一种数字域TDI相机成像质量的调整方法及调整系统与流程

本发明涉及数字域TDI成像领域，特别是涉及一种数字域TDI相机成像质量的调整方法及调整系统。

背景技术：

数字域TDI技术是一种新型光电成像技术，主要应用于CMOS传感器，用以解决科学级TDI-CCD价格昂贵工艺受限，而模拟域TDI-CMOS方法需要复杂的硬件电路设计，同时依赖于复杂的CMOS制造工艺，实现难度较大的问题。CMOS本身为面阵输出，具有面阵拍照和高清动态视频成像模式，在此基础上实现数字域TDI模式，可改变遥感卫星传统单一的拍照模式，拓展遥感相机的功能。而数字域TDI算法摆脱了在CMOS传感器内部实现TDI的束缚，利用普通的面阵CMOS器件就可以实现多级连续可调的TDI功能，同时其连续多帧的成像模式又可为后续图像超分辨分析、精准建模提供有力依据。目前，数字域TDI技术已实现星上应用。

数字域时间延迟积分(Time,Delay and Integration，TDI)技术在实际星上应用过程中，在不同的调光参数及大气辐射、地面目标光照度等环境条件下，成像效果有较大差异，不同环境下成像参数设置会对成像质量产生极大影响，因此在轨自适应成像参数调整十分必要。目前针对数字域TDI技术的研究主要止于成像原理的探究，对后续的参数调整研究基本没有。因此，如何提供一种数字域TDI相机成像质量的在轨自适应调整方法及调整系统，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种数字域TDI相机成像质量的调整方法，可根据实际拍摄环境自动调整拍摄参数，以实现数字域TDI相机成像质量的在轨自适应调整。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种数字域TDI相机成像质量的调整方法，所述调整方法包括：

根据TDI相机的传感器的检测参数及卫星运行参数确定预拍区域；

根据预拍曝光时间和预拍增益，确定所述预拍区域的实际灰度均值；

根据期望灰度值、所述实际灰度均值、所述预拍曝光时间和所述预拍增益确定TDI成像区域的期望曝光时间与期望增益的乘积；

根据数字域TDI成像调制传递函数及数字域TDI成像信噪比模型，确定TDI成像区域的积分级数和积分时间；

根据所述期望灰度值、所述实际灰度均值、所述预拍曝光时间、所述预拍增益、所述积分级数和所述积分时间，确定所述期望增益；

根据所述期望曝光时间与期望增益的乘积及所述期望增益确定所述期望曝光时间；

根据所述积分级数、积分时间、期望增益及期望曝光时间确定当前TDI成像区域的图像；

判断是否还有下一个预拍区域，如果有，则根据所述期望曝光时间和所述期望增益更新下一个预拍区域的所述预拍曝光时间和所述预拍增益；否则，根据各TDI成像区域的图像确定TDI相机的拍摄图像。

可选的，所述传感器的检测参数包括传感器的检测区域、传感器读出时间，所述卫星运行参数包括卫星运行轨道、卫星地速及轨道高度；其中，

所述根据TDI相机的传感器的检测参数及卫星运行参数确定预拍区域包括：

根据所述传感器的检测区域与所述卫星运行轨道确定所述预拍区域的数量；

根据所述传感器读出时间及所述卫星地速确定各所述预拍区域的间隔；

根据所述轨道高度、所述卫星地速及各预拍区域的预拍曝光时间确定对应的预拍区域的行数。

可选的，所述预拍区域的行数通过公式：确定，其中，N表示预拍区域的行数，H表示轨道高度；V_S表示卫星地速；d表示光学系统焦距；a表示像元尺寸；T′表示预拍曝光时间。

可选的，所述确定TDI成像区域的期望曝光时间与期望增益的乘积具体包括：

根据所述传感器的靶面辐照度确定输出灰度的表达式，所述输出灰度的表达式为：f＝g(R_f×E×T×G)，其中,

f表示输出灰度，R_f表示传感器响应，E表示到达传感器的靶面辐照度，T表示曝光时间，G表示数字增益，g表示相机光学变换函数；

根据所述期望灰度值f_DN、所述实际灰度均值所述预拍曝光时间T′和所述预拍增益G′确定TDI成像区域的期望曝光时间T_DN与期望增益G_DN的乘积，所述乘积为：

可选的，确定所述传感器的靶面辐照度包括：利用大气辐射传输模型，根据卫星轨道高度、观测天底角、星下点地理位置、太阳高度角、地面目标反照率、大气能见度、工作波段确定所述靶面辐照度。

