Design of auto-exposure imaging circuit under complex illuminance of Mars in Tianwen-1 high-resolution camera

天问一号高分相机火表复杂照度下自动调光成像电路设计 Design of auto-exposure imaging circuit under complex illuminance of Mars in Tianwen-1 high-resolution camera corresp first-author E-mail： 3511643@163.com E-mail： 3511643@163.com 黄敬涛（1988-），男，吉林通化人，硕士，助理研究员，2013年于吉林大学获得硕士学位，主要从事空间光电探测方面研究。E-mail：3511643@163.com http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24498034&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24498044&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24498039&type= 22.01330566 32.00405884 黄敬涛 （1988-），男，吉林通化人，硕士，助理研究员，2013年于吉林大学获得硕士学位，主要从事空间光电探测方面研究。E-mail： 3511643@163.com 3511643@163.com 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033 Changchun Institute of Optics， Fine Mechanics and Physics， Chinese Academy of Sciences， Changchun 130033， China Changchun Institute of Optics， Fine Mechanics and Physics， Chinese Academy of Sciences， Changchun 130033， China 航天相机的成像质量是获取遥感数据的关键，航天相机设计中调光是影响相机的成像质量的重要参数，自动调光是预先获取目标场景的信息，根据信息确定调光参数，避免过度曝光或曝光不足带来的图像信息损失。我国首次火星探测任务天问一号高分相机，针对火表复杂照度，为获取高质量图像数据，提出了基于TDI CCD推扫成像与CMOS凝视成像自动调光成像电路设计，并提出了基于FPGA的自动调光算法。对天问一号高分相机进行自动调光试验，试验结果表明：自动调光后图像的动态传函MTF提升0.013，外场试验中，对实际景物进行自动调光前后对比拍摄，结果表明自动调光成像效果良好，具备较好的场景适应能力，满足火表复杂照度下自动调光成像需求。 The imaging quality of a space-borne camera is key to accurately obtain remote-sensing data. Exposure is an important parameter in the design of a space-borne camera， which affects the image quality of the camera. Auto-exposure obtains information from the target scene in advance and uses it as the basis for determining the exposure， which can avoid the loss of image information by overexposure or underexposure. In order to obtain high-quality image data from the high-resolution camera in Tianwen-1 under the complex illuminance of Mars， an auto-exposure imaging circuit， based on TDI CCD push-broom and CMOS staring imaging， and an FPGA-based auto-exposure algorithm is proposed. The auto-exposure experimental results from the high-resolution camera in Tianwen-1 show that the dynamic transfer function MTF of the image after auto-exposure is increased by 0.013. In an outdoor test， a comparison of the actual scene before and after the auto-exposure shows that the effect of auto-exposure is good， with better scene adaptation. The proposed circuit has the ability to meet the requirements of auto-exposure imaging under the complex illumination of Mars. TDI CCD CMOS 自动调光 天问一号 MTF TDI CCD CMOS auto-exposure Tianwen-1 MTF 1 引　言 1 我国第一颗火星探测器“天问一号”，迈出了我国深空探测的第一步，高分辨率相机（以下简称高分相机）是火星环绕器上的有效载荷之一，主要完成对火星表面精细观测的任务，旨在为我国的火星探测和为人类全面了解火星地貌地表状况、太阳系起源与演化以及为后续的火星登陆计划做出重要贡献。 火星表面的太阳辐亮度约为地球的0.43倍，不同区域如沙丘、冰川、崩塌等辐亮度会有所不同，为实现火星表面地形地貌高精度成像和详细勘测，对相机的成像质量有着很高的要求，航天相机在不同照度下的自动调光是相机设计的关键，影响着航天相机的成像质量 ［ 1 1 ］ 。 