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(jī) 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)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研兗所,吉林長春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成像運動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動方向的關(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。實踐證明這種方法可以清楚、簡便快速地確定 TDI CCD的積分方向,從而確定 TDI CCD的安裝方向,適宜在實際的工程設(shè)計中采用關(guān)鍵詞:丁TCCD;積分方向;摩移方向;作圖法中圖分類號:V248.3文獻(xiàn)標(biāo)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)院長春光學(xué)特密機(jī)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(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像元依次對同一目標(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問題。普通線陣CCD更加清晰的圖像。航空相機(jī)的焦距一般較長,光學(xué)系統(tǒng)的視場從 TDI CCD的成像特點可以看出,TDI角相對較小,在進(jìn)行像移分析時可以將其近似為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掃描成像時的運動方向相對應(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工作時的運動方向確定了,TDI介紹如何利用作圖法來確定 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)即時間延遲積分CD,是線陣推掃成像的相機(jī)工作時,相機(jī)隨載機(jī)運動推cCD器件,但它的結(jié)構(gòu)像一個面陣器件,其列數(shù)掃成像, TDI CCD行方向與相機(jī)運動方向垂直。是一行像元數(shù),行數(shù)是 TDI CCD的級數(shù)M。通推掃成像原理如圖2所示常一個 TDI CCD可選控的級數(shù)M為6、12、248、96或其它數(shù)值類似排列, TDI CCD工作時可根據(jù)目標(biāo)光亮度的不同選擇不同的級數(shù)。TDlCCD工作模型簡圖如圖1。TDI CCD采用掃描疊加方式對同一目標(biāo)進(jìn)direction行多次曝光。其工作原理是:某一列的第一個像元在第一個曝光積分時間內(nèi)的電荷包并不直接輸出,而是移向同列的第二個像元并與第二個像元曝光積分時間內(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。假如一個 TDI CCD圖像傳感器的級數(shù)為圖2 TDI CCD推掃成像原理簡圖M則輸出的信號電荷是經(jīng)過了對目標(biāo)M次曝光Fig2. Principle of TDI CCD pushbroom imaging后累加得出的。正是通過多達(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, TDI CCD推掃成像,利用作圖法確定 TDI CCD積分方向時,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)運動方向相反的方向運動。圖3是利用作圖法確定推掃成像時 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是某寬視場擺掃成像航空相機(jī)的工作示意圖,地面景物通過掃描鏡、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同時繞鏡筒轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動,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(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積分方向時不必考慮相機(jī)隨飛機(jī)的飛行運動。與推掃相機(jī)判別積分方向作圖步驟相同,作圖時假設(shè)相機(jī)擺掃成像時相機(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)移動方向。然后取地面上點A及點A',Fig 3 TDI CCD direction of pushbroom camera并作出A及A點通過相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)所成的像點如圖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,物點相對相機(jī)移動,意圖,并確定相機(jī)移動方向。然后取地面上點A所以可以認(rèn)為點A經(jīng)過一定時間后移動到點A,及點A',并作出A及A點通過相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)所則地物相對于相機(jī)光軸的運動方向如圖4所示。成的像點a及a。由于假設(shè)相機(jī)靜止,物點相對相機(jī)移動所以可以認(rèn)為點A經(jīng)過一定時間后移功到點A′。也就是說,假設(shè)在t時刻,地物點Acanning mImorWhiskbroomd direction通過相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)成像在像面的a點,對應(yīng)于 scanningof TDI CCD rowdirectionTDI CCD的像元1,經(jīng)過很短的時間△t后,在t吋刻,地物點A相對于相機(jī)移動到了A'點,通過相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)成像在像面上a’點,對應(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都要對同一目標(biāo)曝光,因此,在t時Fig.4 TDI CCD direction of whiskbroom scan cam刻已經(jīng)對地物點A曝光的電荷應(yīng)該轉(zhuǎn)移到像元2的位置這也就是說 TDI CCD的電荷轉(zhuǎn)移方向為1→2,即 TDI CCD積分方向應(yīng)該為1→2,這樣根據(jù) TDI CCD的像元的每一級要對同一目才能保證 TDI CCD正常成像工作標(biāo)曝光積分的特性,在t時刻已經(jīng)對地物點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TDI向與相機(jī)移動方向相同,與地物點像移方向相同CCD的電荷轉(zhuǎn)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(jī) 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(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,地面上地物移動矢量AA在像面上的像為分方向與相機(jī)擺動方向相反,與地物點像移方向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,由于飛行器運動和震動等可知,對應(yīng)于物點的移動矢量為AA,相機(jī)像面上原因致使被照物的影像相對于相機(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生相對移動,稱為像移。在航空相機(jī)設(shè)計過程中,積分方向也是一致的必須判定航空相機(jī)工作時像移的方向及大小,進(jìn)行像移補償,以保證相機(jī)成像質(zhì)量。圖6擺掃相機(jī)成像過程仿真圖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)計中必須清楚的Fig 5 Principle of TDI CCD imaging問題。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,光電荷隨著曝光時若碰到較為復(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轉(zhuǎn)移到第二級,并與像元存在棱鏡的光學(xué)系統(tǒng)時,光學(xué)系統(tǒng)圖像會有倒置第二級光電荷累加后轉(zhuǎn)移到第三級,以此類推,也和旋轉(zhuǎn)問題,這也是確定 TDI CCD積分方向從而就是說地物點通過相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)成的像要隨著確定 TDI CCD安裝方向的一個必須要注意的問光電荷的移動而移動因此,為保證像元的每一級題,在作圖時要仔細(xì)研究。依次都對同一物點成像, 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,適宜在實際工相機(jī)和擺掃相機(jī)成像時積分方向的判定可以驗證程設(shè)計中采用。1788光學(xué)精密工程第15卷參考文獻(xiàn):[]許兆林付戰(zhàn)平. 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