可选的，所述数字域TDI成像调制传递函数为：

其中，f_mtf(T_int,M)表示所述数字域TDI成像调制传递函数，T_int表示所述积分时间，M表示所述积分级数，K表示TDI相机的光学系统设计及衍射传函，ΔV_P/V_P表示像移匹配残差，v表示TDI相机的光学系统采样频率,v_N表示奈奎斯特频率。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的调整方法，通过传感器面阵预拍区域的参数实时更新TDI成像区域的拍摄参数，拍摄参数可根据实际拍摄环境进行在轨自适应调整，实现了数字域TDI相机成像质量的在轨自适应调整。

本发明的目的还在于提供一种数字域TDI相机成像质量的调整系统，可根据实际拍摄环境自动调整拍摄参数，以实现数字域TDI相机成像质量的在轨自适应调整。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种数字域TDI相机成像质量的调整系统，所述调整系统包括：

预拍确定模块，用于根据TDI相机的传感器的检测参数及卫星运行参数确定预拍区域；

实际灰度确定模块，用于根据预拍曝光时间和预拍增益，确定所述预拍区域的实际灰度均值；

期望乘积确定模块，用于根据期望灰度值、所述实际灰度均值、所述预拍曝光时间和所述预拍增益确定TDI成像区域的期望曝光时间与期望增益的乘积；

级数和时间确定模块，用于根据数字域TDI成像调制传递函数及数字域TDI成像信噪比模型，确定TDI成像区域的积分级数和积分时间；

期望增益确定模块，用于根据所述期望灰度值、所述实际灰度均值、所述预拍曝光时间、所述预拍增益、所述积分级数和所述积分时间，确定所述期望增益；

期望曝光时间确定模块，用于根据所述期望曝光时间与期望增益的乘积及所述期望增益确定所述期望曝光时间；

TDI成像模块，用于根据所述积分级数、积分时间、期望增益及期望曝光时间确定当前TDI成像区域的图像；

判断模块，用于判断是否还有下一个预拍区域；

参数更新模块，用于在所述判断模块的判断结果为有下一个预拍区域时，根据所述期望曝光时间和所述期望增益更新下一个预拍区域的所述预拍曝光时间和所述预拍增益，并将更新后的所述预拍曝光时间和所述预拍增益发送给所述实际灰度确定模块；

图像拍摄模块，用于在所述判断模块的判断结果为没有下一个预拍区域时，根据各TDI成像区域的图像确定TDI相机的拍摄图像。

可选的，所述传感器的检测参数包括传感器的检测区域、传感器读出时间，所述卫星运行参数包括卫星运行轨道、卫星地速及轨道高度；其中，

所述预拍确定模块具体包括：

预拍数量确定单元，用于根据所述传感器的检测区域与所述卫星运行轨道确定所述预拍区域的数量；

预拍间隔确定单元，用于根据所述传感器读出时间及所述卫星地速确定各所述预拍区域的间隔；

预拍行数确定单元，用于根据所述轨道高度、所述卫星地速及各预拍区域的预拍曝光时间确定对应的预拍区域的行数。

可选的，所述预拍行数确定单元用于根据公式：确定所述预拍区域的行数，其中，N表示预拍区域的行数，H表示轨道高度；V_S表示卫星地速；d表示光学系统焦距；a表示像元尺寸；T′表示预拍曝光时间。

可选的，级数和时间确定模块用于根据公式：确定所述数字域TDI成像调制传递函数，其中，f_mtf(T_int,M)表示所述数字域TDI成像调制传递函数，T_int表示所述积分时间，M表示所述积分级数，K表示TDI相机的光学系统设计及衍射传函，ΔV_P/V_P表示像移匹配残差，v表示TDI相机的光学系统采样频率,v_N表示奈奎斯特频率。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的调整系统，参数更新模块根据传感器面阵预拍区域的参数实时更新TDI成像区域的拍摄参数，拍摄参数可根据实际拍摄环境进行在轨自适应调整，实现了数字域TDI相机成像质量的在轨自适应调整。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1调整方法的流程图；

