空间光学相机焦面拼接热变形对图像配准影响

梅强 曹学强 张博文 吕秋风 张泽敏

空间光学相机焦面拼接热变形对图像配准影响

梅强 曹学强 张博文 吕秋风 张泽敏

（北京空间机电研究所，北京 100094）

空间相机广泛采用光学拼接方式扩大幅宽。拼接组件的热变形对探测器图像的配准造成影响。文章通过对空间光学相机拼接组件的光机热分析和试验，得出拼接组件热稳定性对光学拼接焦面图像配准的影响，为空间相机的设计优化提供了依据。文章选择空间相机入轨初期的开始成像时刻和成像12min结束时刻两个工况进行仿真分析和成像试验，发现由于温度分布的变化，拼接组件热变形导致成像开始时刻不同探测器间图像发生约3个像元的错行误差，并在成像结束时刻减小至约2个像元。试验结果表明，拼接组件热稳定性对光学拼接焦面图像配准有显著影响，在空间相机的设计过程中应考虑该因素。

热变形 图像配准 光学拼接 航天遥感

0 引言

为了提高遥感卫星一次成像的覆盖范围，缩短对同一区域的重访周期，遥感卫星不仅需要具备敏捷机动能力，作为有效载荷空间相机的幅宽也要满足较高的要求，通常达到10km以上。空间相机焦面所需的探测器阵列长度也相应较长，远超出单片探测器长度。因此，大多数空间相机的焦面是由多片探测器拼接而成的[1-2]。常见的拼接方法有机械拼接[3-4]、视场拼接[5]、光学拼接[6-7]等。不同的拼接方法各有特点，对拼接结构的设计要求也不同。

光学拼接是利用光学方法，将成像光学系统的视场分割到不同的空间位置，用多块焦面接收；再通过图像处理的方法把多块焦面获取的图像进行拼接，从而等效为连续、完整的长线阵成像，达到扩大成像系统幅宽的目的[8]。光学拼接要求实现拼接功能的光路和结构设计应保证视场无缝，各探测器间几何关系固定，同时结构形式简单、可靠等，这其中涉及到拼接误差分析[9]、拼接反射镜分光方式的设计[10]、重叠像元数的计算[11]、拼接反射镜参数设计与杂光分析[12-13]、拼接结构材料选择、拼接设备和几何关系检测方法[14]、拼接结构温度稳定性控制[15-16]、拼接反射镜热变形对调制传递函数（Modulation Transfer Function，MTF）的影响[17-19]等光机热多个学科的设计和分析要素的研究[20-22]。

某型高分辨率空间相机采用了全反射式分光的光学拼接方式。本文通过对拼接组件进行光机热集成分析，得出在成像过程中不同探测器的图像之间存在错行配准误差，并结合试验结果进行了验证，为热控和结构设计的改进提供依据。

1 拼接组件及其热变形分析

1.1 拼接组件的组成

某型高分辨率空间相机拼接组件如图1所示。包括拼接基框、拼接镜组件、3片CCD及其支架和电路。拼接镜组件由拼接镜1#、拼接镜2#、拼接镜3#和拼接镜框组成，拼接镜使用室温硫化硅橡胶与镜框粘接。3片CCD分别对应拼接镜1#、拼接镜2#和拼接镜3#，其中拼接镜1#和拼接镜3#将入射光线折向上方，拼接镜2#将入射光线折向下方，两者在空间上相互垂直，从而相应的CCD及其电路可放置在两个互相平行的安装面上，结构设计和电路布局更加简洁紧凑。

