资源一号02D卫星可见近红外相机在轨调试与图像质量评价方法

谭伟 齐文雯 王军 何红艳 于生全 王殿中

(1 北京空间机电研究所，北京 100094)(2 北京空间机电研究所 先进光学遥感技术北京市重点实验室，北京 100094)

卫星发射前，可见近红外相机在实验室经过精密装调与测试，焦面位置与成像参数状态均已预设。由于发射期间多种因素的影响，以及大气压力、温度、湿度等环境因素的变化，卫星入轨后相机状态可能会发生改变，导致相机系统出现离焦[1]。同时，考虑到在轨成像时地物反射率、光照条件等成像输入变化复杂，实验室积分球产生的均匀光无法完全模拟相机在轨时接收到的能量，导致预设成像参数的成像结果无法体现相机最佳的辐射性能[2]。

在轨调试是保障并提高可见近红外相机图像质量的重要途径，在轨测试是检验相机成像性能的重要方法。资源一号02D卫星(又称为5米光学业务卫星)可见近红外相机入轨后，随即开展高精度调试。本文结合可见近红外相机的设计特点及成像模式，研究了高精度在轨调试方法，同时采用性能指标测试的方法评价调整后的图像质量，对调整结果进行检验。

1 在轨调试概述

空间光学相机在轨调试主要指与相机成像质量相关的相机工作状态与性能参数调试，通过开展在轨调试将相机成像性能调整到最佳状态，可有效保障成像数据的质量。对于长焦距大口径的推扫型(Time Delayed Integration Charge Coupled Device，TDICCD)相机，一般在轨调试包括相机焦面调试与相机成像参数调试。其中，焦面状态主要影响相机的空间调制度，进而影响图像清晰度和细节解析能力；成像参数主要影响相机的辐射性能，包括信噪比、动态范围等。

2 在轨调焦方法

目前空间遥感相机调焦方法有程序控制法[3]、对比调焦法[4]和图像处理法[5]。程序控制法是指根据相机拍照时的实测参数和对热真空试验时可能对焦面产生影响的因素进行预估，利用提前编制好的程序来调整焦面位置；对比调焦法最早用于斯波特-5(SPOT-5)卫星[6]，利用双相机具有相同覆盖的原理，以互相为参考进行对比调焦，直至两台相机均调整到最佳焦面[7]。图像处理法利用遥感相机实时图像作为评价依据，通过图像的特征参数对焦面状态进行判断，来确定相机的最佳工作状态[8-9]。

目前遥感卫星发射入轨后，用户对相机在轨调焦的时间要求越来越高。快速准确完成在轨调焦的关键之处在于如何制定合适的调焦计划和选取可靠的调焦评价函数。对于资源一号02D卫星可见近红外相机来说，调焦策略方面，常规连续调焦搜索的策略对在轨成像时间和卫星使用资源占用要求高[10]，难以满足用户的要求；调焦函数方面，资源一号02D卫星可见近红外相机采用TDICCD推扫模式成像，被摄目标始终处于变化之中，常用调焦评价方法的应用精度难以保证[11-12]。在用户的时效要求下迅速精准完成在轨调焦的关键在于制定高效的调焦策略和研究高精度的调焦函数。

2.1 资源一号02D卫星可见近红外相机在轨调焦方法

经分析其他在轨卫星的在轨调焦过程发现，星载遥感相机在轨调焦时采用粗调焦与精调焦相结合的调焦方法可大幅缩短在轨调焦时间。粗调焦时，调焦机构采用大步长进行焦面调整，并采用合适的调焦评价函数计算出当前相机的离焦量，进而得到初步的焦面调整位置；精调焦则在粗调焦焦面基础上，调焦机构采用小步长进行调整，采用合适的调焦评价函数对各焦面图像特征参数进行对比，得到最佳焦面，过程见图1，一般以相机焦深为参考，以一倍焦深对应相机调焦步长为L。

图1 在轨调焦过程Fig.1 Flowchart of on-orbit refocusing

精确计算调焦过程中不同焦面特征参数的关键在于调焦评价函数的选取。在上述调焦策略的基础上，第一轮调焦获取粗调焦图像，基于图像功率谱与相机离焦量的关系，获取不同焦面的离焦量，计算得到粗调焦最佳焦面，图像功率谱计算方法如下[13]

(1)

式中：f为图像频率变量；A为图像频率幅值，即功率谱强度；k为图像指数变量。经实验室数据仿真分析和在轨验证，k的取值范围为1.81～2.05。

第二轮调焦获取精调焦图像，结合TDICCD相机的成像特点，选择一种与成像场景无关的图像清晰度评价方法，最终得到精调焦最佳焦面，完成在轨调焦。在轨精调焦的图像清晰度评价方法如下[14]

(2)

式中：De为图像清晰度；fr为高频强度；ep为有效边缘宽度；A、B分别为常数系数。经试验验证[15]，当A+B=1且A∈(0.09，0.23)，B∈(0.77，0.91)时，该结果作为图像清晰度时不仅对场景变化的独立性好，而且能够很好的反映图像的离焦状况。

