相机帧解析

相机帧与AOS帧的关系

相机帧(Camera Frame)

↓ 星上数据压缩

BPDU(图像数据包)

↓ 封装进虚信道(VCID)

VCDU 数据单元

↓ 再封装

AOS帧(用于传输)

↓ 下行传输至地面

一帧相机输出的数据(相机帧)会被打包成若干个 BPDU(Baseband PDU) ,然后这些 BPDU 会分布在多个 AOS帧 中下传。

换句话说:

一个相机帧通常 对应多个 AOS帧, 一个 AOS帧可能 只携带相机帧的一小部分(比如一条扫描线的一部分像元)。

简单来说:

📦 AOS帧负责"安全地打包传输";

📷 相机帧才是"真正的图像内容"。

相机帧的基本概念

对于线阵相机(也叫推扫式相机),它的工作方式是:

  • 每一次卫星向前运动,相机只拍摄一行像元

  • 随着卫星不断前进,逐行扫描,就能拼成一幅完整影像。

因此,卫星每扫描一次,就会生成一条完整的"相机帧(Camera Frame) ",也叫一行数据(Line Data)

每一条帧数据中,都包含两部分:

  1. 辅助数据区(描述这一行的属性信息);

  2. 图像数据区(记录这一行每个像素的灰度值)。

注意,成像前时段应将前3秒辅助数据及成像后系统延时辅助数据进行缓存输出,以保证实时处理需求。

阶段 时间 原因 目的
成像前积累 ~3 秒 建立时钟同步、姿态稳定、CCD预热 保证成像起始精度与信号稳定
成像后延时 若干秒 输出缓存、校验封包、结束同步 确保数据完整与封装正确

相机帧的结构组成

一条相机帧的结构可以写成这样:

┌───────────────────────────────────────────────┐

│ 帧头 │ 相机片号 │ 绝对行计数 │ 成像时间整秒 │ 成像时间微秒 │ 辅助数据 │ 图像数据 │

└───────────────────────────────────────────────┘

我们可以将它划分为两大部分:

(1)辅助数据区(metadata 或 header)

这是在每一行的灰度值前附带的信息。它告诉地面系统------

这行数据是何时、何地、由哪个相机、以什么状态拍摄的。

辅助数据区又包含几类内容:

字段 说明
帧头(Header) 表示一行数据的开始,用于地面解码时的同步与定位。
相机片号 表示是哪个相机模块的数据(比如全色相机、WFV相机、不同视角相机等)。
绝对行计数 记录从相机开机或开始成像后每扫描一行所增加的计数(一般从0开始),保证行的顺序。
成像时间(整秒 + 微秒) 精确标记这行数据的成像时刻,用于确定卫星此时的姿态与轨道位置。
辅助数据(Auxiliary Data) 包含与成像状态相关的参数,比如积分时间、积分级数、相机增益、温度等。

(2)图像数据区(Image Data)

这一部分就是 CCD 探测器真实采集到的像元灰度值。

假设相机宽度是 12000 像元,那么图像数据区就是这 12000 个像元的数字值,表示地面上这条"成像行"的亮度。

通常每个像元用 10、12 或 16 bit 表示(即 0--1023 或 0--65535 的数值)。

如果是多光谱相机(有多个波段),那每一行的数据会包含多个谱段的像元值,可以按波段顺序排列(称为谱段1、谱段2......谱段n)。

辅助数据的意义

参数 含义 作用
绝对行计数 从相机启动后记录的连续行号(如0, 1, 2...) 用来保证行的顺序和位置,用于影像拼接。
成像时间 每一行曝光的精确时间(整秒+微秒) 用于确定这一行成像时刻的卫星姿态和位置,是几何校正的核心参数。
积分时间(Exposure time) CCD探元曝光的持续时间 决定亮度与信噪比,曝光越长亮度越高。
积分级数(Integration level) TDI CCD中叠加的级数 TDI是"时间延迟积分",积分级数越高,信噪比越强。
相机增益(Gain) 调节图像亮度的电子放大倍数 用于匹配地面反射强度差异,避免过曝或欠曝。
温度(Temperature) 相机探测器温度 用于温度补偿,因为温度会影响 CCD 的噪声与灵敏度。

可以简单理解:

  • "绝对行计数 + 成像时间"确定"这一行"在空间和时间上的位置;

  • "积分时间、积分级数、增益、温度"保证"这一行"的成像质量。

地面接收站收到后,会根据:

  • 绝对行计数 → 确定行顺序;

  • 成像时间 → 确定地理位置;

  • 相机参数(积分时间、温度等)→ 用于辐射校正;

  • 图像数据 → 拼接为完整影像。

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