图2为本发明实施例2调整系统的结构框图；

图3为本发明实施例3预拍区域和TDI成像区域的分布图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种数字域TDI相机成像质量的调整方法及调整系统，可根据实际拍摄环境自动调整拍摄参数，以实现数字域TDI相机成像质量的在轨自适应调整。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：如图1所示，数字域TDI相机成像质量的调整方法包括以下步骤：

步骤101：根据TDI相机的传感器的检测参数及卫星运行参数确定预拍区域，具体包括确定预拍区域的数量，各预拍区域的间隔及各预拍区域的行数；

步骤102：根据预拍曝光时间和预拍增益，确定预拍区域的实际灰度均值；

步骤103：根据期望灰度值、实际灰度均值、预拍曝光时间和预拍增益确定TDI成像区域的期望曝光时间与期望增益的乘积；

步骤104：根据数字域TDI成像调制传递函数及数字域TDI成像信噪比模型，确定TDI成像区域的积分级数和积分时间；其中，数字域TDI成像调制传递函数为：

f_mtf(T_int,M)表示所述数字域TDI成像调制传递函数，T_int表示所述积分时间，M表示所述积分级数，K表示TDI相机的光学系统设计及衍射传函，ΔV_P/V_P表示像移匹配残差，v表示TDI相机的光学系统采样频率,v_N表示奈奎斯特频率。

步骤105：根据期望灰度值f_DN、实际灰度均值预拍曝光时间T′、预拍增益G′、积分级数M和积分时间T_int，确定期望增益G_DN，期望增益G_DN的表达式为：

步骤106：根据所述期望曝光时间与期望增益的乘积及所述期望增益确定所述期望曝光时间；

步骤107：根据所述积分级数、积分时间、期望增益及期望曝光时间确定当前TDI成像区域的图像；

步骤108：判断是否还有下一个预拍区域，如果有，执行步骤109；否则，执行步骤110；

步骤109：根据期望曝光时间和期望增益更新下一个预拍区域的预拍曝光时间和预拍增益，执行步骤102。本实施例中，在完成一次参数调整后，可将期望曝光时间设置为下一预拍区域的预拍曝光时间，将期望增益设置为下一预拍区域的预拍增益，但并不以此为限。

步骤110：根据各TDI成像区域的图像确定TDI相机的拍摄图像。

具体地，步骤101中传感器的检测参数包括传感器的检测区域、传感器读出时间，卫星运行参数包括卫星运行轨道、卫星地速及轨道高度。根据传感器的检测区域与卫星运行轨道确定预拍区域的数量；根据传感器读出时间及卫星地速确定各预拍区域的间隔；根据轨道高度、卫星地速及各预拍区域的预拍曝光时间，通过公式：确定对应的预拍区域的行数，其中，N表示预拍区域的行数，H表示轨道高度；V_S表示卫星地速；d表示光学系统焦距；a表示像元尺寸；T′表示预拍曝光时间。

具体地，步骤103中确定TDI成像区域的期望曝光时间与期望增益的乘积具体包括：

根据传感器的靶面辐照度确定输出灰度的表达式，所述输出灰度的表达式为：f＝g(R_f×E×T×G)，其中,f表示输出灰度，R_f表示传感器响应，E表示到达传感器的靶面辐照度，T表示曝光时间，G表示数字增益，g表示相机光学变换函数。相机光学变换函数是数字域TDI相机入瞳处的辐射光，经过光学系统作用后到达像面对CMOS图像传感器进行曝光，然后经过光电转换、信号采集、A/D变换以及存储、传输、处理等一系列过程，最终输出目标景物灰度图像的数学模型。

具体地，确定传感器的靶面辐照度包括：利用大气辐射传输模型，根据卫星轨道高度、观测天底角、星下点地理位置、太阳高度角、地面目标反照率、大气能见度及工作波段确定靶面辐照度。

具体地，根据期望灰度值f_DN、实际灰度均值预拍曝光时间T′和预拍增益G′确定TDI成像区域的期望曝光时间T_DN与期望增益G_DN的乘积，所述乘积为：

数字域TDI相机成像质量的调节主要是调整积分时间、增益、级数、曝光时间四个参数，如何根据实际情况合理设置参数值是数字域TDI自适应调整成像质量的关键。

本发明提供的基于面阵CMOS传感器局部开窗能力，同时考虑数字域TDI相机图像输出灰度信息、信噪比与光学传递函数的在轨自适应成像质量的调整方法，解决了现有技术存在的成像质量参数调整时实时性差且不准确的问题。

