航空面阵CCD测绘相机相位级像移模型表征与补偿方法机理研究

The existing models of the charge transfer movement in the CCD array can’t characterize the actual charge movement pattern. The precision of image motion compensation method built upon this model stays at the pixel level, which limit the development of the new generation high-resolution aerial camera in China. In this project, the phase level model characterizing the image motion is established, the compensation method and the error analysis are also proposed. By investigating the charge transfer movement mechanism of the area CCD in time delay and integration mode, the transient function is used to describe the charge transfer movement, which can improve the precision of the model. Then the phase level image motion compensation method based on dynamic balance is proposed, which can solve the motion matching problem between the image point of the scene and the photosensitive charge in the micro area. At last, Monte Carlo method is used to describe the residual of the phase level image motion compensation, which can compute the independent discrete motion in the probability and statistics method. The project will provide the basic theory and method of image motion compensation for the next generation high resolution aerial camera, including theoretical modeling, the method analysis and mathematical analysis.

当前CCD电荷转移运动模型未真实表征电荷运动规律，据此构建的像移补偿方法精度停滞在像素级，我国发展新一代高分辨率航测相机遇到了瓶颈。本项目提出基于相位级的像移模型表征、补偿与误差分析方法。研究突破传统电荷转移像移表征界限，通过深入挖掘面阵CCD时间延迟积分（TDI）电荷转移运动机理，采用瞬态函数在时间域累加的物理表达方式揭示面阵CCD相位间电荷转移运动规律，将电荷转移运动模型从“像素级”深入到“相位级”。转变传统“静平衡”像素级像移补偿思想，建立 “动平衡”状态下的相位级像移补偿方法，在更为微观的领域以运动平衡的方法解决景物像点与光敏电荷之间的运动匹配问题。最后，采用Monte Carlo法描述相位级像移残差，将相对独立的离散运动残差个体以概率统计的方式表征出来。本项目的开展将从理论建模、方法研究与数理分析三个层面构建我国下一代“高分辨率”航空遥感相机像移补偿的基础理论与基本方法。

高分辨率、大面阵航空测绘相机装载在通用航空平台上，可快速、机动获取高分辨率地面图像，弥补星载航天相机不足，在执行航空应急对地观测，满足城市精细化管理、灾区重建、自然灾害监测等领域发挥着重要作用，存在着广泛的应用需求。与地面成像系统不同，空基对地测绘仪器的载体为运行着的飞行器，这使曝光时间内地面景物与成像介质之间产生了相对运动，即像移。像移的存在导致成像清晰度下降、几何形状与辐射度失真。因此像移补偿技术对提高航空遥感测绘相机成图质量具有重要影响，是研制航空测绘光学仪器的核心技术。本项目通过引入冲激、脉冲等瞬时描述函数，以典型四相位面阵CCD为研究对象，建立了电荷转移运动模型；并将典型模型扩展到二、三、四等任意相位的面阵CCD，结合航空测绘相机快门的影响，建立了针对任意曝光级数的面阵CCD电荷转移模型；引入光学调制传递函数，建立了电荷转移像移与图像退化之间的联系。研究了基于相位级补偿精度的面阵CCD的像移补偿理论；根据补偿理论，搭建了像移补偿方法演示验证平台，对补偿理论与补偿精度进行验证。在研制我国第二代航空相机研制过程中，采用项目负责人提出的相机机身与探测器联动的整体旋转式相位级像移补偿方式，使长焦相机在国内首次实现了 100km斜视距离下高分辨率成像。项目负责人采用相机扫描头旋转，探测器机构消旋的相位级像移补偿方式，使可见光CCD相机实现了高空、高速下的高清晰成像，填补了超高空、超音速、远距离获取地面图像信息的空白，对提升我国战略侦查能力具有重要意义。 在自然基金前瞻性课题的资助下，项目负责人获得如下成果：.（1）2018年 作为参与者获得 国家科技进步一等奖 航空光电成像与集成制造技术。.（2）2019年6月，入选中央军委装备发展部新一届航电领域专家组，参与全军航电装备的体系构建与规划建设；.（3）2020年3月，获得第五批国家 “万人计划”国防科技等领域青年拔尖人才项目支持。