图1 焦面拼接组件

通过拼接镜分光，该空间相机的焦面实现了全反射的光学拼接，使得同一谱段的CCD在设计上共线，可以对地同时成像，保证对地成像时的几何精度。

1.2 拼接组件热分析

空间相机入轨后，受到空间环境和自身热源的作用，光机结构各个部分的温度时刻处在动态变化中。在初步热控设计方案中，由于热控资源以及拼接基框设计空间的限制，拼接基框上无主动热控措施，只在拼接镜框上布置有1个加热回路。为获取相机在轨工作时拼接组件的温度场分布及其变化，选取相机寿命初期、外热流极小、热控系统工作状态下相机焦面CCD器件开机成像和成像12min结束两个时刻，分别作为热分析工况1和工况2进行分析，分析过程如图2～图5所示。分析得出拼接组件的温度分布，其中拼接基框、拼接镜的最高温度、最低温度和平均温度汇总见表1。分析结果表明，在CCD未开机成像时，拼接基框平均温度约7.4℃，拼接镜平均温度约14.2℃；成像12min后，由于CCD器件工作散热，拼接基框平均温度显著升高，至11.5℃，拼接镜平均温度则基本不变，约为14.4℃。两个工况的温度分布与相机装调时的（20±1）℃的温度环境相比均有一定差距。

图2 工况1拼接基框温度分布

图3 工况1拼接镜组件温度分布

图4 工况2拼接基框温度分布

图5 工况2拼接镜组件温度分布

表1 热分析结果

Tab.1 Thermal analysis results

1.3 拼接组件热变形分析

分析拼接组件热变形对图像配准的影响，需要获取3片CCD和3个拼接镜在两个工况的温度场载荷作用下各自的位移。根据几何光学的原理，CCD和拼接镜在不同方向的位移对图像产生的影响也是不同的。其中对CCD而言，沿线阵方向的平移导致相邻两片CCD之间重叠像元数量的变化，沿积分方向的平移导致两片CCD之间图像发生错行，沿像元平面法线方向的平移导致整片CCD离焦，绕线阵方向和绕积分方向的转动分别导致CCD在相应方向的两端发生不同方向的离焦，绕像元平面法线的转动则导致斜推扫成像。对拼接镜而言，由于拼接镜是平面反射镜，镜面平面内的小幅平移和转动都对成像没有影响，镜面法线方向的平移和转动则都导致焦面图像发生沿积分方向的移动。

使用有限元分析软件Hypermesh建立拼接组件的有限元模型，如图6所示。将热分析得到的温度场数据映射到拼接组件的结构模型上，进行热变形仿真。读取仿真结果后，对每个CCD和拼接镜分别设置局部坐标系，并选取CCD像元平面和拼接镜反射平面的节点进行相应坐标系下的位移计算，结果见表 2。注意表中给出的位移是各元件相对其自身局部坐标系的位移。可以看到，由于结构对称的特点，CCD 1#和CCD3#的位移基本相同。

表2 CCD与拼接镜的位移

Tab.2 Displacements of CCDs and butting mirrors

1.4 像配准误差分析

将上述位移带入到光学系统模型中进行几何光学分析，就能够分别得到3片CCD上的总像移量，反映到推扫成像过程中即体现为相对于无偏差无离焦设计状态的图像滞后或超前，进而得出图像之间的配准误差。

1）在工况1条件下，CCD 1#和CCD 3#的图像滞后14.1μm，离焦16μm，并且与CCD 2#的重叠区增加5.6μm；CCD 2#的图像滞后53.1μm，离焦15.3μm。从而，CCD 2#的图像滞后CCD 1#、CCD 3#的图像约3.6个像元。

2）在工况2条件下，CCD 1#和CCD 3#的图像滞后12.0μm，离焦13μm，并且与CCD 2#的重叠区增加4.6μm；CCD 2#的图像滞后42.1μm，离焦12.3μm。从而，CCD 2#的图像滞后CCD 1#、CCD 3#的图像约2.6个像元。

3）两个工况比较，反映工况2相比工况1，CCD 2#的图像滞后减小了约1个像元。

4）两种工况下CCD 1#和CCD 3#都发生了1″以内的转动，导致斜推扫。

5）工况1反映了空间相机从地面装调环境到在轨空间环境的变化所引起的拼接组件变形和图像配准误差，CCD 2#相对于CCD 1#和CCD 3#的3.6个像元滞后可以作为系统误差，通过图像处理基本解决。工况2相比工况1而言，CCD 2#的图像滞后减小了约1个像元，这反映出空间相机从成像开始到12min成像结束之间的过程中，图像配准的误差在不断变化，成像起始时刻、成像时长等的不同都会改变误差水平，这给图像处理带来显著影响。

