方向。研究成果对超敏捷卫星动中成像新模式下空间相机成像参数的确定具有指导意义,能够直接实现新模式下成像性能的大幅提升。
超敏捷 动中成像 成像质量 速高比 积分级数 super agile dynamic imaging imaging quality V/H integration stages
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
为了定量评估影响时间延迟积分(TDI)CCD空间相机信噪比的因素,研究了TDICCD空间相机成像机理和噪声来源,建立了相机的信噪比模型.分析了辐射亮度、积分级数、行频和系统增益(模拟增益)对信噪比的影响.搭建了实验室辐射定标系统,模拟了相机在轨工作时的辐射亮度条件.通过辐射定标对不同工作参数与相机信噪比的关系进行了验证.结果表明:对于TDICCD相机来说,光子散粒噪声、暗电流噪声和固定图形噪声在诸多噪声中起主导作用.相机的输出信号和信噪比均随着辐射亮度、积分级数和系统增益的增加而增大,随着行频的增加而减小.辐射亮度、积分级数、行频和系统增益对信噪比的影响量不同.具体来说,即当辐射亮度、积分级数和行频变化量分别为L倍、M倍、τ倍时,其导致的信噪比变化量略大于L1/2倍、M1/2倍、τ-1/2倍.系统增益只能在相对较小的范围内影响信噪比,且信噪比变化幅度随着增益的提高逐渐减小.
CCD空间相机 信噪比 时间延迟积分 辐射亮度 积分级数 行频 系统增益 CCD space camera signal-to-noise ratio time delay integration radiance integration stage line transfer frequency system gain
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 航空光学成像与测量中国科学院重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室, 吉林 长春 130033
为保证全景式航空遥感器的成像质量, 对其TDI CCD精密装调展开了研究。首先介绍了全景式航空遥感器及TDI CCD的工作原理; 然后对TDI CCD时间延迟积分方向与摆扫像移方向夹角引起的TDI CCD调制传递函数的下降展开理论研究, 计算结果表明全景式航空遥感器TDI CCD必须进行精密装调; 最后给出了全景式航空遥感器TDI CCD精密装调的实现方法。装调结果表明, 该方法可达到很高的装调精度, 当级数为200级时, 装调误差引起TDI CCD在乃奎斯特频率处的调制传递函数下降为0.999 9, 完全满足全景式航空遥感器的使用要求。
全景式航空遥感器 装调误差 调制传递函数 积分级数 sweep aerial remote sensor TDI CCD TDI CCD assembling error modulation transfer function integration stage
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所， 长春 130033
2 哈尔滨工业大学 控制科学与工程系，哈尔滨 150001
针对时间延时积分电荷耦合器件积分级数对成像质量的影响，提出了一种航天遥感相机中时间延时积分电荷耦合器件积分级数的最优选择方法.构造了典型成像系统的信噪比与积分级数关系模型和调制传递函数与卫星姿态角和积分级数的函数模型；以信噪比和调制传递函数的容许值为约束条件，推导出了任意条件下时间延时积分电荷耦合器件的可选积分级数区间并给出了最优的积分级数解，给出了对应的增益设置指导函数.运用仿真实验对该方法进行验证，并与传统方法进行比较，结果表明：该方法能够选取最优的积分级数，从而获得满足信噪比和调制传递函数指标的最佳成像质量；若该值不存在，依然能获取相对最佳的折中值和视觉效果；同时，本文成像效果优于传统方法.
遥感相机 时间延时积分电荷耦合器件 积分级数 成像质量 Remote sensing camera TDI CCD Integral grade Imaging quality
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春130033
2 中国科学院研究生院，北京100039
为了提高空间TDI CCD遥感相机的成像质量，研究了相机TDI CCD积分级数和增益的优化设置方法。分别讨论了信噪比(SNR)和调制传递函数(MTF)与积分级数的关系，指出增加积分级数能解决光能量不足问题并有效提高SNR，但同时会引起系统MTF下降；增加增益也可解决光能量不足问题，但不能改变系统的SNR和MTF，因此优化积分级数和增益可改善图像质量。采用SNR×MTF作为图像质量评价指标，对积分级数和增益设置进行了优化。数值计算结果表明：在给定的相机参数下，当卫星俯仰角速度为0.005 (°)/s，曝光量为饱和值的1/66时，积分级数选为44级，增益设置为1.5可获得较好的图像质量。
信噪比 调制传递函数 增益 积分级数 优化 TDI CCD TDI CCD Signal to Noise Ratio(SNR) Modulated Transfer Function(MTF) gain integration stage optimization
