用作圖法判定航空相機TDI CCD積分方向

第15卷第11期光學(xué)精密工程Vol 15 No 112007年11月Optics and Precision EngineeringNov.2007文章編號004-924X(2007)1-178405用作圖法判定航空相機 TDI CCD積分方向田海英,惠守文,李友一,丁亞林,王靈杰(中國科學(xué)院長(cháng)春光學(xué)精密機械與物理研兗所,吉林長(cháng)春130033)摘要:由于 Time Delay and Integration CCD( TDI CCD)是一種類(lèi)似面陣結構的線(xiàn)陣輸出CCD其光電荷轉移具有一定的方向性所以TD】CCD圖像傳感器的積分方向與CCD成像運動(dòng)方向必須保持一定的關(guān)系才能成像。本文以推掃成像相機和擺掃成像相機為例,介紹了一種基于高斯成像原理的作圖法,用以確定 TDI CCD積分方向與傳感器成像運動(dòng)方向的關(guān)系,分析和論證表明, TDI CCD的積分方向必須與地物在像面上的像移方向一致。實(shí)踐證明這種方法可以清楚、簡(jiǎn)便快速地確定 TDI CCD的積分方向,從而確定 TDI CCD的安裝方向,適宜在實(shí)際的工程設計中采用關(guān)鍵詞:丁TCCD;積分方向;摩移方向;作圖法中圖分類(lèi)號:V248.3文獻標識碼:AEstimation of tdi direction of CCD sensorin aerial camera by graphing methodTIAN Hai-ying, HUI Shou-wen, LI You-yi, diNG Ya-lin, WANG Ling-jieChangchun Institute of Optics, Fine Mechanics and PhysicsChinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China)Abstract: Time Delay and Integration CCD(TDI CCD)is a kind of CCd with frame structure and line-ar output, its charge transfer has certain directivity. Therefore, CCD integral direction and TDI CCDmagery heading must maintain certain relation for imaging. This article takes a push-broom and awhiskbroom scanning camera as examples, and introduces a graphing method based on Guassian ima-ging system to determine the relation between TDI CCD integral direction and sensor imagery heading. The conclusion is that integral direction must be in accordance with image motion direction. Theresult shows that this method is intuitional, prectical and easy to determin TDI CCD integral direc-tion, which is suitable for the practical engineering design.Key words: Time Delay and Integration CCD(TDI CCD); TDI direction; image motion direction grap-收稿日期:20070722;修訂日期:2007-10-18.基金項目:中國科學(xué)院長(cháng)春光學(xué)特密機械與物理研究所創(chuàng )新工程資助項目(No.ZJ99130B)第11期田海英,等:用作圖法判定航空相機 TDI CCD的積分方向1785-TDI CCD columnsTDI CCD是一種類(lèi)似面陣結構的線(xiàn)陣輸出directionCCD,具有多重積分功能,在低照度下具有較好的成像性能,且靈敏度高、信噪比高、結構緊湊,已經(jīng)艸“艸土■被廣泛地應用于航空航天遙感以及測量等領(lǐng)域。由于 TDI CCD的工作方式很特殊,要求同一列上的每一個(gè)像元依次對同一目標曝光,電荷轉移累加后輸出,這就決定了 TDI CCD的光電荷轉圖1 TDI CCD工作模型簡(jiǎn)圖移具有一定的方向性。