随着科技的飞速发展，相机在各领域的应用愈发广泛。2025 年，相机行业迎来一系列政策利好，旨在推动技术创新与产业升级。相关数据显示，政策的扶持使得相机研发投入同比增长 15%，其中针对高精度成像技术的研发资金占比达到 30% 。在众多相机技术中，帧转移型面阵 CCD 相机以其高灵敏度、高分辨率和宽光谱响应等优势，成为星载偏振相机的核心图像传感器。然而，其固有结构特性导致的拖尾现象，严重影响成像质量和测量精度，因此，对拖尾程度评价标准和校正方法的研究至关重要。

  一、帧转移型面阵 CCD 相机拖尾产生原理与校正方法解析

  帧转移型面阵 CCD 相机的测量信号依靠电荷转移读出，电荷转移并非瞬间完成。在未配备机械或电子快门时，电荷转移过程中曝光持续，额外光电荷叠加到成像光电荷上，形成沿帧转移方向横跨图像的拖尾条纹。以用于获取全球气溶胶和云性质参数的星载偏振相机为例，其配备的帧转移型面阵 CCD 相机拍摄积分球时，原始图像中清晰可见从顶部到底部的拖尾条纹。

  该相机主要由成像区、存储区和输出寄存器组成。在完整成像过程中，感光区电荷清除阶段，电荷包转移时像元持续产生光电荷，表现为从目标投影位置到 CCD 底部的拖尾;曝光成像阶段，像元将光子转化为光电荷记录图像;帧转移阶段，图像从成像区转移到存储区，此过程也会产生从目标物投影位置到 CCD 顶部的拖尾;像元电荷读出阶段，存储区电荷转化为电压信号，读出的光电荷包含前三个过程累积的电荷量，其中同列感光区像元曝光时间内产生光电荷的一定倍数即为拖尾电荷量。当视场内存在高辐亮度目标或曝光时间较短时，拖尾现象更为显著。

  为解决拖尾问题，暗行法应运而生。暗行是设置在 CCD 成像区顶部或底部的遮挡像元，其电荷包转移产生的光电荷能反映拖尾光电荷大小。通过将 CCD 输出图像每个像元灰度值减去同列暗行像元灰度均值，可得到图像真实值。以某星载偏振相机配备的 380×512 像元的帧转移型面阵 CCD 相机为例，其成像区顶部设有 15 行暗行，可采用暗行法校正拖尾。但暗行数量并非越多越好，过多暗行会减少可用像元比例、增加系统冗余，且部分与感光区相邻的暗行像元会因局部扩散效应漏光，影响校正效果，因此需确定合适的暗行数量。

  二、帧转移型面阵 CCD 相机拖尾程度评价方法构建与实验验证

  《2025-2030年全球及中国相机行业市场现状调研及发展前景分析报告》指出，为准确评价相机拖尾程度，利用 MATLAB 构建拖尾仿真模型。假设积分球出射窗口辐亮度均匀且正对相机视场中心，在模型中以矩阵表示相机像元，以矩阵中心为圆心作圆模拟积分球成像光斑，再根据拖尾产生原理为模型添加拖尾。通过设置光斑区域像元灰度值可调整拖尾大小，研究发现，相机像元面辐照度越大，拖尾像元灰度值越大。

  引入灰度标准差和平均梯度作为拖尾程度的评价标准。灰度标准差用于表征像元灰度值大小分布，定义拖尾的灰度标准差百分比来量化拖尾程度;平均梯度用于表征像元灰度值变化趋势，定义拖尾的平均梯度百分比进行衡量。在仿真模型中，拖尾区域灰度标准差和平均梯度与光斑区域像元灰度值均呈线性递增关系，拖尾程度越高，两者数值越大，且拖尾的灰度标准差百分比和平均梯度百分比均为 100%。

  为验证评价标准的有效性，以大口径积分球为拍摄目标进行实验。实验中调节积分球内部灯数获取不同辐亮度图像，对原始数据预处理后，计算拖尾区域的灰度标准差和平均梯度。结果表明，实验数据中拖尾区域灰度标准差和平均梯度与光斑区域像元灰度值呈线性关系，且与仿真数据评价结果一致，证明这两个指标能较好反映相机图像的拖尾程度。

  基于上述评价方法，提出校正拖尾寻优算法。该算法先对相机采集的原始图像扣除本底，再用不同数量暗行进行拖尾校正，得到多幅校正图像，计算各图像拖尾区域的灰度标准差和平均梯度，选取拖尾程度最低的图像，从而确定最优暗行数量。

  三、帧转移型面阵 CCD 相机拖尾校正实验结果与分析

  运用校正拖尾寻优算法对相机拍摄积分球实验图像进行处理。以相机 565nm 波段为例，校正前图像拖尾区域灰度标准差为 15.7317，平均梯度为 1.6311，灰度标准差百分比为 32.59%，平均梯度百分比为 21.41%。通过算法处理，发现使用 12 行暗行校正时效果最佳，校正后拖尾区域灰度标准差降至 10.9129，平均梯度降至 1.3665，灰度标准差百分比降至 3.31%，平均梯度百分比降至 5.55%，降幅分别达 89.9% 和 74.0%。

  对相机其他通道如 443nm、490nm P2、670nm P2 等进行同样处理，结果显示，校正后各通道图像拖尾的灰度标准差百分比最大降幅为 50.3% - 89.9%，平均梯度百分比最大降幅为 65.2% - 74.0%，表明该算法能有效降低各通道图像拖尾程度，自适应找出当前实验环境下校正拖尾的最合适暗行数量。

  综上所述，通过对帧转移型面阵 CCD 相机拖尾问题的深入研究，成功构建拖尾仿真模型，确立以拖尾区域灰度标准差和平均梯度为核心的评价标准，并提出有效的校正拖尾寻优算法。实验结果充分验证了评价标准的有效性和算法的可行性，为星载偏振相机及类似采用该类型 CCD 设备的拖尾检测与校正提供了重要的技术支持和参考依据，有助于推动相机成像技术的进一步发展，满足各领域对高精度图像的需求 。