2.2 焦面调整结果

2.2.1 在轨粗调焦

根据相机光学系统、调焦机构等相关设计参数，根据2.1节中设计的在轨粗调焦策略，采用式(1)及相机光学系统调焦设计参数分别计算相机粗调焦过程中每个焦面的离焦量，计算结果见表1。

表1 粗调焦过程相机每个焦面的离焦量Table 1 Defocusing degree of each focal plane in rough refocusing process

对比表1中各焦面离焦量可知，相机粗最佳焦面位置为

P1=P0-0.3L

(3)

2.2.2 在轨精调焦

根据相机光学系统、调焦机构等相关设计参数，以及2.1节中设计的在轨精调焦策略，分别计算相机粗调焦过程中每个焦面的离焦量，计算结果见表2。采用式(2)图像清晰度评价方法分别对焦面图像清晰度进行计算和对比，清晰度计算结果越大，表示对焦越好。

表2 精调焦过程中各焦面图像清晰度Table 2 Image definition of each focal plane in accurate refocusing process

根据表2可知相机实际最佳焦面应处于P1与P1+0.25L之间，且更接近P1+0.25L，因此可以推导出相机最佳焦面应为

P2=P1+0.2L

(4)

通过调焦指令将相机焦面调整到P2位置，完成在轨调焦。调焦前后相机焦面位置见表3，用具体对应的步数表示相机在不同时期的焦面位置。

表3 相机调焦前后的焦面位置对比Table 3 Comparison of focal plane positions before and after refocusing

3 在轨成像参数调整方法

空间遥感相机发射前会预设一档积分级数和增益作为默认成像参数，成像参数的设置依据为实验室测试过程。以积分球输出的不同辐亮度作为相机的输入，测试相机的动态范围和在不同输入能量下的响应，以此预估相机图像的动态范围并作为在轨在轨成像时的默认参数[16]。

对于资源一号02D卫星可见近红外相机，大幅宽成像时被摄场景中不仅包含的地物类型多，反射率变化区间大，光照条件复杂。实验室采用积分球作为能量输出时难以很好地模拟大幅宽相机在轨真实成像条件[17]，导致相机在预设成像参数条件下的成像结果可能无法完全表现相机的性能，影响相机图像数据辐射质量。保障相机数据辐射质量的关键在于精确获取相机在轨时成像场景的入瞳辐亮度以设置最优的成像参数。

3.1 资源一号02D卫星可见近红外相机在轨成像参数调整方法

资源一号02D卫星可见近红外相机在轨工作时，涉及调整的成像参数只有积分级数和增益。为了合理预估在轨参数，本文提出了一个预估方案，过程见图2，先开展左侧过程，建立基于实验室定标结果参考表，再结合在轨成像条件开展右侧过程。在轨预估首先根据仿真获得辐射量，通过辐射传输仿真，建立相机不同成像参数组合下与太阳高度角和地物反射率的对应关系，获取相机在轨工作时的入瞳辐亮度。同时，基于实验室辐射定标结果，获得相机在不同积分球能量下输出图像的数字(DN)值，计算相机在轨典型工况下的入瞳辐亮度，结合实验室定标结果，完成成像参数设置。

图2 成像参数预估过程图Fig.2 Flowchart of estimating the imaging parameters

使用辐射传输模型[18]，对相机在轨工作时的入瞳辐亮度进行计算。大气辐射传输能模拟太阳入射能量经大气传播到地表，地表反射信息并再经大气后被相机接收的过程。该大气辐射传输模型以遥感器成像几何和被摄地物反射率等作为输入，可计算在特定成像条件下大气层顶表观反射率和相机入瞳辐亮度，其中入瞳表观反射率ρTOA和入瞳辐亮度Rad单位为W/(m2·μm·sr))的物理模型可近似为表述为

(5)

(6)

式中：ρpath为大气程辐射导致的大气固有反射率，ρs为被摄地物反射率，θs和θv为分别太阳天顶角和观测天顶角，T(θs)和T(θv)分别为大气下行透过率和带去上行透过率，S为大气半球反照率，d为日地距离修正因子，Es为大气层顶太阳等效光谱辐照度，单位为W/(m2·μm)。

基于大气辐射传输模型获取资源一号02D卫星在国土资源遥感时的典型平均入瞳辐亮度，结合实验室定标试验结果，按照式(7)查找实验室测试时不同积分级数与增益参数组合下最接近成像参数，即为在轨最佳的成像参数。

(7)

式中：k为查找系数，对应实验室定标试验结果中的绝对定标系数，N为资源一号02D卫星相机量化位数，可见近红外相机量化位数为12 bit，即N=12。37.5%为比例系数[19]，代表了图像DN值灰度直方图峰值与量化位数的比值。

