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(hào)004-924X(2007)1-178405用作圖法判定航空相機(jī) TDI CCD積分方向田海英,惠守文,李友一,丁亞林,王靈杰(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研兗所,吉林長(zhǎng)春130033)摘要:由于 Time Delay and Integration CCD( TDI CCD)是一種類似面陣結(jié)構(gòu)的線陣輸出CCD其光電荷轉(zhuǎn)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(yùn)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(jī)和擺掃成像相機(jī)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(yùn)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(shè)計(jì)中采用關(guān)鍵詞:丁TCCD;積分方向;摩移方向;作圖法中圖分類號(hào):V248.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(xiàng)目:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)特密機(jī)械與物理研究所創(chuàng)新工程資助項(xiàng)目(No.ZJ99130B)第11期田海英,等:用作圖法判定航空相機(jī) TDI CCD的積分方向1785-TDI CCD columnsTDI CCD是一種類似面陣結(jié)構(gòu)的線陣輸出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(jié)構(gòu)緊湊,已經(jīng)艸“艸土■被廣泛地應(yīng)用于航空航天遙感以及測(cè)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(duì)同一目標(biāo)曝光,電荷轉(zhuǎn)移累加后輸出,這就決定了 TDI CCD的光電荷轉(zhuǎn)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(jī)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。普通線陣CCD更加清晰的圖像。航空相機(jī)的焦距一般較長(zhǎng),光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)從 TDI CCD的成像特點(diǎn)可以看出,TDI角相對(duì)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(tǒng)。TDI CCD掃描成像時(shí)的運(yùn)動(dòng)方向相對(duì)應(yīng)的,因本文以推掃成像相機(jī)和擺掃成像相機(jī)為例,此, TDI CCD工作時(shí)的運(yùn)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(jī)像移方向之間的關(guān)系。3推掃成像相機(jī) 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,是線陣推掃成像的相機(jī)工作時(shí),相機(jī)隨載機(jī)運(yùn)動(dòng)推cCD器件,但它的結(jié)構(gòu)像一個(gè)面陣器件,其列數(shù)掃成像, TDI CCD行方向與相機(jī)運(yùn)動(dòng)方向垂直。是一行像元數(shù),行數(shù)是 TDI CCD的級(jí)數(shù)M。通推掃成像原理如圖2所示常一個(gè) TDI CCD可選控的級(jí)數(shù)M為6、12、248、96或其它數(shù)值類似排列, TDI CCD工作時(shí)可根據(jù)目標(biāo)光亮度的不同選擇不同的級(jí)數(shù)。TDlCCD工作模型簡(jiǎn)圖如圖1。TDI CCD采用掃描疊加方式對(duì)同一目標(biāo)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(nèi)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(nèi)的電荷包相加,依此類推,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(hào)。假如一個(gè) TDI CCD圖像傳感器的級(jí)數(shù)為圖2 TDI CCD推掃成像原理簡(jiǎn)圖M則輸出的信號(hào)電荷是經(jīng)過(guò)了對(duì)目標(biāo)M次曝光Fig2. Principle of TDI CCD pushbroom imaging后累加得出的。正是通過(guò)多達(dá)M次的曝光,CCDl786光學(xué)精密工程第15卷當(dāng)相機(jī)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(shè)相機(jī)靜4擺掃成像相機(jī)TDⅠCCD積分方止,則地物以與相機(jī)運(yùn)動(dòng)方向相反的方向運(yùn)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?yàn)?TDI CCD級(jí)的方向,垂直紙面的方向?yàn)?TDI CCD行的方向。圖4是某寬視場(chǎng)擺掃成像航空相機(jī)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(jī)鏡筒的轉(zhuǎn)軸與飛機(jī)飛行方向平行,擺掃的方向與飛機(jī)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(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng),從而使 TDI CCD對(duì)地面景物掃描成像。圖中,N代表 TDI CCD的像元數(shù),1→N為 TDI CCD的行方向由于相機(jī)擺掃成像的方向與飛機(jī)飛行方向正交,而 TDI CCD的積分方向應(yīng)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(jī)隨飛機(jī)的飛行運(yùn)動(dòng)。與推掃相機(jī)判別積分方向作圖步驟相同,作圖時(shí)假設(shè)相機(jī)擺掃成像時(shí)相機(jī)是靜止的,首先作出航空相機(jī)成像光路示意圖,并圖3推掃成像 TDI CCD積分方向確定相機(jī)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(jī)光學(xué)系統(tǒng)所成的像點(diǎn)如圖3所示,首先作出航空相機(jī)成像光路示及a′。由于假設(shè)相機(jī)靜止,物點(diǎn)相對(duì)相機(jī)移動(dòng),意圖,并確定相機(jī)移動(dòng)方向。