超模式采样在资源红外相机中的应用研究

    1 引言

    传输型遥感成像系统焦平面探测器阵列的采样频率通常都远不能够满足奈奎斯特条件,因此,最后处理所得到的遥感图像会因为高频混叠而使像质降低,种欠采样现象在红外遥感成像系统中尤为常见。拿资源红外相机的第九谱段来说,光学系统的焦距fc=500 mm,相对孔径D/fc=1B2,探测器像元尺寸p=100Lm,工作谱段为1014~1215Lm,因此,光学系统的截至频率Foptcutfre=D/(fcK)=43166mm-1,探测器的采样频率Fsampfre1/p=10 mm-1,采样频率与系统截至频率的匹配关系离奈奎斯特条件还相差甚远。造成这种问题的原因主要有两个,一是目前制造小尺寸、高密度的红外焦平面阵列非常困难;二是尽管可以采用一合适的小孔经的光学系统来限制高频输入,但是这将导致系统的信噪比、MTF和光学视场不能满足技术需求而不适用。因此,着军用和民用遥感图像分辨率需求的不断提高,在不改变光机主体的条件下,研究一种既能消除图像部分混叠效应,又能提高遥感图像分辨率,同时又能保证光学系统满足信噪比、MTF和光学视场的需求的课题已经成为各国航天界在空间遥感领域研究的热点问题之一,超模式采样技术就是在这些需求背景下应运而生的,它是一种非常经济、非常有效的实现传输型光学遥感卫星高分率和小型化的技术途径。

    2 超模式采样的概念

    超模式采样技术最初来源于SPOT5卫星上的高分辨率几何成像仪(HRG),该技术采用法国国家空间技术研究中心所研究的一种全新的成像概念,具体做法是改变常规的焦平面采样模式,把焦平面上常规的一排线阵CCD采样变成两排CCD采样,两排探测器在空间位置上有严格的几何关系,在探测器线阵方向错开了015个像元,在卫星飞行方向错开了315个像元,并且集成在一个芯片上,HRG的超模式采样焦平面探测器的空间布局如图1所示。在卫星飞行的过程中,两排线阵探测器将同时对同一地面景物进行采样,两路输出得到两幅常规推扫模式的图像,在地面通过插值复原处理就可得到高分辨率图像,超模式采样图像重建示意图如图2所示。

    推而广之,超模式采样就是通过把传输型成像系统常规焦平面上的一排探测器线阵列改成在线阵方向错开015个像元、在垂直线阵方向上错开(n+015)个像元(n为正整数)的两排探测器线阵列,利用两排错位探测器同时对同一地面景物进行采样,达到提高航天传输型遥感相机地面像元分辨率目的的一种新型成像技术。

    3 超模式采样在资源红外相机中的实现方案

    3.1 B9超模式采样探测器组件的设计

    参照现有资源红外相机B9探测器的焦平面阵列布局和法国汤姆逊公司的双线阵CCD焦平面组件TH31535的几何布局,并通过和昆明物理研究所红外探测器专家讨论,现提出的资源红外相机B9超模式采样焦平面阵列排列方案如图3所示。该方案是在原有红外第九谱段探测器的基础上,去掉4元备份,再加上相对主份空间错位的4元,整个探测器组件仍然是8元。假设把原主份4元探测器定义为第一排探测器,把相对主份错位的4元探测器定义为第二排探测器,则资源红外相机B9超模式采样探测器组件中每排探测器前两元和后两元在扫描方向错开了n1个像元,两排探测器相应像元在探测器线阵方向相互错开了015个像元,在扫描方向相互错开了(n2+015)个像元,其中n1和n2为正整数,n1=2,n2=4,像元大小为100Lm@100Lm。