实施例2：如图2所示，数字域TDI相机成像质量的调整系统包括：

预拍确定模块201，用于根据TDI相机的传感器的检测参数及卫星运行参数确定预拍区域，其中传感器的检测参数包括传感器的检测区域、传感器读出时间，卫星运行参数包括卫星运行轨道、卫星地速及轨道高度；

实际灰度确定模块202，用于根据预拍曝光时间和预拍增益，确定所述预拍区域的实际灰度均值；

期望乘积确定模块203，用于根据期望灰度值、所述实际灰度均值、所述预拍曝光时间和所述预拍增益确定TDI成像区域的期望曝光时间与期望增益的乘积；

级数和时间确定模块204，用于根据数字域TDI成像调制传递函数及数字域TDI成像信噪比模型，确定TDI成像区域的积分级数和积分时间；

期望增益确定模块205，用于根据所述期望灰度值、所述实际灰度均值、所述预拍曝光时间、所述预拍增益、所述积分级数和所述积分时间，确定所述期望增益；

期望曝光时间确定模块206，用于根据所述期望曝光时间与期望增益的乘积及所述期望增益确定所述期望曝光时间；

TDI成像模块207，用于根据所述积分级数、积分时间、期望增益及期望曝光时间确定当前TDI成像区域的图像；

判断模块208，用于判断是否还有下一个预拍区域；

参数更新模块209，用于在所述判断模块的判断结果为有下一个预拍区域时，根据所述期望曝光时间和所述期望增益更新下一个预拍区域的所述预拍曝光时间和所述预拍增益，并将更新后的所述预拍曝光时间和所述预拍增益发送给所述实际灰度确定模块；

图像拍摄模块210，用于在所述判断模块的判断结果为没有下一个预拍区域时，根据各TDI成像区域的图像确定TDI相机的拍摄图像。

具体地，预拍确定模块201具体包括：

预拍数量确定单元，用于根据所述传感器的检测区域与所述卫星运行轨道确定所述预拍区域的数量；

预拍间隔确定单元，用于根据所述传感器读出时间及所述卫星地速确定各所述预拍区域的间隔；

预拍行数确定单元，用于根据所述轨道高度、所述卫星地速及各预拍区域的预拍曝光时间确定对应的预拍区域的行数。具体地，预拍行数确定单元用于根据公式：确定所述预拍区域的行数，其中，N表示预拍区域的行数，H表示轨道高度；V_S表示卫星地速；d表示光学系统焦距；a表示像元尺寸；T′表示预拍曝光时间。

具体地，级数和时间确定模块204用于根据公式：确定所述数字域TDI成像调制传递函数，其中，f_mtf(T_int,M)表示所述数字域TDI成像调制传递函数，T_int表示所述积分时间，M表示所述积分级数，K表示TDI相机的光学系统设计及衍射传函、杂散光传函、加工制造传函、传感器靶面传函、离焦传函、平台振动残差传函、靶面处大气传函以及成像目标传函的乘积，ΔV_P/V_P表示像移匹配残差，v表示TDI相机的光学系统采样频率,v_N表示奈奎斯特频率。

本发明针对面阵CMOS图像传感器实现数字域TDI时间延迟积分推扫成像的特点，在卫星飞行过程中对同一目标区域成像时，利用面阵CMOS图像传感器局部开窗能力，按照推扫方向先对同一地物在CMOS图像传感器的多个预拍区域进行多次预拍成像，然后在CMOS图像传感器的成像区域进行数字域TDI推扫成像，预拍区域采用相同的成像参数对同一地区多次面阵模式成像，取预拍成像输出灰度值的统计平均值作为最终的数字域推扫成像输出灰度值的参考值。当对该目标区域数字域TDI成像时，利用预拍区域参数结果对数字域TDI成像区域的成像参数进行实时调整，保障实际数字域TDI推扫成像区域参数调整的实时性和准确性，从而达到在轨自适应调整成像质量的目的。