為保證相機能夠成像工Fig 1 Work model of TDI CCD作, TDI CCD的積分方向是 TDI CCD使用過(guò)程圖像傳感器才能不斷地累加光電荷,從而產(chǎn)生比中必須研究的一個(gè)問(wèn)題。普通線(xiàn)陣CCD更加清晰的圖像。航空相機的焦距一般較長(cháng),光學(xué)系統的視場(chǎng)從 TDI CCD的成像特點(diǎn)可以看出,TDI角相對較小,在進(jìn)行像移分析時(shí)可以將其近似為CCD作為一種掃描成像的器件,其積分方向是與理想的高斯成像系統。TDI CCD掃描成像時(shí)的運動(dòng)方向相對應的,因本文以推掃成像相機和擺掃成像相機為例,此, TDI CCD工作時(shí)的運動(dòng)方向確定了,TDI介紹如何利用作圖法來(lái)確定 TDI CCD的積分方CCD積分方向也就隨之確定了。向,并給出 TDI CCD積分方向與相機像移方向之間的關(guān)系。3推掃成像相機 TDI CCD積分方2 TDI CCD的工作原理向的確定Time Delay and Integration Charge CoupledDevice( TDI CCD)即時(shí)間延遲積分CD,是線(xiàn)陣推掃成像的相機工作時(shí),相機隨載機運動(dòng)推cCD器件,但它的結構像一個(gè)面陣器件,其列數掃成像, TDI CCD行方向與相機運動(dòng)方向垂直。是一行像元數,行數是 TDI CCD的級數M。通推掃成像原理如圖2所示常一個(gè) TDI CCD可選控的級數M為6、12、248、96或其它數值類(lèi)似排列, TDI CCD工作時(shí)可根據目標光亮度的不同選擇不同的級數。TDlCCD工作模型簡(jiǎn)圖如圖1。TDI CCD采用掃描疊加方式對同一目標進(jìn)direction行多次曝光。其工作原理是:某一列的第一個(gè)像元在第一個(gè)曝光積分時(shí)間內的電荷包并不直接輸出,而是移向同列的第二個(gè)像元并與第二個(gè)像元曝光積分時(shí)間內的電荷包相加,依此類(lèi)推,最后一行的像元累加了本身和前面所有電荷包后輸出信號。假如一個(gè) TDI CCD圖像傳感器的級數為圖2 TDI CCD推掃成像原理簡(jiǎn)圖M則輸出的信號電荷是經(jīng)過(guò)了對目標M次曝光Fig2. Principle of TDI CCD pushbroom imaging后累加得出的。正是通過(guò)多達M次的曝光,CCDl786光學(xué)精密工程第15卷當相機工作時(shí), TDI CCD推掃成像,利用作圖法確定 TDI CCD積分方向時(shí),可假設相機靜4擺掃成像相機TDⅠCCD積分方止,則地物以與相機運動(dòng)方向相反的方向運動(dòng)。圖3是利用作圖法確定推掃成像時(shí) TDI CCD積向的確定分方向示意圖,圖中水平方向為 TDI CCD級的方向,垂直紙面的方向為 TDI CCD行的方向。圖4是某寬視場(chǎng)擺掃成像航空相機的工作示意圖,地面景物通過(guò)掃描鏡、鏡頭和焦面鏡成像在Camera's moving directionTDI CCD上。相機鏡筒的轉軸與飛機飛行方向平行,擺掃的方向與飛機飛行方向垂直掃描鏡Row ofDI ccD鏡頭、焦面鏡和 TDI CCD同時(shí)繞鏡筒轉軸轉動(dòng),從而使 TDI CCD對地面景物掃描成像。圖中,N代表 TDI CCD的像元數,1→N為 TDI CCD的行方向由于相機擺掃成像的方向與飛機飛行方向正交,而 TDI CCD的積分方向應該與其成像方向平Object行,所以在確定 TDI CCD積分方向時(shí)不必考慮相機隨飛機的飛行運動(dòng)。與推掃相機判別積分方向作圖步驟相同,作圖時(shí)假設相機擺掃成像時(shí)相機是靜止的,首先作出航空相機成像光路示意圖,并圖3推掃成像 TDI CCD積分方向確定相機移動(dòng)方向。然后取地面上點(diǎn)A及點(diǎn)A',Fig 3 TDI CCD direction of pushbroom camera并作出A及A點(diǎn)通過(guò)相機光學(xué)系統所成的像點(diǎn)如圖3所示,首先作出航空相機成像光路示及a′。由于假設相機靜止,物點(diǎn)相對相機移動(dòng),意圖,并確定相機移動(dòng)方向。然后取地面上點(diǎn)A所以可以認為點(diǎn)A經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后移動(dòng)到點(diǎn)A,及點(diǎn)A',并作出A及A點(diǎn)通過(guò)相機光學(xué)系統所則地物相對于相機光軸的運動(dòng)方向如圖4所示。成的像點(diǎn)a及a。