2 成像验证试验

针对仿真结果反映的图像配准误差问题，开展了空间相机成像验证试验。试验系统如图 7所示。将带有横条纹靶标置于转动台前方，转台转动使靶标与空间相机产生相对运动。积分球发出的光照射在靶标上，并通过平行光管，最终成像在空间相机焦面。整个装置放置在真空罐中，结合红外笼共同模拟相机在轨工作的真空环境和外热流变化，建立起相机寿命初期、外热流极小、热控系统工作状态下相机开机成像到成像12min结束的物理过程。试验过程中，通过调整空间相机与转动台的相对位置，保证CCD 2#与靶标直线平行，对比计算不同时刻CCD 1#及CCD 3#相对CCD 2#的位置，进而与仿真结果进行比较。

图7 成像试验系统

在外热流达到工况1条件时开机成像，测得的图像如图8所示。左右两部分分别为CCD 1#和CCD 2#的图像，提取图像DN值随像元列号的变化曲线如图9所示。可知CCD 2#滞后约3个像元。曲线同时反映出CCD 1#与CCD 2#的DN值峰值有较大差值，这与CCD之间辐射响应差异、系统透过率差异、拼接重叠区渐晕等因素有关，需要做相对辐射校正[23]，本文对此不做讨论。

图8 工况1试验图像

注：X为像元列号

在开机成像12min后达到工况2状态，测得的图像如图10所示。左右两部分分别为CCD 1#和CCD 2#的图像，提取图像DN值随像元列号的变化曲线如图11所示。可知CCD 2#滞后约2个像元。

图10 工况2试验图像

注：X为像元列号

试验结果的量级和变化趋势与仿真分析结果完全吻合，验证了分析的正确性，表明如果以该设计状态入轨工作，则由于拼接组件的热变形及其波动，光学拼接的3片探测器的图像会发生约3个像元的错行误差，并且误差量在成像时间达到12min时降低至约2个像元，呈现随成像时间不断变化的特征。由于误差量的不稳定，在图像处理时无法将其作为系统误差整体扣除，对图像配准造成一定影响。

3 结束语

文章针对某型高分辨率空间相机的光学拼接方式，分析了拼接组件热变形对图像配准的影响。仿真分析和试验结果共同反映出，拼接组件由于天地温度不一致性以及成像过程的温度变化而发生的热变形，会导致光学拼接的探测器图像出现数量不断变化的错行误差。研究结果表明，空间相机设计以及图像处理需要考虑这些因素。

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Analysis of the Effect of Butting Assembly Thermal Deformation on Image Registration

MEI Qiang CAO Xueqiang ZHANG Bowen LYU Qiufeng ZHANG Zemin

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

Optical butting is used to expand the coverage width of space cameras. The thermal deformation of the butting assembly affects image registration between different detectors. The purpose of this paper is to testify the influence of thermal stability of the butting assembly on image registration of the optical splicing focal plane, and provide a basis for the design optimization of the space camera. In this paper, two operating conditions are selected, i.e. the beginning time of the space camera imaging process in orbit and the end time after 12-minutes imaging. The test system is built to carry out the thermal vacuum imaging experiment. Due to changes in temperature distribution and thermal deformation of the butting assembly, the misalignment error of about 3 pixels between different detectors occurs at the beginning of imaging, and the error is reduced to about 2 pixels at the end of imaging. The research results show that the thermal stability of the butting assembly has important impacts on the image registration of the optical splicing focal plane, which should be considered in the design optimization of the space camera.

thermal deformation; image registration; optical butting; space remote sensing

TH754; V474.2+91

A

1009-8518(2021)05-0031-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2021.05.004

梅强，男，1983年生，2012年获中国空间技术研究院光学工程硕士学位，高级工程师。研究方向为航天遥感器总体设计。E-mail：39624876@qq.com。

2021-05-22

国家重点研发计划资助项目（2016YFB0500503）

梅强, 曹学强, 张博文, 等. 空间光学相机焦面拼接热变形对图像配准影响[J]. 航天返回与遥感, 2021, 42(5): 31-38.

MEI Qiang, CAO Xueqiang, ZHANG Bowen, et al. Analysis of the Effect of Butting Assembly Thermal Deformation on Image Registration[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2021, 42(5): 31-38. (in Chinese)

（编辑：庞冰）