2024年3月25日发(作者：)

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第６卷第１期　

２０Ｏ２年１月　

遥感学报　

Ｖｏ１．６，Ｎｏ．１　

ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＲＥＭＯＴＥ　ＳＥＮＳＩＮＧ　

Ｊａｎ　，２００２　

文章编号：１００７－４６１９（２∞２）Ｏｌ－００３５－０５　

极轨星载ＴＤＩ　ＣＣＤ相机的像移及恢复算法研究　

陈

摘

粱，刘春霞，龚惠兴　

２∞嘲）　（中国科学院上海技术物理研究所上海

要：根据ＴＤＩ　ＣＣＤ特殊的工作方式，预测了由于地球自转而引起的授轨星载ＴＤＩ　ＣＣＤ相机的特殊像移　

及其对图像的影响，根据ＴＤＩ像移产生的机理建立了数学模型，并求出了像移恢复滤波器的数字表达式，经过　

计算机仿真证明图像恢复算法有效　

关键词：ＴＤＩ　ＣＣＤ；像移；图像处理　

中田分类号：ＴＰ７５１．１　文献标识码：Ａ　

ＴＤＩ　ＣＣＤ器件是近几年发展起来的一种新型光　

移，像移使图像混叠，分辨率下降、目标边缘模糊、物　

体灰度失真及对比淡化，因此像移图像恢复是极轨　

星载ＴＤＩ　ＣＣＤ相机应用中必须解决的重要问题。　

电传感器，因其具有特殊的结构和工作方式，故与一　

般线阵ＣＣＤ相比具有很高的响应度，作为图像传感　

器在航天航空遥感中得到了越来越广泛的应用。在　

星载相机中采用ＴＤＩ　ＣＣＤ器件作为焦平面探测器可　

以大大减小光学系统孔径，从而减小相机重量和体　

积，同时还具有很高的探测灵敏度，因此采用ＴＤＩ　

ＣＣＤ器件的星载推帚式相机具有很大的优越性。　

１　ＴＤＩ　ＣＣＤ的工作原理　

ＴＤＩ　ＣＣＤ的结构像一个长方形的面阵ＣＣＤ器　

件，如图１，但从功能上说它是一个线阵ＣＣＤ器件，　

它的列数是一行的像元数，它的行数为延迟积分级　

数Ｎ。ＴＤＩ　ＣＣＤ采用了特殊的扫描方式，它的工作　

但由于ＴＤＩ　ＣＣＤ的特殊工作方式，将其应用于　

极轨卫星遥感中会产生由于地球自转而引起的像　

图１　ＴＤＩ　ＣＣＤ的结构　

Ｆｉｇ　ｌ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ｏｆＴＤＩ　ＣＣＤ　

收稿日期：２００ｏ＿ｌＯ．２４；修订Ｅｌ期：２００１￣ｚ－１２　

作者筒舟：￣（Ｊ９７４－），男．１９９９年毕业于西安电子科技大学技术物理系．获物理电子学工学硕士学位，现为中国科学院上海技术物　

理研究所博士研究生，从事航天遥感光电仪器的研制．巳发表论文５篇　

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３６　遥　感　学　报　第６卷　

原理如下：某一列上的第一个像元在第一个曝光积　的要求，要保证ＴＤＩ积分同步，积分时间‘ｉ。必须满足　

分周期内收集到的信号电荷并不直接输出，而是与　

ｔｉ

Ｒ　

ｔｉ

　

