CN111787244B - 一种航天tdi沿轨推扫像移混叠抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航天TDI沿轨推扫像移混叠抑制方法，涉及航天成像技术，该方法包括：计算出原有TDI相机的曝光周期，TDI相机成像的像元感生电荷的时序周期内，对原时序进行n份全等细分；在原有曝光时间，采用计数分频器增加分频输出，分频输出值为原有曝光时间的n分之一；按照细分后的时序，进行像元感应电荷量化电压值的多次选取与读取；将其中像元对应区域内物点混叠度低的电荷量化电压值进行叠加，并将叠加后的数据保存。本发明的方法实现简单，可以改善成像情况，无需更改过多硬件，使成像混叠得到抑制，成像质量得到提高，满足航天TDI高清成像的需求。

Description

一种航天TDI沿轨推扫像移混叠抑制方法

技术领域

本发明涉及航天成像技术，具体涉及一种航天TDI推扫成像过程中，针对物点与像元存在连续的相对运动而产生像移，造成混叠的抑制方法。

背景技术

目前，时间延迟积分（Time Delayed and Integration ，TDI）相机具有广泛应用，如动中成像，卫星遥感成像，微光成像等系统。TDI相机成像系统需在跨轨道运动方向上放置几级像元线阵，线阵图像传感器与目标体存在相对运动，以此获取沿轨道方向的拼接全景图像。TDI相机包含多于一级的像元线阵，对同一目标点进行连续线阵的多次曝光，同时进行感应电荷的转移叠加，等效为单个像元对单个物点的长时间曝光，延长整体光学积分时间，解决单次曝光时间不足、感生电荷较少、成像质量不佳的问题，并显著提高图像信号强度。曝光时间可由TDI相机与目标体的相对移动速度计算得到。

TDI动中成像可以视为一个像元对应一个物点,进行拍摄；像元与物点存在相对运动，根据物理学原理，可视像元为静止，物点为运动。理想状况下，在曝光时间内，当前线阵的一个像元会对准同一物点进行曝光，在结束后，像元产生感应电荷并转移至相邻的下一线阵对应像元，下一时刻再对相同物点曝光，同时进行电荷转移与叠加，以及电荷对应电压值输出与存储；但实际状况下，曝光时间内，当前物点与像元始终存在相对运动，并逐渐离开像元对应区域，而下一物点连续进入。因此在当前曝光时间内的每一时刻，像元感应区域的物点不同，混叠程度不同，使沿轨推扫成像清晰度降低，可简述为由沿轨道运动方向像移引起的图像混叠问题，该问题是导致动中成像模糊的原因之一。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种航天TDI沿轨推扫像移混叠抑制方法，解决在曝光时间内，像元对应物点存在相对运动，导致图像清晰度降低的问题。

本发明采用的技术方案是：一种航天TDI沿轨推扫像移混叠抑制方法，包括：

计算出原有TDI相机的曝光周期，TDI相机成像的像元感生电荷的时序周期内，对原时序进行n份全等细分；

在原有曝光时间，采用计数分频器增加分频输出，分频输出值为原有曝光时间的n分之一；

按照细分后的时序，进行像元感应电荷量化电压值的多次选取与读取；

将其中像元对应区域内物点混叠度低的电荷量化电压值进行叠加，并将叠加后的数据保存。

进一步地，所述细分包括：根据混叠度与图像质量以确定全等细分份数n。

更进一步地，所述混叠度包括：

感应混叠度与感应有效率互补，相加为1；在曝光时间内，物点占据像点对应区域的面积积分，除以像元对应面积常数积分得到感应有效率，推算出混叠度。

本发明的优点：

本发明克服了现有航天TDI成像方式中存在的沿轨运动方向像移引起的图像混叠问题,并提供沿轨运动成像混叠的依据，方法实现简单，可以改善成像情况，无需更改过多硬件，使成像混叠得到抑制，成像质量得到提高，满足航天TDI高清成像的需求。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明的TDI曝光时间内理想成像状态与实际成像状态图；

图2a是本发明的单曝光时间内物点对应像元感生能量变化图；

图2b是本发明的连续曝光时间内像元感应能量变化图

图2c是本发明的像移细分时序与能量变化图；

图3是本发明的例三分频数字域TDI拟实施方案结构框图；

图4是本发明的例三分频模拟域TDI拟实施方案结构框图；

图5 是本发明的例三分频模拟域TDI拟实施曝光与电荷转移时序图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参考图1至图2，如图1至图2所示，一种航天TDI沿轨推扫像移混叠抑制方法，包括：

计算出原有TDI相机的曝光周期，TDI相机成像的像元感生电荷的时序周期内，对原时序进行n份全等细分；

在原有曝光时间，采用计数分频器增加分频输出，分频输出值为原有曝光时间的n分之一；

按照细分后的时序，进行像元感应电荷量化电压值的多次选取与读取；

将其中像元对应区域内物点混叠度低的电荷量化电压值进行叠加，并将叠加后的数据保存。

所述细分包括：根据混叠度与图像质量以确定全等细分份数n。

所述混叠度包括：

感应混叠度与感应有效率互补，相加为1；在曝光时间内，物点占据像点对应区域的面积积分，除以像元对应面积常数积分得到感应有效率，推算出混叠度。

本发明克服了现有航天TDI成像方式中存在的沿轨运动方向像移引起的图像混叠问题,并提供沿轨运动成像混叠的依据，方法实现简单，可以改善成像情况，无需更改过多硬件，使成像混叠得到抑制，成像质量得到提高，满足航天TDI高清成像的需求。