实施例3：数字域TDI相机成像质量的调整方法包括以下步骤：

步骤301：利用面阵CMOS图像传感器局部开窗能力，将预拍区域与实际成像区域进行分割，实际成像区域的拍摄参数可通过分析前段预拍区域进行反馈设置。如图3所示，预拍区域与实际成像区域在空间上存在间隔，形成预拍模式。图3中的1为预拍区域，2为各预拍开窗区域间的间隔，X表示预拍区域的大小，即预拍区域的行数，y表示各预拍开窗区域间隔的大小，下部的条状区域3为数字域TDI成像区域。预拍区域数量的选择根据实际传感器的检测参数与卫星运行参数决定，预拍开窗区域间隔与传感器读出时间及卫星地速有关；而后开窗区域为数字域TDI成像区域。

步骤302：根据一定太阳高角及天气环境下的成像链路模型，确定输出灰度与成像参数关系的表达式；

步骤303：设定预拍曝光时间和预拍增益对预拍区域进行预拍摄，获取多次面阵预拍输出的实际灰度均值；

步骤304：根据步骤302确定的输出灰度与成像参数关系的表达式、期望灰度值、实际灰度均值、预拍曝光时间和预拍增益，确定TDI成像区域的期望曝光时间与期望增益的乘积；

步骤305：假设数字域TDI成像区域的积分级数为M，积分时间为T_int，则数字域TDI成像调制传递函数f_mtf表示为：

f_mtf＝K·f_{mtf_mat}

其中，常数K为数字域TDI相机的光学系统设计及衍射传函、杂散光传函、加工制造传函、传感器靶面传函、离焦传函、平台振动残差传函、靶面处大气传函以及成像目标传函的乘积，f_{mtf_mat}为像移匹配残差传函，f_{mtf_mat}是影响成像质量的关键因素。

数字域TDI成像调制传递函数f_mtf(T_int,M)可进一步表示为：

其中ΔV_P/V_P为像移匹配残差，v为数字域TDI相机的光学系统采样频率,v_N为奈奎斯特频率。

由于数字域TDI相机采用的是CMOS图像传感器，则3T、4T结构传感器的数字域TDI成像信噪比模型f_snr(T_int,M)表示为：

其中，N_full表示最大满阱电子数，N_bit表示量化位宽，σ_reset表示复位噪声，σ_int表示积分过程噪声，σ_read表示读出过程噪声，H_APS表示有源像素传感器(Active Pixel Sensor，APS)输出电压增益，C₀表示积分起始二极管的初始电容，V₀表示积分起始二极管的初始电压，表示p-n结内建电势，i_ph表示光电流，i_dk表示暗电流，σ_ct表示1/f噪声，即闪烁噪声。

根据上述的数字域TDI成像f_mtf(T_int,M)与f_snr(T_int,M)数学模型，采取最优化调制传递函数与信噪比原则，首先确定数字域TDI成像区域的积分级数M的值，然后再确定积分时间T_int的值。具体方法为：根据调制传递函数f_mtf(T_int,M)的函数形式(sinc型)，可确定满足大于最小调制传递函数要求值的参数M的区间，选取区间内M的最小值作为积分级数M的取值；然后再将M的具体值带入信噪比f_snr(T_int,M)模型，选择f_snr(T_int,M)最大时的T_int取值作为积分时间的具体取值。上述方法在保证数字域TDI相机最小传递函数和最低信噪比的情况下，还能满足f_mtf(T_int,M)×f_snr(T_int,M)乘积最大化原则。

步骤306：根据期望灰度值、实际灰度均值、预拍曝光时间、预拍增益、积分级数和积分时间，确定期望增益；

步骤307：根据步骤304中的期望曝光时间与期望增益的乘积即步骤306中的期望增益，确定期望曝光时间。

至此，数字域TDI成像过程中的自适应调光参数：积分时间、积分级数、增益及曝光时间四个关键参数都得以确定。

本发明在一个面阵CMOS图像传感器的成像敏感区域上，利用面阵CMOS图像传感器的局部开窗能力，将成像敏感区域划分为预拍区域和成像区域。预拍区域采用面阵成像模式，成像区域采用数字域TDI成像模式。本实施例通过建立面阵CMOS图像传感器预拍区域与TDI成像区域的参数关系映射模型，建立数字域TDI过程信噪比(SNR)及调制传递函数(MTF)模型，根据期望输出灰度范围及最大化信噪比与调制传递函数原则确定TDI成像区域的拍摄参数，大大提高了数字域TDI相机拍摄参数的实时性和准确度，满足在轨自适应调整成像质量的要求，弥补了数字域TDI成像系统在轨自适应调整成像质量的技术空白。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。