高分相机采用时间延迟积分（Time Delayed and Integration，TDI）电荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）作为主探测器，进行推扫成像，但在对目标场景成像时只进行一次推扫成像，因此无法预知目标场景的特征信息，进而无法确定调光参数，星上自动调光实现难度较大 ［ 2 2 ］ 。 为了实现线阵TDI CCD推扫式相机的星上自动调光，高分相机设计了面阵CMOS与TDI CCD相结合的焦平面结构，利用CMOS预先采集目标场景，对场景信息进行分析预判进而确定调光参数，实现星上自动调光 ［ 3 3 ］ 。TDI CCD作为主探测器获取火星表面的全色图像和彩色图像，面阵CMOS传感器通过凝视成像辅助TDI CCD实现自动调光进而提高成像质量。 2 成像系统组成 1 整个系统由CCD预放电路、CCD视频处理电路和CCD驱动电路及控制器电路组成。CCD预放电路实现对CCD输出的模拟信号进行预处理，包括信号放大和抑制噪声，以保证模拟信号传输的完整性；CCD视频处理电路实现对经过预放电路处理后的CCD模拟信号进行模数转换，输出数字图像信号；CCD驱动电路实现对CCD工作所需的时序信号进行功率驱动；控制器电路用于产生CCD与CMOS工作所需的时序，接收CCD与CMOS输出的图像数据并整理输出 ［ 4 4 - 5 5 4-5 ］ 。系统组成框图如 图1 图1 所示。 3 成像电路设计 1 3.1　TDI CCD 2 高分相机根据任务要求，设计选用了DALSA公司的CORONA型TDI CCD，实物如 图2 图2 所示。该探测器全色像元数6 144、彩色像元数3 072，具有全色，蓝色，绿色，红色和近红外五个谱段，光谱区共96行像素，可以通过5个级间选择控制信号分别实现8行、16行、32行、48行、64行和96行6种TDI积分级数工作模式，其结构图如 图3 图3 所示。TDI CCD主要指标见 表1 表1 。 波段 像元尺寸/μm 像元数量 最大像元读出 速率/MHz 最大行转移 速率/KHz 光谱谱段/nm 最大积分 级数 抗辐照 指标 全色 8.75×8.75 6144 ≥25 ≥26 450~900 96级 B1 17.5×17.5 3072 ≥25 ≥14 450~520 64级 B2 17.5×17.5 3072 ≥25 ≥14 520~600 48级 >30 Krad（Si） B3 17.5×17.5 3072 ≥25 ≥14 630~690 32级 B4 17.5×17.5 3072 ≥25 ≥14 760~900 32级 3.2　CCD预放电路 2 CCD预放电路用于对CCD输出的模拟信号进行信号放大和噪声抑制，设计采用运算放大器构造同相放大电路。通过交流耦合的方式，将视频信号中的直流偏置隔离掉，利用运算放大器将低压信号放大至后端视频处理器需要的幅度范围。 器件选用TI公司的视频宽带运算放大器LMH6722，该器件3 dB带宽可达300 MHz， CCD视频输出信号频率设计值为12.65 MHz，满足系统的设计需求。CCD预放电路如 图4 图4 所示。 3.3　CCD视频处理电路 2 CCD视频处理电路用于采集CCD输出的模拟视频信号，并进行相关双采样、自动增益控制、抑制噪声和高速A/D变换。 由于CCD频率较高，为了能实现对像元进行及时的处理和获得高质量的图像，相应的对视频处理单元的带宽和量化精度要求也变高。CCD视频处理单元的目的是消除KTC 噪声，抑制低频噪声和宽带白噪声，并且保证在CCD的动态范围内图像信号随目标亮度成线性变化，通过综合比较，采用TI公司视频处理器LM98640。 设计采用全色与彩色均单抽头输出，全4路，彩色各1路，共8路输出，其中全色图像设计每路输出频率为12.65 MHz，彩色图像设计每路输出频率为3.11 MHz，量化为12位，该器件满足系统的设计需求。 3.4　CCD驱动电路设计 2 CCD驱动电路用于对FPGA产生的驱动信号进行功率放大，将驱动时序转换为符合TDI CCD工作要求的电平信号。根据TDI CCD对驱动信号的要求，驱动器设计选用Intersil公司的 ISL7457，该芯片内部集成了电平转换功能，前端输入可以是3 V或5 V的TTL电平，输出信号的高低电平由其VH和VL决定。同时ISL7457输入脉冲频率最高40 MHz，能满足系统TDI CCD的单路最大像元读出速率12.65 MHz的设计需求。 CCD时钟信号的上升沿和下降沿时间必须要在指定的范围内，要得到指定的上升时间，就必须提供相应大小的驱动电流。对于容性负载的CCD，按照电容模型公式： <math id="M1"><mi>I</mi><mo>=</mo><mi>C</mi><mfrac><mrow><mi mathvariant="normal">d</mi><mi>u</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24498127&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24498122&type= 13.88533401 7.95866632 可以算出驱动器需要提供的瞬态电流。对于CCD的水平转移时钟而言，上升或下降沿的最长时间按15 ns计算，其瞬态电流可达到200 mA。ISL7457可提供2 A的驱动电流，在负载电容为1 000 pF下，可提供的驱动信号上升时间与下降时间分别为13.5 ns和13 ns，均可以满足应用需求。 3.5　CMOS探测器 2 CMOS探测器设计选用长光辰芯的HR400型CMOS探测器，该器件是一款高动态范围面阵探测器，有效像元数2 048（H）×2 048（V），像元尺寸11 μm×11 μm，量化位数为12 bit，主要技术指标见 表2 表2 。 参数 参考值 像元尺寸 11 μm×11 μm 有效像元数 2 048（H）×2 048（V） 快门类型 电子卷帘快门 主时钟速率 20 MHz~30 MHz 帧频 24 fps@HDR，48 fps@STD 数据率 2.4 Gbit/s at 25 MHz 满阱电荷 120 ke 暗噪声 1.47e 动态范围 >96 dB（HDR模式） 功耗 <600 mW 3.6　CMOS成像电路设计 2 由于CMOS器件自身集成了地址译码器、放大器、A/D转换器等，外围电路提供合适的供电、偏置电压及驱动时序即可工作 ［ 6 6 - 7 7 6-7 ］ ，设计采用FPGA产生驱动时序直接驱动CMOS探测器，FPGA选用XILINX公司的XQ4VSX55，该器件具有IODELAY功能，可以满足CMOS探测器LVDS输出需进行training操作的需求。 