混叠度计算方式如下：

假设当前时刻，像元区域正对物点A，物点A正好充满像元感应区域。理想情况下，下一曝光时刻对应物点B，即物点A与物点B紧密相邻。像元区域长为x，宽为y，像元与物点的相对位移沿区域长x方向发生，即沿轨方向，且为匀速运动，曝光时间为T，则物点运动速度为：

理想情况下，对物点A面积积分为，即理想感应有效率为：

实际情况下，对物点A面积积分为，即实际感应有效率为：

在物点A曝光时间内感生混叠度等于：

同理对于物点B在曝光时间内的混叠度也为50%。经n等细分后，曝光时间变为原来的

，新的时序近似划分为

。在细分后的曝光时间内，各段的面积的实际情况积分与理想情况积分公式为：

各段的混叠度为：

由公式可知，在

时，即细分后的第一个时序内，对于物点A成像得到的混叠度最低；在

时，物点A成像得到的混叠度约为16.6%，有效率约为83.3%。

需要注意的是，在曝光时间T内，以三分时序为例，最后一个细分得到的物点A成像混叠度约为83.3%，有效率约为16.6%；但此时物点B的混叠度为16.6%，有效率为83.3%。因此在一次曝光时间T经细分后，存在两次物点成像混叠度最低的情况，但对应不同物点。

由以上可推理出，假设原本曝光时间T1内，像元对应物点A，曝光时间T2为像元对应物点B。T1,T2为相邻时序，且都经过n等时序细分；T1细分后的第n时序成像，T2细分后的第一时序成像，对应物点B的混叠度相同，且最低，将两者叠加以提高物点成像强度。

对原本曝光时间细分，获取新的曝光时间，存在曝光时间变短，曝光不足，感生电荷减少，图像亮度降低，需要增加TDI线阵级数，但又存在电荷转移工艺等限制TDI级数，对同一物点，混叠度低且相同的两个像进行叠加，混叠度保持不变，可以改善当前情况，无需增加过多级数，成像混叠得到抑制，成像质量也得到提高。

以三分时序抗混叠实施方案为例，参考图3与图4，其数字型与模拟型两种TDI相机沿轨混叠抑制方法驱动方案为：

具体硬件包括CCD（或CMOS）感光器件，FPGA控制器，外部时钟晶振，外部存储设备硬件。设E_k与E_k+1为原时序的第k次曝光与第k+1次曝光，两次曝光相邻，L_j与L_j+1为TDI感光线阵的j与j+1级，三分后的时序中第二时序混叠较大，其不参与成像叠加，故在第二时序时不再进行曝光操作。在具体实施时需要注意有以下两点：

一、L_j级的E_k细分后第三时序感应电荷，需要与L_j级的E_k+1细分后的第一时序感应电荷进行叠加，且两次为相邻时序，故在此两次曝光时间间隔可不进行电荷转移操作，只进行曝光控制。

二、 由图3可知，由外部精密时钟晶振输入时钟信号，由分频控制器实现PLL倍频，得到更高频率的时钟，再进行分频输出，输出信号包含原曝光时序，三分曝光时序与电转移控制时序。

模拟域TDI只有在最后一级输出量化电压值，故需要控制电荷转移的顺序进行调节，如图5所示，三分时序后只保留第一时序与第三时序，三等分第二时序不进行曝光，且L_j的E_k的第三分时序与E_k+1的第一分时序进行叠加，不进行数据转移，控制电荷转移时序只有在第一分时序后进行一次电荷转移，由原时序以及三分后时序进行控制，原时序的产生一个上升沿后开始检测实际时序的下降沿，当检测到实际时序的下降沿后，关闭检测，进行一次电荷转移操作，以此实现所需的叠加效果，每一级按相同的时序进行操作，并在最后一级进行输出数据，直接通过内部FIFO缓存，根据实际需求，进行下传或数据外部存储。

数字域TDI相机每一次曝光后在对应级读出感应电荷量化电压值，因此直接对原时序进行三等分，生成三等分曝光时序，三等分第二时序不进行曝光，在每一次曝光后对各级生成感生电荷量化电压值进行读取；由于TDI相机的感光级数少，在FPGA内设立多个对应各自级数FIFO存储空间，地址指针以及存储计数器。首先是各级的E_k第三分时序进行曝光后，不进行数据的读取，等待E_k+1细分后的第一时序曝光，进行电荷叠加，与电压输出，存储至FIFO中。将每一级线阵的各个像元读回的数值组成序列，根据级数进行错列叠加，例L_j的第i次存入感生电荷量化值序列L_j(i)与L_j+1的第i+1次存入感生电荷量化值序列L_j+1(i+1)的数据叠加。根据计数器，每一次完整读入各级序列后触发一次FIFO的数据输出与叠加运算。根据实际需求，由数据加法器的完成与计数器共同控制决定数据的下传或数据外部存储。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种航天TDI沿轨推扫像移混叠抑制方法，其特征在于，包括：

计算出原有TDI相机的曝光周期，TDI相机成像的像元感生电荷的时序周期内，对原时序进行n份全等细分；

在原有曝光时间，采用计数分频器增加分频输出，分频输出值为原有曝光时间的n分之一；

按照细分后的时序，进行像元感应电荷量化电压值的多次选取与读取；

将其中像元对应区域内物点混叠度低的电荷量化电压值进行叠加，并将叠加后的数据保存；

所述细分包括：根据混叠度与图像质量以确定全等细分份数n；

所述混叠度包括：

感应混叠度与感应有效率互补，相加为1；在曝光时间内，物点占据像点对应区域的面积积分，除以像元对应面积常数积分得到感应有效率，推算出混叠度。

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