3.2 成像参数调整结果

根据2.2节中描述，对资源一号02D卫星可见近红外相机在轨成像参数进行调整，参数调整结果见表4。

表4 相机参数调整前后的具体参数对比Table 4 Comparison of the imaging parameters before and after adjustment

表4中为夏季成像参数时国土区域的图像统计结果，对于冬季成像参数，由于光照条件的变化，国土区域平均太阳高度角较夏季约降低了1.4～1.6倍，为了确保图像动态范围与辐射质量，通过调整增益档位或积分级数，将冬季成像参数在夏季成像参数的基础上增大约1.5倍。

完成夏季成像参数调整后，对相机各谱段在表5对应成像参数下图像灰度均值和动态范围进行统计，以夏季参数为例，成像场景为典型国土区域，包含城市、水体、山体等，如图3所示，统计结果见表5。

图3 可见近红外相机典型国土遥感成像示意图Fig.3 True color image of VNIR camera for typical land-resource mote sensing

表5 夏季参数下可见近红外相机图像灰度均值和动态范围Table 5 Imaging parameters of VNIR camera in summer and winter

根据表5中统计参数可知：各谱段图像均值均为灰度量程值(4095)的三分之一左右，与式(7)选用的37.5%比例系数基本一致，且动态范围基本可覆盖低响应地物目标(量程的10%左右)和高响应地物目标(量程的90%左右)，充分发挥了相机的成像性能。

4 性能指标测试

4.1 调制传递函数(MTF)测试

MTF反映的是成像系统在对目标物成像过程中信号的扩散与削弱程度。对于光学相机，测试MTF是检验光学系统对焦状态的一种有效手段。相机光学系统对焦越好，目标经成像系统后能量越集中，扩散越小，MTF越大，反之MTF越小。因此，在轨测试过程中通常将奈奎斯特(Nyquist)频率处的MTF作为检验图像对角状态的质量指标参数。

相机在轨时主要采用刃边靶标图像进行MTF测试，考虑到不同谱段空间分辨率与靶标实际尺寸，资源一号02D卫星可见近红外相机只测试全色谱段的MTF。本测试采用的数据源是2019年11月2日、2019年11月5日、2019年11月8日、2019年11月11日资源一号02D卫星全色(PAN)相机在包头靶标场的一级标准产品，以2019年11月2日靶标图像为例，其示意如图4所示。基于刃边靶标分别测试沿轨和垂轨两方向MTF，结果见表6。

根据相机研制指标中动态调制传递函数要求，该测试结果一方面可满足相机动态调制传递函数指标，说明相机当前焦面位置处于良好的对焦状态。

图4 2019年11月2日刃边靶标全色谱段图像Fig.4 Edge target of pan image on November 2rd, 2019

表6 沿轨和垂轨方向MTF测试结果Table 6 Estimated MTF of cross-orbit and along orbit directions

4.2 信噪比(SNR)测试

SNR是表征相机系统辐射质量的重要参数之一。SNR通常定义为图像中的目标信号与噪声信号的比值。在复杂地物区域，难以可靠地区分图像中的目标信号与噪声信号，因此本文中的信噪比测试均在均匀地物区域进行。

结合相机指标设计，一般在轨分别测试相机响应低端和高端的SNR指标，其中高端测试条件为(θ=70°、ρ=0.60)，主要是沙漠等高反射率均匀地物，低端测试条件为(θ=30°、ρ=0.03)，主要是平静较深的水面，包括内陆湖面和深海海面等。在高端和低端地物中截取满足计算条件的一块均匀区域，计算该区域响应值的均值和方差，并将均值和方差之比作为信噪比。

(8)

(9)

式中：SNR为图像信噪比，M为测试样本图像灰度均值，m、n分别为样本图像的行、列像素数，v(i,j)为某像元灰度DN值。选择资源一号02D卫星可见近红外相机于2020年5—7月对沙漠、深海和内陆湖进行信噪比测试，结果见表7。

表7 SNR测试结果Table 7 Testing results of SNR

经与可见近红外相机设计指标相对比(高端信噪比>48 dB，低端信噪比>30 dB)，测试结果满足指标设计要求，图像辐射质量高，相机完成焦面调整和成像参数调整后成像性能处于良好的状态。

5 结束语

在轨调试是保障空间遥感相机在轨成像质量的重要途径，合适的调试策略和可靠的调试评价方法决定了相机在轨后调整到最佳成像状态的时间效率和精度，而在轨图像质量指标测试和评价是对在轨调试的重要检验途径。本文针对资源一号02D卫星可见近红外相机研究了快速高精度在轨调试方法，包括调焦策略与评价算法，成像参数预估方法。在完成在轨调试的基础上，选择MTF、SNR这两个具有代表性的图像质量指标进行了测试，结果显示：本文提出的调焦策略和调焦评价方法精准快速地完成了最佳焦面定位，成像参数预估方法得到了最佳成像参数组合(积分级数和增益)，MTF、SNR指标参数均满足相机设计要求，相机成像性能得到了充分保障。