ｎ＝　

ｉ　ｉｔｍ＝　１（１）Ｌｌ　　

同列第二个像元在第二个积分周期内收集到的电荷　

相加，相加后的电荷移向第三行……，ＣＣＤ最后一行　

星下点速度Ｖ由卫星轨道高度Ｈ决定，为一常　

（第Ⅳ行）的像元收集到的信号电荷与前面Ｎ一１次　

数。在ＴＤＩ　ＣＣＤ积分时间内地球自转引起了焦平面　

收集到的信号电荷累加后移到输出寄存器中，按普　

上图像的横向移动，在Ⅳ阶积分时间中图像移动的　

通线阵ＣＣＤ器件的输出方式进行读出。可见ＣＣＤ　

距离　为　

输出信号的幅度是Ⅳ个像元积分电荷的累加，即相　

：　

（２）　

当于一个像元』ｖ倍积分周期所收集到的信号电荷，　

输出幅度扩大了Ⅳ倍，而信噪比增加√Ⅳ倍。在　

相当于像元数为　

ＴＤＩ　ＣＣＤ中积分级数　可分为１６，３２，……最大可　

Ｐ：　——　（３）　

达２５６，行周期相同时，ＴＤＩ　ＣＣＤ比普通ＣＣＤ的响应　

度大为提高。　

其中，，为光学系统集距，。为像元尺寸。又根据光　

由于ＴＤＩ　ＣＣＤ的特殊工作方式，要求同一列上　

学系统成像关系有　

的每一个像元都对同一目标曝光积分，才能保证成　

旦

ｆ＝　Ｈ　一　（、－４）　，　

像质量。这就给ＣＣＤ的时钟驱动系统带来了新的　

将式（１）和式（４）代人式（３）可得Ⅳ阶积分时间中图　

要求，即要求ＣＣＤ的行扫速率与相机星下点景物的　

像移动的像元数为　

移动速率要严格同步，也就是要求经过ＣＣＤ的一个　

行周期（曝光积分周期）时间，相机星下点景物的像　

Ｐ　

Ｎ．　ｖｓ

：　

——　

：

‘　（５），Ｊ　　

恰好移动一行。ＴＤＩ　ＣＣＤ的制造商ＢＡＬＳＡ公司有　ＶＥ为地球纬度西的函数　

研究报告表明：对于９６阶的ＴＤＩ　ＣＣＤ，要提取出清　

ｖｓ＝　ｍ・ｃｏ日西　（６）　

晰的图像，同步误差要控制在２％之内。　

其中，　为地球自转赤道表面的线速度。　

故ＴＤＩ像移也为地球纬度西的函数　

２　ＴＤＩ像移及影响　

Ｐ：Ｎ・　・ｅｏ８西　（７）　

由于ＴＤＩ　ＣＣＤ的特殊工作方式，将其应用于极　

当卫星在赤道上空时，西＝０，　ｍ＝０．４６３８　ｋｉｎ。　

轨卫星遥感中会出现许多新的问题。要提取出清晰　

在本系统中星下点速度Ｖ＝６．６９　ｋｉｎ，当积分阶数Ⅳ　

的遥感图像，除了要保证ＴＤＩ　ＣＣＤ的时钟驱动同步，　

＝

９６阶，ＴＤＩ像移最多可为６．６５个像元。ＴＤＩ像移　

更重要的是要恢复由于地球自转引起的像移。这种　

与纬度的关系曲线如图２。　

像移不同于一般线阵ＣＣＤ星载相机的像移，一般星　

载ＣＣＤ相机的像移是由于在曝光时间内物像的移　

动造成的，其像移方向与卫星行进方向平行，与卫星　

行进方向垂直的像移因曝光时间短影响不大可以忽　

略ｉ而ＴＤＩ　ＣＣＤ的像移则是由于地球自转，各积分阶　

的同一图像信号部分交错叠加造成的。其像移方向　

与卫星行进方向垂直。为与一般星载ＣＣＤ相机的　

像移相区别。称这种像移为ＴＤＩ像移。ＴＤＩ像移使　

图像混叠，分辨率下降、目标边缘模糊、物体灰度失　

真及衬比淡化，因此这种特殊的ＴＤＩ像移恢复是极　

圈２　ＴＤＩ像移与纬度的关系　

轨星载ＴＤＩ　ＣＣＤ相机应用中心必须解决的重要问　

Ｆ　．２聊ｓｈｉｆｔⅧ．１ａｔｉｔｕｄｅ　

题。　

下面计算ＴＤＩ像移对图像信号的影响程度。设　

此外从式（５）中可看出，对于不同指标的极轨卫　

相机地面分辨率　，星下点速度Ｖ，ＴＤＩ　ＣＣＤ积分时　

星ＴＤＩ相机系统，如果ＴＤＩ　ｃ④的积分阶数Ⅳ相　

间ｔ　，地球自转线速度　。根据ＴＤＩ　ＣＣＤ成像特性　

同，并且卫星高度相同因而星下　相同。则像移规　

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第１期　陈梁等：极轨星载ＴＤＩ　ＣＣＤ相机的像移及恢复算法研究　