4 自动调光算法 1 自动调光的目的是改变图像的灰度值，通过改变成像参数，使相机输出图像的灰度趋近于目标灰度值，目标灰度值的选取需根据实际成像场景。 TDI CCD输出的图像灰度值 <math id="M2"><msub><mrow><mi>f</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">C</mi><mi mathvariant="normal">C</mi><mi mathvariant="normal">D</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24498147&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24498142&type= 5.50333309 4.57200003 与相机入瞳辐亮度B，积分时间 t 和积分级数 N 有直接关系。 <math display="block" id="M3"><msub><mrow><mi>f</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">C</mi><mi mathvariant="normal">C</mi><mi mathvariant="normal">D</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>π</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">4</mn></mrow></mfrac><mo>×</mo><mi>τ</mi><mo>×</mo><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow><mrow><msup><mrow><mi>F</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup></mrow></mfrac><mo>×</mo><mi>B</mi><mo>×</mo><mi>t</mi><mo>×</mo><mfrac><mrow><mi>R</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">96</mn></mrow></mfrac><mo>×</mo><mi>N</mi><mo>×</mo><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow><mrow><mi>G</mi></mrow></mfrac></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24498157&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24498152&type= 67.22533417 8.21266651 ， 其中：τ是光学系统平均透过率； F 是光学系统相对孔径； R 是TDI CCD探测器响应度，单位V·M 2 ·J - 1 ；G是电子学量化增益，单位DN/V，本设计中选用的LM98640量化位数12 bit， G =2 048 DN/V。 通常TDI CCD在不同轨道高度需要设置不同的积分时间来进行像移匹配 ［ 8 8 ］ ，CCD的积分时间t可表示为： <math display="block" id="M4"><mi>t</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>G</mi><mi>S</mi><mi>D</mi></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>g</mi></mrow></mfrac></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24498167&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24498162&type= 14.39333248 8.80533314 ， 其中：GSD为地面像元分辨率， Vg 为飞船速度。任务要求火表面像元分辨率全色为0.5 m、彩色为2.0 m，飞船速度根据任务的轨道高度而确定，积分时间 t 在不同轨道高度基本是定值，所以调节图像的灰度值的直接手段即调节积分级数，自动调光的实现即通过改变积分级数 N 来实现，在 公式（1） 公式（1） 中，入瞳辐亮度B是唯一的未知数，其可以通过面阵CMOS图像数据求得。 开启自动调光模式时，CMOS探测器以默认的成像参数进行一次拍摄，FPGA接收一帧面阵CMOS图像数据，并求出所有像元的平均灰度值 <math id="M5"><msub><mrow><mi>f</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">c</mi><mi mathvariant="normal">m</mi><mi mathvariant="normal">o</mi><mi mathvariant="normal">s</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24498231&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24498227&type= 5.50333309 4.57200003 。 <math display="block" id="M6"><msub><mrow><mi>f</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">c</mi><mi mathvariant="normal">m</mi><mi mathvariant="normal">o</mi><mi mathvariant="normal">s</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow><mrow><mi>m</mi><mo>×</mo><mi>n</mi></mrow></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo largeop="true">∑</mo><mrow><mi>x</mi><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow><mrow><mi>m</mi></mrow></munderover></mstyle><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo largeop="true">∑</mo><mrow><mi>y</mi><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow><mrow><mi>n</mi></mrow></munderover></mstyle><mrow><mi>f</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mrow></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24498189&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24498183&type= 42.67200089 9.05933285 . CMOS输出的平均灰度 <math id="M7"><msub><mrow><mi>f</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">c</mi><mi mathvariant="normal">m</mi><mi mathvariant="normal">o</mi><mi mathvariant="normal">s</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24498201&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24498194&type= 5.50333309 4.57200003 与像面辐照度E的关系为： <math display="block" id="M8"><msub><mrow><mi>f</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">c</mi><mi mathvariant="normal">m</mi><mi mathvariant="normal">o</mi><mi mathvariant="normal">s</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>E</mi><mo>×</mo><mi>t</mi><mo>×</mo><mfrac><mrow><mi>R</mi></mrow><mrow><mi>G</mi></mrow></mfrac></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24498212&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24498206&type= 27.17799950 7.95866632 ， 其中： t 是CMOS积分时间； R 是CMOS探测器响应度，单位V·M 2 ·J - 1 。 CMOS像面辐照度E与相机入瞳辐亮度B的关系为： <math display="block" id="M9"><mi>E</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>π</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">4</mn></mrow></mfrac><mo>×</mo><mi>τ</mi><mo>×</mo><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow><mrow><msup><mrow><mi>F</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup></mrow></mfrac><mo>×</mo><mi>B</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24498222&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24498217&type= 33.02000046 8.21266651 . 则 <math id="M10"><msub><mrow><mi>f</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">c</mi><mi mathvariant="normal">m</mi><mi mathvariant="normal">o</mi><mi mathvariant="normal">s</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24498231&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24498227&type= 5.50333309 4.57200003 与相机入瞳辐亮度B的关系为： <math display="block" id="M11"><mi>B</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mrow><mi>f</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">c</mi><mi mathvariant="normal">m</mi><mi mathvariant="normal">o</mi><mi mathvariant="normal">s</mi></mrow></msub><mo>×</mo><mn mathvariant="normal">4</mn><mo>×</mo><mi>G</mi><mo>×</mo><msup><mrow><mi>F</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup></mrow><mrow><mi>R</mi><mo>×</mo><mi>t</mi><mo>×</mo><mi>π</mi><mo>×</mo><mi>τ</mi></mrow></mfrac></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24498241&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24498236&type= 36.40666580 8.21266651 . 