用作图法判定航空相机TDI CCD积分方向

第15卷第11期光学精密工程Vol 15 No 112007年11月Optics and Precision EngineeringNov.2007文章编号004-924X(2007)1-178405用作图法判定航空相机 TDI CCD积分方向田海英,惠守文,李友一,丁亚林,王灵杰(中国科学院长春光学精密机械与物理研兖所,吉林长春130033)摘要:由于 Time Delay and Integration CCD( TDI CCD)是一种类似面阵结构的线阵输出CCD其光电荷转移具有一定的方向性所以TD】CCD图像传感器的积分方向与CCD成像运动方向必须保持一定的关系才能成像。本文以推扫成像相机和摆扫成像相机为例,介绍了一种基于高斯成像原理的作图法,用以确定 TDI CCD积分方向与传感器成像运动方向的关系,分析和论证表明, TDI CCD的积分方向必须与地物在像面上的像移方向一致。实践证明这种方法可以清楚、简便快速地确定 TDI CCD的积分方向,从而确定 TDI CCD的安装方向,适宜在实际的工程设计中采用关键词:丁TCCD;积分方向;摩移方向;作图法中图分类号:V248.3文献标识码: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;修订日期:2007-10-18.基金项目:中国科学院长春光学特密机械与物理研究所创新工程资助项目(No.ZJ99130B)第11期田海英,等:用作图法判定航空相机 TDI CCD的积分方向1785-TDI CCD columnsTDI CCD是一种类似面阵结构的线阵输出directionCCD,具有多重积分功能,在低照度下具有较好的成像性能,且灵敏度高、信噪比高、结构紧凑,已经艹“艹土■被广泛地应用于航空航天遥感以及测量等领域。由于 TDI CCD的工作方式很特殊,要求同一列上的每一个像元依次对同一目标曝光,电荷转移累加后输出,这就决定了 TDI CCD的光电荷转图1 TDI CCD工作模型简图移具有一定的方向性。为保证相机能够成像工Fig 1 Work model of TDI CCD作, TDI CCD的积分方向是 TDI CCD使用过程图像传感器才能不断地累加光电荷,从而产生比中必须研究的一个问题。普通线阵CCD更加清晰的图像。航空相机的焦距一般较长,光学系统的视场从 TDI CCD的成像特点可以看出,TDI角相对较小,在进行像移分析时可以将其近似为CCD作为一种扫描成像的器件,其积分方向是与理想的高斯成像系统。TDI CCD扫描成像时的运动方向相对应的,因本文以推扫成像相机和摆扫成像相机为例,此, TDI CCD工作时的运动方向确定了,TDI介绍如何利用作图法来确定 TDI CCD的积分方CCD积分方向也就随之确定了。向,并给出 TDI CCD积分方向与相机像移方向之间的关系。3推扫成像相机 TDI CCD积分方2 TDI CCD的工作原理向的确定Time Delay and Integration Charge CoupledDevice( TDI CCD)即时间延迟积分CD,是线阵推扫成像的相机工作时,相机随载机运动推cCD器件,但它的结构像一个面阵器件,其列数扫成像, TDI CCD行方向与相机运动方向垂直。是一行像元数,行数是 TDI CCD的级数M。通推扫成像原理如图2所示常一个 TDI CCD可选控的级数M为6、12、248、96或其它数值类似排列, TDI CCD工作时可根据目标光亮度的不同选择不同的级数。TDlCCD工作模型简图如图1。TDI CCD采用扫描叠加方式对同一目标进direction行多次曝光。其工作原理是:某一列的第一个像元在第一个曝光积分时间内的电荷包并不直接输出,而是移向同列的第二个像元并与第二个像元曝光积分时间内的电荷包相加,依此类推,最后一行的像元累加了本身和前面所有电荷包后输出信号。假如一个 TDI CCD图像传感器的级数为图2 TDI CCD推扫成像原理简图M则输出的信号电荷是经过了对目标M次曝光Fig2. Principle of TDI CCD pushbroom imaging后累加得出的。正是通过多达M次的曝光,CCDl786光学精密工程第15卷当相机工作时, TDI CCD推扫成像,利用作图法确定 TDI CCD积分方向时,可假设相机静4摆扫成像相机TDⅠCCD积分方止,则地物以与相机运动方向相反的方向运动。