律或重叠的像元数也相同，与系统的其它成像指标　

无关。这是一个具有普遍性的问题，解决ＴＤＩ像移　

的恢复具有现实应用意义。　

（１）一　（　）　

（１一　）一　（　）ｚ一　

［　一（Ｎ一１）ＴＪ￣Ｘ（ｚ）Ｚ一（　一　）　

３　ＴＤＩ像移图像恢复方案　

设想的解决方案有光机和电子学两种。光机方　

变换号两边求和得　

案是在卫星行进过程中根据地球纬度的不同不断调　

整ＴＤＩ　ｃ∞与轨迹行进方向的夹角，使ＴＤＩ　ＣＣＤ线　

列与星下点轨迹行进方向的切线方向的保持为直　

角，这一方案可以补偿部分像移但不能完全消除像　

移，而且对调整机构要求很高，像移补偿结构复杂。　

电子学方案是根据ＴＤＩ像移的产生规律建立其　

数学模型，推导出数字信号处理算法，并采用高速数　

期望的输出信号的ｚ变换：　

Ｎ・　（　）一』＼ｒ・Ｘ（　）　（１０）　

下面为分析问题方便，令Ｔ＝１，则（９）式简化为　

∑　（　一　）一　（　）∑ｚ一　（１１）　

显然，从　（　）∑ｚ一　变换到Ｎ・　（　），希望的　

滤波器形式应为　

字信号处理器来完成ＴＤＩ像移的恢复，计算机仿真　

证明像移图像可以完成恢复，整个方案无机械结构，　

而且算法可以灵活调整，因而电子学方案具有很大　

∑㈤　

Ｆ（ｚ）：　Ｌ　ｆ

ｚ—　

（１２）　

的优越性。故拟采用电子学方案进行ＴＤＩ像移图像　

的恢复。　

　一

在ｚ域中的乘积相应于在时域中的卷积，找到　

首先建立ＴＤＩ像移的数学模型。考虑两阶像移　

Ｈ　

图像信号的形成机理，设某一时刻，代表地表景物在　

ＴＤＩ　ＣＣＤ第一阶光敏单元上所成的图像信号的电荷　

∑　

（　）：　（　）原样传送到第二阶光敏单元，　为像元　

序数，同时该地表景物也在第二阶光敏单元上成像　

一　

Ｆ（　）在时域中的形式，（　），混迭图像信号∑　（　

一　

）与ｆ（　）卷积后就可以恢复出期望的图像信号　

由等比数列的求和公式化简Ｆ（　）为　

几）＝　

ｚ一　

Ｎ・　（　）。　

Ｚ　

并产生电荷　２（　）。如果地球静止，则有　２（　）＝　

ｌＩ　

（　）。　＝　（　）＋　２（ｔ）＝２＊　（　）代表了原景物亮　

度两倍的信号电荷；但因地球自转，　２（１）与　１（　）实　

）　

玎　

＝』、ｒ・　

一　

（１３）　

际产生了像元移位Ｔ，　２（　）：　（ｔ—Ｔ），则　＝　

１

式（１３）就是滤波器，（　）的ｚ域形式，将其进行　

（ｔ）＋　２（￡）＝　（　）＋　（　—ｒ）就不能代表原景物　

一　

∑㈨　

Ｚ　

反ｚ变换可得，（　）ｇ／表达式，并得到像移恢复计算　

时所用的时域离散序列。要注意的是，式（１３）中』、ｒ　

亮度的两倍响应了。以次类推＋Ⅳ阶光敏单元最终　

得到的信号电荷　为：　

：　１

９　

为ＴＤＩ　ＣＣＤ的积分阶数，在前面的简化推导式（１１）　

中，Ｎ与重叠的像元数相等。　

（　）＋　２（１）＋…＋　一Ｉ（ｔ）　

Ｉ　

：　

（ｔ）＋　（　一Ｔ）＋…＋　［　一（Ｎ一１）Ｔ］　

