隨著科技的飛速發展，相機在各領域的應用愈發廣泛。2025 年，相機行業迎來一系列政策利好，旨在推動技術創新與產業升級。相關數據顯示，政策的扶持使得相機研發投入同比增長 15%，其中針對高精度成像技術的研發資金占比達到 30% 。在眾多相機技術中，幀轉移型面陣 CCD 相機以其高靈敏度、高解析度和寬光譜響應等優勢，成為星載偏振相機的核心圖像傳感器。然而，其固有結構特性導致的拖尾現象，嚴重影響成像質量和測量精度，因此，對拖尾程度評價標準和校正方法的研究至關重要。

  一、幀轉移型面陣 CCD 相機拖尾產生原理與校正方法解析

  幀轉移型面陣 CCD 相機的測量信號依靠電荷轉移讀出，電荷轉移並非瞬間完成。在未配備機械或電子快門時，電荷轉移過程中曝光持續，額外光電荷疊加到成像光電荷上，形成沿幀轉移方向橫跨圖像的拖尾條紋。以用於獲取全球氣溶膠和雲性質參數的星載偏振相機為例，其配備的幀轉移型面陣 CCD 相機拍攝積分球時，原始圖像中清晰可見從頂部到底部的拖尾條紋。

  該相機主要由成像區、存儲區和輸出寄存器組成。在完整成像過程中，感光區電荷清除階段，電荷包轉移時像元持續產生光電荷，表現為從目標投影位置到 CCD 底部的拖尾;曝光成像階段，像元將光子轉化為光電荷記錄圖像;幀轉移階段，圖像從成像區轉移到存儲區，此過程也會產生從目標物投影位置到 CCD 頂部的拖尾;像元電荷讀出階段，存儲區電荷轉化為電壓信號，讀出的光電荷包含前三個過程累積的電荷量，其中同列感光區像元曝光時間內產生光電荷的一定倍數即為拖尾電荷量。當視場內存在高輻亮度目標或曝光時間較短時，拖尾現象更為顯著。

  為解決拖尾問題，暗行法應運而生。暗行是設置在 CCD 成像區頂部或底部的遮擋像元，其電荷包轉移產生的光電荷能反映拖尾光電荷大小。通過將 CCD 輸出圖像每個像元灰度值減去同列暗行像元灰度均值，可得到圖像真實值。以某星載偏振相機配備的 380×512 像元的幀轉移型面陣 CCD 相機為例，其成像區頂部設有 15 行暗行，可採用暗行法校正拖尾。但暗行數量並非越多越好，過多暗行會減少可用像元比例、增加系統冗餘，且部分與感光區相鄰的暗行像元會因局部擴散效應漏光，影響校正效果，因此需確定合適的暗行數量。

  二、幀轉移型面陣 CCD 相機拖尾程度評價方法構建與實驗驗證

  《2025-2030年全球及中國相機行業市場現狀調研及發展前景分析報告》指出，為準確評價相機拖尾程度，利用 MATLAB 構建拖尾仿真模型。假設積分球出射窗口輻亮度均勻且正對相機視場中心，在模型中以矩陣表示相機像元，以矩陣中心為圓心作圓模擬積分球成像光斑，再根據拖尾產生原理為模型添加拖尾。通過設置光斑區域像元灰度值可調整拖尾大小，研究發現，相機像元面輻照度越大，拖尾像元灰度值越大。

  引入灰度標準差和平均梯度作為拖尾程度的評價標準。灰度標準差用於表徵像元灰度值大小分布，定義拖尾的灰度標準差百分比來量化拖尾程度;平均梯度用於表徵像元灰度值變化趨勢，定義拖尾的平均梯度百分比進行衡量。在仿真模型中，拖尾區域灰度標準差和平均梯度與光斑區域像元灰度值均呈線性遞增關係，拖尾程度越高，兩者數值越大，且拖尾的灰度標準差百分比和平均梯度百分比均為 100%。

  為驗證評價標準的有效性，以大口徑積分球為拍攝目標進行實驗。實驗中調節積分球內部燈數獲取不同輻亮度圖像，對原始數據預處理後，計算拖尾區域的灰度標準差和平均梯度。結果表明，實驗數據中拖尾區域灰度標準差和平均梯度與光斑區域像元灰度值呈線性關係，且與仿真數據評價結果一致，證明這兩個指標能較好反映相機圖像的拖尾程度。

  基於上述評價方法，提出校正拖尾尋優算法。該算法先對相機採集的原始圖像扣除本底，再用不同數量暗行進行拖尾校正，得到多幅校正圖像，計算各圖像拖尾區域的灰度標準差和平均梯度，選取拖尾程度最低的圖像，從而確定最優暗行數量。

  三、幀轉移型面陣 CCD 相機拖尾校正實驗結果與分析

  運用校正拖尾尋優算法對相機拍攝積分球實驗圖像進行處理。以相機 565nm 波段為例，校正前圖像拖尾區域灰度標準差為 15.7317，平均梯度為 1.6311，灰度標準差百分比為 32.59%，平均梯度百分比為 21.41%。通過算法處理，發現使用 12 行暗行校正時效果最佳，校正後拖尾區域灰度標準差降至 10.9129，平均梯度降至 1.3665，灰度標準差百分比降至 3.31%，平均梯度百分比降至 5.55%，降幅分別達 89.9% 和 74.0%。

  對相機其他通道如 443nm、490nm P2、670nm P2 等進行同樣處理，結果顯示，校正後各通道圖像拖尾的灰度標準差百分比最大降幅為 50.3% - 89.9%，平均梯度百分比最大降幅為 65.2% - 74.0%，表明該算法能有效降低各通道圖像拖尾程度，自適應找出當前實驗環境下校正拖尾的最合適暗行數量。

  綜上所述，通過對幀轉移型面陣 CCD 相機拖尾問題的深入研究，成功構建拖尾仿真模型，確立以拖尾區域灰度標準差和平均梯度為核心的評價標準，並提出有效的校正拖尾尋優算法。實驗結果充分驗證了評價標準的有效性和算法的可行性，為星載偏振相機及類似採用該類型 CCD 設備的拖尾檢測與校正提供了重要的技術支持和參考依據，有助於推動相機成像技術的進一步發展，滿足各領域對高精度圖像的需求 。