图3是利用作图法确定推扫成像时 TDI CCD积向的确定分方向示意图,图中水平方向为 TDI CCD级的方向,垂直纸面的方向为 TDI CCD行的方向。图4是某宽视场摆扫成像航空相机的工作示意图,地面景物通过扫描镜、镜头和焦面镜成像在Camera's moving directionTDI CCD上。相机镜筒的转轴与飞机飞行方向平行,摆扫的方向与飞机飞行方向垂直扫描镜Row ofDI ccD镜头、焦面镜和 TDI CCD同时绕镜筒转轴转动,从而使 TDI CCD对地面景物扫描成像。图中,N代表 TDI CCD的像元数,1→N为 TDI CCD的行方向由于相机摆扫成像的方向与飞机飞行方向正交,而 TDI CCD的积分方向应该与其成像方向平Object行,所以在确定 TDI CCD积分方向时不必考虑相机随飞机的飞行运动。与推扫相机判别积分方向作图步骤相同,作图时假设相机摆扫成像时相机是静止的,首先作出航空相机成像光路示意图,并图3推扫成像 TDI CCD积分方向确定相机移动方向。然后取地面上点A及点A',Fig 3 TDI CCD direction of pushbroom camera并作出A及A点通过相机光学系统所成的像点如图3所示,首先作出航空相机成像光路示及a′。由于假设相机静止,物点相对相机移动,意图,并确定相机移动方向。然后取地面上点A所以可以认为点A经过一定时间后移动到点A,及点A',并作出A及A点通过相机光学系统所则地物相对于相机光轴的运动方向如图4所示。成的像点a及a。由于假设相机静止,物点相对相机移动所以可以认为点A经过一定时间后移功到点A′。也就是说,假设在t时刻,地物点Acanning mImorWhiskbroomd direction通过相机光学系统成像在像面的a点,对应于 scanningof TDI CCD rowdirectionTDI CCD的像元1,经过很短的时间△t后,在t吋刻,地物点A相对于相机移动到了A'点,通过相机光学系统成像在像面上a’点,对应于TDIelativeCCD像元2的位置。to the camer由 TDI CCD的工作原理可知, TDI CCD像图4摆扫成像相机 TDI CCD积分方向元的每一级都要对同一目标曝光,因此,在t时Fig.4 TDI CCD direction of whiskbroom scan cam刻已经对地物点A曝光的电荷应该转移到像元2的位置这也就是说 TDI CCD的电荷转移方向为1→2,即 TDI CCD积分方向应该为1→2,这样根据 TDI CCD的像元的每一级要对同一目才能保证 TDI CCD正常成像工作标曝光积分的特性,在t时刻已经对地物点a曝从图中可以看出,推扫成像 TDI CCD积分方光的电荷应该转移到a'的位置,也就是说TDI向与相机移动方向相同,与地物点像移方向相同CCD的电荷转移方向为a→a',即 TDI CCD积分第11期田海英,等:用作图法判定航空相机 TDI CCD的积分方向1787方向为a→a,才能保证 TDI CCD正常成像工对于推扫成像相机,从图3可以很明显地看作。出,相机前向像移方向与飞机飞行方向一致,也就从图中可以看出摆扫成像相机 TDI CCD积是说,地面上地物移动矢量AA在像面上的像为分方向与相机摆动方向相反,与地物点像移方向a′,即相机前向像移矢量的方向与 TDI CCD积相同分方向一致5相机像移方向与 TDI CCD积分对于摆扫成像相机,像移方向可以用光线追迹的方法准确得出。本文用ASAP软件建立了方向的关系相机成像模型,如图6所示。从建模分析的结果航空相机照相时,由于飞行器运动和震动等可知,对应于物点的移动矢量为AA,相机像面上原因致使被照物的影像相对于相机的感光介质产的像移矢量为aa,这与作图法确定的 TDI CCD生相对移动,称为像移。在航空相机设计过程中,积分方向也是一致的必须判定航空相机工作时像移的方向及大小,进行像移补偿,以保证相机成像质量。图6摆扫相机成像过程仿真图Fig 6 Simulation of whiskbroom scan camera imaging6结论由于 TDI CCD工作方式的特殊性,TDl图5 TDI CCD成像原理示意图CCD积分方向的判定是相机设计中必须清楚的Fig 5 Principle of TDI CCD imaging问题。