Ｒ

当Ⅳ＿２时　２。　－２．南　

则由反Ｚ变换公式得　

１、

：　

＝

（ｔ—ｋＴ）　

０　

（８）　

而希望得到的输出信号应为Ｎ・　（　）。这样＋　

，（ｔ）＝２一（一１）ｔｕ（１）　

滤波器序列为２－［Ｉ，一１，Ｉ，一Ｉ，…］；　

Ｉ　

ＴＤＩ像移恢复就归结为如何从∑　（ｔ—ｋＴ）得到　

＝

０　

当Ⅳ：３时，Ｆ（　）＝３・｝　，采用计算留数　

法［　Ｊ得　

・

Ｎ・　（１）的问题。　

１　

考虑将∑　（ｔ—ｋＴ）通过一个数字滤波器…　

＝

０　

［　＋　］　

后得到Ｎ・　（ｔ）。这样的数字滤波器应该具有怎样　

的形式呢？用ｚ变换分析如下　

则可得　

将每一阶的信号分别进行ｚ变换：　

，（１）：，・［ｃ０自（　）－ｏ－５７７４ｓ　（　）】　

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遥　感　学　报　第６卷　

滤波器序列为３＊［１，一１，０，１，一１，０，１，一１，０，　

”ｊ；　

像移图像恢复序列是否有效还需进行ＴＤＩ像移　

图像恢复的验证。因为目前尚未得到实际１１３Ｉ像移　

的图像，所以仅验证是否能恢复人为产生的ＴＤＩ像　

移信号来说明问题。　

图３示出ＴＤＩ图像信号像移及恢复的过程。　

（ａ）为原始图像；每行移位一个像元并相加，６次后　

得到像移图像即ｒｉＤ［ＣＣＤ相机的实际输出（ｂ），将此　

每行图像序列与上面分析得到的滤波器序列式（＊）　

同理依次计算可得：　

当Ｎ：４时，ｆ（ｔ）序列为４＊［１，一１，０，０，１，　

一

１，０，０，１，一１，０，０，…Ｊ；　

当Ｎ＝５时，ｆ（　）序列为５＊［１，一１，０，０，０，１，　

一

１，０，０，０，１，一１，０，０，０，…Ｊ；　

当Ｎ＝６时，ｆ（ｔ）序列为６＊［１，一１，０，０，０，０，　

１，一１，０，０，０，０，１，一１，０，０，０，０，…Ｊ；　

卷积计算后得到恢复后的输出（ｃ）。从图中可看出，　

ＴＤＩ像移图像可以成功恢复，证明利用图像恢复滤　

波器序列恢复ＴＤＩ像移图像是有效的。但仿真也证　

明，由于实际系统量化位数的限制因而存在截断误　

差，若采用８ｂｉｔ量化像移图像，则恢复后的图像（ｄ）　

与原始图像相比有一些差异，因此为减小量化噪声　

需提高系统量化位数。　

由此可看出滤波器序列厂（￡）具有这样的规律：　

（１）厂（ｔ）序列中以［１，一１，０，０，…，０］为周期进　

；　

行重复；　

（２），（ｔ）序列总长度与输入的一行图像序列长　

度相等。　

图３　ＴＤＩ图像信号像移及恢复　

（ａ）原始图像；（ｂ）６阶像移图像ｉ（ｃ）理论计算恢复图像；（ｄ）８ｂｉｔ系统恢复图像　

Ｆ　．３　ＴＤＩｉｍａｇｅ出ｍ　ａｎｄ　ｐｅ　０Ｉｌ　

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第１期　陈梁等：极轨星载ＴＤＩ　ＣＣＤ相机的像移及恢复算法研究　３９　