由于假設相機靜止,物點(diǎn)相對相機移動(dòng)所以可以認為點(diǎn)A經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后移功到點(diǎn)A′。也就是說(shuō),假設在t時(shí)刻,地物點(diǎn)Acanning mImorWhiskbroomd direction通過(guò)相機光學(xué)系統成像在像面的a點(diǎn),對應于 scanningof TDI CCD rowdirectionTDI CCD的像元1,經(jīng)過(guò)很短的時(shí)間△t后,在t吋刻,地物點(diǎn)A相對于相機移動(dòng)到了A'點(diǎn),通過(guò)相機光學(xué)系統成像在像面上a’點(diǎn),對應于TDIelativeCCD像元2的位置。to the camer由 TDI CCD的工作原理可知, TDI CCD像圖4擺掃成像相機 TDI CCD積分方向元的每一級都要對同一目標曝光,因此,在t時(shí)Fig.4 TDI CCD direction of whiskbroom scan cam刻已經(jīng)對地物點(diǎn)A曝光的電荷應該轉移到像元2的位置這也就是說(shuō) TDI CCD的電荷轉移方向為1→2,即 TDI CCD積分方向應該為1→2,這樣根據 TDI CCD的像元的每一級要對同一目才能保證 TDI CCD正常成像工作標曝光積分的特性,在t時(shí)刻已經(jīng)對地物點(diǎn)a曝從圖中可以看出,推掃成像 TDI CCD積分方光的電荷應該轉移到a'的位置,也就是說(shuō)TDI向與相機移動(dòng)方向相同,與地物點(diǎn)像移方向相同CCD的電荷轉移方向為a→a',即 TDI CCD積分第11期田海英,等:用作圖法判定航空相機 TDI CCD的積分方向1787方向為a→a,才能保證 TDI CCD正常成像工對于推掃成像相機,從圖3可以很明顯地看作。出,相機前向像移方向與飛機飛行方向一致,也就從圖中可以看出擺掃成像相機 TDI CCD積是說(shuō),地面上地物移動(dòng)矢量AA在像面上的像為分方向與相機擺動(dòng)方向相反,與地物點(diǎn)像移方向a′,即相機前向像移矢量的方向與 TDI CCD積相同分方向一致5相機像移方向與 TDI CCD積分對于擺掃成像相機,像移方向可以用光線(xiàn)追跡的方法準確得出。本文用ASAP軟件建立了方向的關(guān)系相機成像模型,如圖6所示。從建模分析的結果航空相機照相時(shí),由于飛行器運動(dòng)和震動(dòng)等可知,對應于物點(diǎn)的移動(dòng)矢量為AA,相機像面上原因致使被照物的影像相對于相機的感光介質(zhì)產(chǎn)的像移矢量為aa,這與作圖法確定的 TDI CCD生相對移動(dòng),稱(chēng)為像移。在航空相機設計過(guò)程中,積分方向也是一致的必須判定航空相機工作時(shí)像移的方向及大小,進(jìn)行像移補償,以保證相機成像質(zhì)量。圖6擺掃相機成像過(guò)程仿真圖Fig 6 Simulation of whiskbroom scan camera imaging6結論由于 TDI CCD工作方式的特殊性,TDl圖5 TDI CCD成像原理示意圖CCD積分方向的判定是相機設計中必須清楚的Fig 5 Principle of TDI CCD imaging問(wèn)題。本文介紹了確定 TDI CCD積分方向的作圖5是TCCD成像原理示意圖,從圖5可圖法,分析判斷表明, TDI CCD的積分方向必須與地物在像面上的像移方向一致。以看出, TDI CCD在成像時(shí),光電荷隨著(zhù)曝光時(shí)若碰到較為復雜的相機光學(xué)系統,如光路中間的推移從像元第一級轉移到第二級,并與像元存在棱鏡的光學(xué)系統時(shí),光學(xué)系統圖像會(huì )有倒置第二級光電荷累加后轉移到第三級,以此類(lèi)推,也和旋轉問(wèn)題,這也是確定 TDI CCD積分方向從而就是說(shuō)地物點(diǎn)通過(guò)相機光學(xué)系統成的像要隨著(zhù)確定 TDI CCD安裝方向的一個(gè)必須要注意的問(wèn)光電荷的移動(dòng)而移動(dòng)因此,為保證像元的每一級題,在作圖時(shí)要仔細研究。依次都對同一物點(diǎn)成像, TDI CCD的積分方向必總之,本文介紹的作圖法可以清楚、簡(jiǎn)便、快須與像移方向保持一致,對 TDI CCD用于推掃速地確定 TDI CCD的積分方向,從而確定TDICCD的安裝方向或積分控制方向,適宜在實(shí)際工相機和擺掃相機成像時(shí)積分方向的判定可以驗證程設計中采用。1788光學(xué)精密工程第15卷參考文獻:[]許兆林付戰平. 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