李巖 馬越

（北京空間機電研究所，北京 100094）

0 引言

Landsat-7攜帶的星載專題制圖儀（Enhanced Thematic Mapper Plus, ETM+），自發(fā)射后受到了各國用戶的普遍重視和歡迎；CBERS衛(wèi)星也稱“資源一號”衛(wèi)星，是中國和巴西合作開發(fā)的第1代傳輸型資源遙感衛(wèi)星，紅外多光譜掃描儀（Infrared Multi-spectral Scanner, IRMSS）是其重要的有效載荷，通過掃描系統(tǒng)擺掃實現(xiàn)寬幅成像。掃描線校正器（Scan Line Corrector, SLC）是ETM+和IRMSS主體的關(guān)鍵組成部分，是成像光路中的精密光學活動部件。其功能是通過SLC校正組件的特殊規(guī)律運動，將掃描鏡的正反掃描條帶由相互間成“之”字形校正成相互間平行并與衛(wèi)星飛行方向垂直的掃描帶條[1-3]。

SLC的工作原理如下:為抵消衛(wèi)星飛行運動造成的掃描線條傾斜，設(shè)計雙平行反射鏡組轉(zhuǎn)動，與掃描同步，在每次進入掃描線性段時朝同一方向校正，從而實現(xiàn)掃描條帶和飛行方向的垂直，消除原有的“之”字形，通過合理設(shè)計實現(xiàn)不漏掃和小重疊。對應(yīng)地面實現(xiàn)光軸向飛行反方向平移。校正量隨掃描角度成線性增大，在掃描線性段末端達到最大校正量[4-6]。如果實際校正量小于設(shè)計值則出現(xiàn)欠校正，“之”字形仍存在、斜率小，在線性段起點和末端都會出現(xiàn)交替的漏掃和重疊；反之，若實際校正量大于設(shè)計值則出現(xiàn)過校正，“之”字形也存在、斜率大，在線性段起點和末端仍會出現(xiàn)交替的漏掃和重疊[7-9]。

為了驗證 SLC的校正量是否滿足設(shè)計值，使得正反掃的線性起點和末端不會出現(xiàn)交替的漏掃和重疊，一般情況下需要通過外景成像試驗實測，但是外景成像試驗成本高、周期長，對環(huán)境的要求也較高。本文將研究在實驗室環(huán)境下測試掃描線校正器的校正量，通過使用特定的靶標，以正、反掃校正量差值為中間量，通過建立合理的匹配函數(shù)計算出SLC校正量曲線的線性起始點，從而推導得出SLC在不同掃描視場的校正量。

1 測試方法

1.1 SLC測試方法

假設(shè)某遙感相機為采用16像元并掃的擺動式掃描成像系統(tǒng)，掃描鏡采用正向（正掃）和反向（反掃）行程都作為有效掃描運動，使用SLC消除雙向擺動掃描重疊和漏掃，如圖1所示。

圖1 有無SLC補償對比Fig.1 The scan line with/without SLC

此相機每條掃描條帶的掃描視場為3 500像元，其中3 000像元的線性成像段為有效成像段，500像元為非線性非成像的回程段，SLC在掃描條帶兩端的最大有效校正量為7個像元。SLC的正反掃校正量曲線如圖2所示，圖中紅色為正掃成像時的SLC校正量曲線，藍色為反掃成像時的SLC校正量曲線，線性段的起始點為視場0像元處。SLC的校正量測試需要確定以下2方面:1）線性段的起始點是否正確；2）線性段的校正量是否正確。[7,10]

圖2 SLC校正量示意Fig.2 The SLC forward and opposite correction

在實驗室測試SLC校正量較直接有效的方法為:由測試SLC工作時正、反掃的靶標位置與在SLC不工作時的靶標位置，計算SLC在各個視場的正、反掃校正量。使用這個方法的前提是保證SLC不工作時靶標圖像在X軸上的位置不變。但在實際測試時由于SLC的雙平行反射鏡無法固定在同一位置，所以需要在去除這一前提的情況下研究SLC校正量的測試方法。

在實驗室使用如圖3所示的靶標，并定義如下坐標軸:X軸為沿著衛(wèi)星飛行方向，如果SLC的校正量是沿X軸正向則為正；Y軸為沿著掃描方向，代表掃描視場的大小。Δx1(y)=x1(y)-x(y)為反掃校正量，Δx2(y)=x2(y)-x(y)為正掃校正量，其中:x為SLC不工作時靶標X軸上的位置；x1為SLC工作、反掃成像時靶標在X軸上的位置；x2為SLC工作、正掃成像時靶標在X軸上的位置；y∈[0, 3 000]，y0為線性段起始點，正確情況下y0=0。

正反掃校正量之差為

圖3 實驗室測試靶標示意Fig.3 The laboratory test target

由SLC的工作原理可知:x1(y)=x2(3000-y)，帶入式（1）可得

由式（1）可知，正反掃校正量之差不需要測試SLC不工作時靶標在X軸上的位置；由式（2）可知，正反掃校正量之差最終為正掃校正量曲線的函數(shù)。圖2所示的系統(tǒng)所對應(yīng)的正反掃校正量差值曲線如圖4所示。