这样，当纬度垂＝０ｏ时，最大细分倍数＿！Ｉｆ为１３　

４讨论　

采用一般商业ＤＰＳ器件就可以实时完成图像恢复。　

在上面的推导中为了简化令像元移位Ｔ＝ｌ。即　

ＴＤＩ每阶移位一个像元。但在实际的ＴＤＩ像移中，　

小于１且随地球纬度的变化而变化。因此为了能够　

利用推导得出的像移恢复滤波器序列完全消除像　

５总结　

由于ＴＤＩ　ＣＣＤ特殊的工作方式，极轨星载ＴＤＩ　

ＣＣＤ相机因地球自转会引起的特殊像移，影响获取　

移，必须在行图像恢复前将行图像信号进行细分，每　

的图像的质量，所以必须恢复像移图像。根据ＴＤＩ　

个像元细分的倍数等于１／Ｔ。由式（７）可得像元移　

位Ｔ为　

：　．ｃ０ｓ垂　（１４）　

像移产生的机理可以建立像移数学模型，并求出像　

移恢复滤波器的数学表达式，经过计算机仿真证明，　

像移图像恢复算法有效，采用ＤＳＰ器件进行像移图　

像恢复是可行的。　

则每个像元细分倍数　为　

Ｍ　

Ｉ，　

（１５）　

致谢：感谢中国科学院上海技术物理研竞所张　

锷博士对论文的指导。　

但这样做有一个缺点，在纬度较高时，肼较大，　

例如，当纬度垂：８０￣时，Ｍ＝８３倍，这会导致卷积计　

算量过大而对ＤＳＰ器件要求提高。因此在容许的　

条件下可采取存在一定像移的算法，以减少卷积计　

算量。输出图像容许像移的限度可取为０．５，此时　

每个像元细分的倍数　为　

Ⅳ：２Ⅳ．　．ｃ０ｓ垂　（１６）　

［１］Ｏｐｐｅｖｈｅｌｍ　Ａ　Ｖ．Ｓｃｈｓｆｅ￣＂Ｒ　Ｗ　Ｄｉｓｃｒｅｔｅ－Ｔｉｍｅ　

［Ｍ］．　∞Ｈａｌ１．Ｅｆ　ｃ陆，　

ＰｌＩｊ：ｉ　Ｅ　

Ｊｅａ￣ｅｔ＂，１９８９．　

【２］　Ｖｉｎａｙ　Ｋ，　ｅ．　

ＭＡＴＬＡＢ．【Ｍ　

Ｇ．Ｐｔｏｄｄ￣Ｄ　ｓｉｍａｎ∞啪　ｕ她　

．１　．　Ｐ，ｍ　Ｂ　

Ｉｍａｇｅ　Ｓｈｉｆｔ　ａｎｄ　Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＴＤＩ　ＣＣＤ　ＣＳｌｌｌｅｒａ　ｆｏｒ　Ｐｏｌａｒ　Ｏｒｂｉｔ　Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　

ＣＨＥＮ　Ｕａｎｇ，ＬＩＵ　Ｃｈｕｎ－ｘｉａ，ＧＯＮＧＨｕｉ一　【ｌｇ　

（　ｇ　ｌｎｓｔ￣ｎＺｅ　Ｔｅｄｍｅｔｏｇｙ　，凸　ｌ删Ａｃａｄｏｒ￣ｏｆ＆　煳，ｓＩ　一｝２ＯＯＯ８３，Ｏｔｌｎａ）　

Ａｂｓｕ＇ａａ：Ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｉａｌ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅ　ｏｆ　ＴＤＩ　ＣＣＤ，ｉⅡｌａ　ｓｈｉｆｔ　ｉｓ　ｒｅｓｕｌｔｅｄ　ｆｒｏｍ　ｅａｒｔｈ￣ｅｌｆ－ｍｍｔｉｏｎ　ｉｎ　ｐｏｌａｒ　ｏｒｂｉｔ　

８锄ｓｉｌ１ｇ．Ｔｈｉｓ　ｋｉｎｄ　ｏｆｉｍａｇｅ　ｓｈｉｆｔＩｘｌａｋ￣ｉＩｒｌ　ｄｅｇａｄａｔｒｉｏｎ，ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｄｅｃｒｅａｓｅ，ａｎｄｔａｒｇｅｔｉ／ｌａｌ￣ｉｎ　【嘲．Ｃ叫叩ｅｒＩｓａｔ－　

ｉｎｇｔｈｅ　ｄｒｉｆｔｅｄ　ｉｍａ　ｉｓ　ａｒＩ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｔｈａｔ　ｔｍａｓｔ　ｂｅ　ｒｅｓｏｌｖｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ￣ｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｏｌａｒ　ｏｒｂｉｔ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ＴＤＩ　ＣＣＤ　

ｃａ№．Ｉｎｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅｊｌｌｌａｇｅ　ｓｈｉｔｆ　ｏｆＴＤＩ　ＣＣＤ㈣ｍｆｏｒｐｏｌａｒ　ｏｒｂｉｔ　ｓａｔｅＵｉ￣ｅｉｓｆｏｒｅｃａｓｔｅｄ，ｔｈｅｎｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆｉＴｒＩａｇｅ　

ｄ　ｄｆＩｔｉ帆ｉｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ａ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｄ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ鲥ｕｐ　ａｏｏ　ｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｌｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆＴＤＩ　ｉｎｌａ　ｓｈｉｆｔ，明ｄ　ａｎ　ｉｎｌａ　

ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｆｉｌｔｅｒｉｓｗｏｒｋｅｄ　ｏｕｔ，ｗｈｉｃｈｉｓ　ｐｒｏｖｅｄｔｏ　ｂｅ　ｖａｌｉｄ　ｂｙ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．　

Ｋｅｙ　ｗ０　：ＴＤＩ　ＣＣＤ；ｉｌｍｇｅ　ｓｈｉｆｔ；ｉⅡｌａ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