本文介绍了确定 TDI CCD积分方向的作图5是TCCD成像原理示意图,从图5可图法,分析判断表明, TDI CCD的积分方向必须与地物在像面上的像移方向一致。以看出, TDI CCD在成像时,光电荷随着曝光时若碰到较为复杂的相机光学系统,如光路中间的推移从像元第一级转移到第二级,并与像元存在棱镜的光学系统时,光学系统图像会有倒置第二级光电荷累加后转移到第三级,以此类推,也和旋转问题,这也是确定 TDI CCD积分方向从而就是说地物点通过相机光学系统成的像要随着确定 TDI CCD安装方向的一个必须要注意的问光电荷的移动而移动因此,为保证像元的每一级题,在作图时要仔细研究。依次都对同一物点成像, TDI CCD的积分方向必总之,本文介绍的作图法可以清楚、简便、快须与像移方向保持一致,对 TDI CCD用于推扫速地确定 TDI CCD的积分方向,从而确定TDICCD的安装方向或积分控制方向,适宜在实际工相机和摆扫相机成像时积分方向的判定可以验证程设计中采用。1788光学精密工程第15卷参考文献:[]许兆林付战平. TDI CCD图像传感器在侦察相机中的应用[J.传感器技术,2001,11(4):46-49XU ZH L. FU ZH P. Application of TDI CCD image sensor in reconnaissance camera[J]. Journal of TransducerTechnology, 2001, 11(4):46-49(in Chinese)[2] WONG H S, YAO Y L, SCHLIG W S. TDI sharge-coupled devices: design and applications [J].IBMJ.Res.De-vlop,1992,36(1):83-105.[3] LAREAU A G. Electrooptical imaging array with motion compensation [].SPIE, 1993,2023:65-79.[4]王庆有.CCD应用技术[M].天津:天津大学出版社,2000WANG Q Y. CCD Application Technology[M]. Tianjin Tianjin University Press, 2000.(in Chines[5]关志军,田海美,丁亚林,等航空相机像旋转判定的两种方法[刀、光学精密工程,2003,11(2):45-4GUAN ZH J, TIAN H Y, DING Y L, et al.. Two methods to estimate the images rotating direction of aero cam.era imaging system[J]. Opt. Precision Eng., 2003, 11(2):45-49.(in Chinese)[6]翟林墙,刘明,修吉宏考虑飞机姿态角时倾斜航空相机像移速度计算冂].光学精密工程,2006,14(5):490-494.ZHAI L P, LIU M, XIU J H. Calculation of image motion velocity considering airplane gesture angle in obliqueaerial camera[J]. Opt. Precision Eng., 2006, 14(5)1490-494 (in Chinese)冂]刘明,吴宏圣,匡海鵬等.航相机的像移补偿方法及应用[冂].光学精密工程,2004,12(4):30-34LIU M,WU H SH, KUANG H P, etal., Method and application of image motion compensation in aerospace cam-era[J]. Opt. Precision Eng., 2004, 12(4): 30-34. (in Chinese作者简介:田海英(1975-),女,山西粉阳人,中国科学院长眷光学精密机械与物理研究所博士,副研究员,主要从事航空相机的研究工作。E-mail:thygzh_74@2lcn.com