1.2 線性段的起始點測試方法

由以上分析可以得到正反掃校正量差 Δl(y)，并且 Δl(y)為正掃校正量曲線x2(y)的函數(shù)。正掃成像時的標準校正量x'2(y)是已知的，可以計算出不同起始點的正反掃校正量之差Δl'(y-y0)。所以，可以通過建立 Δl(y)與 Δl'(y-y0)的匹配函數(shù)計算線性段的起始點y0[11,12]。

圖4 SLC正反掃校正量差值曲線Fig.4 The D-value of the SLC forward and opposite correction

綜上所述，線性段的起始點y0的測試方法如下:

1）由設(shè)計的正掃校正量標準曲線x'2(y)計算線性段不同起始點下的正反掃校正量差曲線，Δl'(y-y0)=x'2[3000-(y-y0)]-x'2(y-y0)，y0∈[0, 3 000]；

2）采集SLC工作時靶標在各個視場正反掃的圖像；

3）計算各個視場正反掃校正量的差值，各個視場校正量差值的計算方法為:1）分別對同一桿靶標正、反掃的16像元在視場y處取一條直線分別記為f1(y)和f2(y)；2）計算f1(y)和f2(y)半功率點在X軸上的位置x2(y)、x2(y)；3）計算正反掃校正量之差Δl(y)=x2(y)-x1(y)；

4）計算曲線Δl(y)與不同線性段起始點曲線Δl'(y-y0)的互相關(guān)函數(shù)R(y0)[13,14]為

5）計算R(y0)曲線的最大點就是線性段的起始點y0。

1.3 線性段的校正量測試方法

通過上節(jié)測試，確認線性段的起始點y0正確（y0=0）時x2(y)+x1(y)=0，正反掃校正量曲線為

所以，線性段校正量的測試方法如下:

1）采集SLC工作時靶標在各個視場正反掃的圖像；

2）計算各個視場正反掃校正量的差值Δl(y)；

3）計算正反掃成像時的校正量x1(y)= -Δl(y)/2,x2(y)=Δl(y)/2。

2 試驗驗證

按照上面的測試方法，在實驗室使用如圖3所示的靶標進行正反掃校正量差值測試，測試時的采集視場間隔為100像元，測試結(jié)果如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)測試結(jié)果曲線不論是正反掃校正量差還是在其變化規(guī)律上都與設(shè)計的標準曲線差別較大。通過計算匹配函數(shù)得到正掃的線性段起始點為500像元，此時正反掃的校正量曲線如圖6所示，兩曲線相減后得到如圖7所示的正反掃校正量差值曲線，與試驗測試結(jié)果吻合。

圖5 正反掃校正量差值測試曲線Fig.5 The Test D-value of the SLC forward and opposite correction

圖6 正反掃校正量Fig.6 The SLC forward and opposite correction

通過上面的分析可以發(fā)現(xiàn)，SLC的線性段起始點不正確。整個視場的重疊漏掃量為

式中X11(y)、X21(y)為SLC工作正常時的正、反掃校正量；X12(y)、X22(y)為正、反掃校正量。整個視場的重疊漏掃量如圖8所示。

圖7 正反掃校正量差值曲線Fig.7 The D-value of the SLC forward and opposite correction

圖8 各個視場的重疊漏掃量Fig.8 The leakage/overlap of different field

圖9 不同視場的外景圖像Fig.9 The image of various fields

為了驗證實驗室分析結(jié)果的正確性，進行了外景成像試驗，不同視場的圖像如圖 9～10所示，選擇外景成像目標大樓上相鄰的2個窗戶作為參考標準，通過實地測量及成像距離可以計算出該窗戶在圖像上的像元寬度，由分析不同視場的外景圖像上該窗戶成像的實際寬度，就可以得到在此視場的重疊漏掃情況，結(jié)果如下:

1）大約在視場0～500像元及2 500～3 000像元上有重疊漏掃；

2）越靠近視場兩端重疊漏掃量越大，最大值（大約14個像元）出現(xiàn)在視場的兩端，最小值出現(xiàn)在視場500像元和視場2 500像元處；

3）在視場500～2 500像元之間沒有重疊漏掃。

上面的外景試驗結(jié)果與實驗室測試分析結(jié)果幾乎完全吻合。

圖10 不同視場的局部放大圖Fig.10 The Enlargement of various fields

在實驗室通過調(diào)整參數(shù)使得SLC的線性段起始點正確后，又對其進行試驗測試，正反掃校正量差值結(jié)果如圖11所示，此時正、反掃校正量與設(shè)計值相符。不同視場的外景圖像如圖12所示，通過對比原來視場兩端的重疊漏掃已經(jīng)去除，圖像品質(zhì)在各視場均相同[15]。