然后取地面上點(diǎn)A所以可以認(rèn)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(jī)光學(xué)系統(tǒng)所則地物相對(duì)于相機(jī)光軸的運(yùn)動(dòng)方向如圖4所示。成的像點(diǎn)a及a。由于假設(shè)相機(jī)靜止,物點(diǎn)相對(duì)相機(jī)移動(dòng)所以可以認(rèn)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(shè)在t時(shí)刻,地物點(diǎn)Acanning mImorWhiskbroomd direction通過(guò)相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)成像在像面的a點(diǎn),對(duì)應(yīng)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(duì)于相機(jī)移動(dòng)到了A'點(diǎn),通過(guò)相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)成像在像面上a’點(diǎn),對(duì)應(yīng)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(jī) TDI CCD積分方向元的每一級(jí)都要對(duì)同一目標(biāo)曝光,因此,在t時(shí)Fig.4 TDI CCD direction of whiskbroom scan cam刻已經(jīng)對(duì)地物點(diǎn)A曝光的電荷應(yīng)該轉(zhuǎn)移到像元2的位置這也就是說(shuō) TDI CCD的電荷轉(zhuǎn)移方向?yàn)?→2,即 TDI CCD積分方向應(yīng)該為1→2,這樣根據(jù) TDI CCD的像元的每一級(jí)要對(duì)同一目才能保證 TDI CCD正常成像工作標(biāo)曝光積分的特性,在t時(shí)刻已經(jīng)對(duì)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(yīng)該轉(zhuǎn)移到a'的位置,也就是說(shuō)TDI向與相機(jī)移動(dòng)方向相同,與地物點(diǎn)像移方向相同CCD的電荷轉(zhuǎn)移方向?yàn)閍→a',即 TDI CCD積分第11期田海英,等:用作圖法判定航空相機(jī) TDI CCD的積分方向1787方向?yàn)閍→a,才能保證 TDI CCD正常成像工對(duì)于推掃成像相機(jī),從圖3可以很明顯地看作。出,相機(jī)前向像移方向與飛機(jī)飛行方向一致,也就從圖中可以看出擺掃成像相機(jī) 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(jī)擺動(dòng)方向相反,與地物點(diǎn)像移方向a′,即相機(jī)前向像移矢量的方向與 TDI CCD積相同分方向一致5相機(jī)像移方向與 TDI CCD積分對(duì)于擺掃成像相機(jī),像移方向可以用光線追跡的方法準(zhǔn)確得出。本文用ASAP軟件建立了方向的關(guān)系相機(jī)成像模型,如圖6所示。從建模分析的結(jié)果航空相機(jī)照相時(shí),由于飛行器運(yùn)動(dòng)和震動(dòng)等可知,對(duì)應(yīng)于物點(diǎn)的移動(dòng)矢量為AA,相機(jī)像面上原因致使被照物的影像相對(duì)于相機(jī)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(duì)移動(dòng),稱為像移。在航空相機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中,積分方向也是一致的必須判定航空相機(jī)工作時(shí)像移的方向及大小,進(jìn)行像移補(bǔ)償,以保證相機(jī)成像質(zhì)量。圖6擺掃相機(jī)成像過(guò)程仿真圖Fig 6 Simulation of whiskbroom scan camera imaging6結(jié)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(jī)設(shè)計(jì)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),光電荷隨著曝光時(shí)若碰到較為復(fù)雜的相機(jī)光學(xué)系統(tǒng),如光路中間的推移從像元第一級(jí)轉(zhuǎn)移到第二級(jí),并與像元存在棱鏡的光學(xué)系統(tǒng)時(shí),光學(xué)系統(tǒng)圖像會(huì)有倒置第二級(jí)光電荷累加后轉(zhuǎn)移到第三級(jí),以此類推,也和旋轉(zhuǎn)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(jī)光學(xué)系統(tǒng)成的像要隨著確定 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(jí)題,在作圖時(shí)要仔細(xì)研究。依次都對(duì)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(duì) 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(jī)和擺掃相機(jī)成像時(shí)積分方向的判定可以驗(yàn)證程設(shè)計(jì)中采用。1788光學(xué)精密工程第15卷參考文獻(xiàn):[]許兆林付戰(zhàn)平. TDI CCD圖像傳感器在偵察相機(jī)中的應(yīng)用[J.傳感器技術(shù),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]王慶有.CCD應(yīng)用技術(shù)[M].天津:天津大學(xué)出版社,2000WANG Q Y. CCD Application Technology[M]. Tianjin Tianjin University Press, 2000.(in Chines[5]關(guān)志軍,田海美,丁亞林,等航空相機(jī)像旋轉(zhuǎn)判定的兩種方法[刀、光學(xué)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]翟林墻,劉明,修吉宏考慮飛機(jī)姿態(tài)角時(shí)傾斜航空相機(jī)像移速度計(jì)算冂].光學(xué)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]劉明,吳宏圣,匡海鵬等.航相機(jī)的像移補(bǔ)償方法及應(yīng)用[冂].光學(xué)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作者簡(jiǎn)介:田海英(1975-),女,山西粉陽(yáng)人,中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)眷光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所博士,副研究員,主要從事航空相機(jī)的研究工作。E-mail:thygzh_74@2lcn.com