根据 公式（6） 公式（6） 得到的入瞳辐亮度B代入 公式（1） 公式（1） 中，即可确定积分级数 N ，从而实现自动调光。 本文设计的自动调光算法，利用面阵CMOS图像数据求出相机入瞳辐亮度B，进而根据当前轨道高度，选取合适的积分时间和积分级数，得到趋近于目标灰度值TDI CCD图像 ［ 9 9 - 11 11 9-11 ］ ，实现星上自动调光。 5 试验结果 1 5.1　自动调光测试 2 在实验室条件下，利用积分球作为均匀光源，测试自动调光功能，测试现场如 图5 图5 所示。 图6 图6 是自动调光的图像数据，上半部分是自动调光前的图像信息，下半部分是自动调光后的图像信息，从图中可以看出，自动调光前图像平均灰度值为57.1，设置目标灰度值为120，开启自动调光功能后图像平均灰度值为115.12，自动调光功能得到验证。 5.2　MTF测试 2 在相机进行动态MTF测试时，对自动调光效果进行评估。通过动态目标发生器和平行光管模拟无穷远的运动目标，调整动态目标发生器的目标转鼓转速，模拟典型轨道高度下的探测器星下点速度，采用1倍频靶标，模拟轨道高度265 km进行固定行频设置，增益设置为1倍增益，积分级数分别设置CCD全色的96级、64级、48级、32级、16级、8级，进行动态传函的测试，测试结果见 表3 表3 。 轨道高度/km 行频/Hz 增益 级数 MTF 6 265 6 8 078.477 6 1 8 0.093 16 0.1 32 0.097 48 0.104 64 0.1 96 0.092 由表中测试数据可以看出，积分级数48级时，图像MTF最大为0.104。 同样测试条件下，对比相机开启自动调光前后的全色谱段MTF值， 图7 图7 为未开启自动调光功能，TDI CCD以默认参数进行成像，默认积分级数为8级，默认增益为1，平均MTF为0.092。 开启自动调光，积分级数自动调整为 48 级，增益为1，平均MTF为0.105，如 图8 图8 所示。 测试结果如 表4 表4 所示。 成像模式 积分级数 增益 行频/Hz MTF 默认成像参数 8 1 8 078.477 0.092 自适应调光 48 1 8 078.477 0.105 相机动态MTF测试中，开启自动调光功能后，相机根据当前入瞳辐亮度，自动选择48级进行成像，较默认8级成像时MTF提升0.013，自动调光效果良好。 6 外景成像试验 1 在室温条件下，利用单轴转台模拟推扫成像，对室外3.5 km外的目标进行推扫成像，首先使用默认成像参数对目标进行成像，得到的图像灰度值较低，图像层次不分明，如 图9 图9 所示。 开启自动调光功能后，对同一目标进行再次推扫成像，如 图10 图10 所示，图像灰度值明显增加，层次分明，达到了预期的设计目的。 7 结　论 1 我国首次火星探测任务天问一号上的高分相机，为获取高质量图像数据，针对火表复杂照度，提出了基于TDI CCD推扫成像与CMOS凝视成像自动调光成像电路设计，并提出了基于FPGA的自动调光算法。在实验室利用积分球对自动调光功能进行了验证，在外场试验中，对实际景物进行自动调光前后对比拍摄。结果表明，自动调光成像效果良好，具备较好的场景适应能力，满足火表复杂照度下自动调光成像需求。 参考文献 王赤 ， 张贤国 ， 徐欣锋 ， 等 . 中国月球及深空空间环境探测 ［J］. 深空探测学报 ， 2019 ， 6 （ 2 ）： 105 - 118 . 中国月球及深空空间环境探测 WANG C ， ZHANG X G ， XU X F ， et al . The lunar and deep space environment exploration in China ［J］. Journal of Deep Space Exploration ， 2019 ， 6 （ 2 ）： 105 - 118 . （in Chinese） The lunar and deep space environment exploration in China 李帅 ， 徐抒岩 ， 刘栋斌 ， 等 . 高信噪比云与气溶胶探测仪成像系统设计 ［J］. 红外与激光工程 ， 2018 ， 47 （ 11 ）： 316 - 323 . doi: 10.3788/irla201847.1111006 http://dx.doi.org/10.3788/irla201847.1111006 高信噪比云与气溶胶探测仪成像系统设计 LI S ， XU S Y ， LIU D B ， et al . Design of imaging system of cloud and aerosol polarization imager with high signal-to-noise ratio ［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2018 ， 47 （ 11 ）： 316 - 323 . （in Chinese） . doi: 10.3788/irla201847.1111006 http://dx.doi.org/10.3788/irla201847.1111006 Design of imaging system of cloud and aerosol polarization imager with high signal-to-noise ratio 郑亮亮 ， 金光 ， 曲宏松 ， 等 . 高信噪比星载CCD成像电路系统 ［J］. 光学 精密工程 ， 2016 ， 24 （ 8 ）： 2027 - 2036 . doi: 10.3788/ope.20162408.2027 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20162408.2027 高信噪比星载CCD成像电路系统 ZHENG L L ， JIN G ， QU H S ， et al . 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