圖11 實驗室調(diào)整后測試結(jié)果Fig.11 The test D-value of the modified SLC forward and opposite correction

圖12 不同視場的外景試驗圖Fig.12 The image of different field

3 結(jié)束語

為了測試掃描線校正器的校正量是否正確，傳統(tǒng)的外景成像試驗測試方法存在成本高、周期長、環(huán)境要求高等缺點，針對此問題本文研究了在實驗室下基于靶標的測試方法。該方法通過實驗室靶標測試計算得到正反掃校正量差值曲線，通過建立特定的匹配函數(shù)得到掃描線校正器校正量曲線線性段的起始點；在確認了線性段起始點正確的情況下，可以通過正反掃校正量差值曲線計算得到正反掃校正量曲線，從而得到SLC校正量。最終通過外景試驗驗證了此方法的正確性。

References)

[1]陳世平. 空間相機設(shè)計與試驗[M]. 北京: 宇航出版社, 2003.

CHEN Shiping. Space Camera Design and Test[M]. Beijing: China Astronautics Press, 2003. (in Chinese)

[2]SHOU Jingwen, CHEN Xue, MA Jianwen, et al. Application and Research on the Recovery of Landsat-7 SLC-off Images Based on ARL[J]. Journal of Optoelectronics Laser, 2006, 17(3): 368-371.

[3]ZHU Changming, SHEN Zhanfeng, LUO Jiancheng, et al. Research on Landsat-7 SLC-off Image Restoration Method Based on MODIS09 Data[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2010, 39(3): 251-256.

[4]Zhang C, Li W, Travis D. Gaps-fill of SLC-off Landsat ETM+ Satellite Image Using a Geostatistical Approach[J]. International Journal of Remote Sensing, 2007, 28(22): 5103-5122.

[5]林友明, 鮑凱. Landsat-7掃描行校正器異常對圖像數(shù)據(jù)的影響及其處理方法[J]. 遙感信息, 2005(2): 33-37.

LIN Youming, BAO Kao. The Impact of the Scan Line Corrector Malfunction on Landsat-7 Imagery Data and the Processing Methods[J]. Remote Sensing Information, 2005(2): 33-37. (in Chinese)

[6]趙秋艷. Landsat-7衛(wèi)星的有效載荷ETM+[J]. 航天返回與遙感, 2000, 21(4): 25-32.

ZHAO Yanqiu. The Landsat-7 Payload ETM+[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2000, 21(4): 25-32. (in Chinese)

[7]徐建艷, 于晉. CBERS-02星紅外數(shù)據(jù)系統(tǒng)正反掃描行配準方法研究[J]. 航天返回與遙感, 2006, 27(3): 31-33.

XU Jianyan, YU Jin. Study of Match Processing between Scan Lines of IRMSS Images of CBERS-02[J]. Spacecraft Recovery& Remote Sensing, 2006, 27(3): 31-33. (in Chinese)

[8]孫燕萍. 掃描線校正器兩鏡面不平行的可行性分析[J]. 航天返回與遙感, 2002, 23(1): 21-25.

SUN Yanping. Feasibility Analysis of the SLC with Two Unparalleled Mirror[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing,2002, 23(1): 21-25. (in Chinese)

[9]田曉紅, 林友明. Landsat-7 縫隙數(shù)據(jù)恢復的算法研究[J]. 計算機仿真, 2007, 12(24): 59-61.

TIAN Xiaohong, LIN Youming. Research on Algorithms for Recovering Landsat-7 Gap Data[J]. Computer Simulation, 2007,12(24): 59-61. (in Chinese)

[10]馬文坡. 航天光學遙感技術(shù)[M]. 北京: 科學出版社, 2011.

MA Wenpo. Space Optical Remote Sensing Technology[M]. Beijing: Science Press, 2011. (in Chinese)

[11]趙英時. 遙感應(yīng)用分析原理與方法[M]. 北京: 科學出版社, 2006.

ZHAO Yingshi. The Principle and Method about Remote Sense Application Analysis[M]. Beijing: Science Press, 2006. (in Chinese)

[12]John R Jensen. 遙感數(shù)字影像處理導論[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2007.

John R Jensen. Introductory Digital Image Processing: A Remote Sensing Perspective[M]. Beijing: China Machine Press, 2007.(in Chinese)

[13]顏慶津. 數(shù)值分析[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社, 2007.

YAN Qingjin. Numerical Analysis[M]. Beijing: Beihang University Press, 2007. (in Chinese)

[14]John J Qu, Wei Gao, Menas Kafatos, et al. Earth Science Satellite Remote Sensing[M]. Beijing: Beihang University Press,2007.

[15]黨安榮, 王曉棟, 陳曉峰, 等. ERDAS IMAGINE遙感圖像處理方法[M]. 北京: 清華大學出版社, 2000.

DANG Anrong, WANG Xiaodong, CHEN Xiaofeng, et al. Remote Sensing Image Processing Method Based on ERDAS IMAGINE[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2000. (in Chinese)