双高分辨率相机锥摆扫成像方法及系统与流程

1.本发明涉及空间遥感相机成像技术领域，具体涉及一种双高分辨率相机锥摆扫成像方法及系统。


背景技术：

2.空间遥感领域中的光学成像系统体积、分辨率、幅宽一直都是评估遥感卫星的关键指标，直接反映了遥感卫星的图像获取能力，三者一直是相互制约的。要保证任意两者的提高，必定需要牺牲另一项一定的能力。过去原有的成像模式研究，为了确保遥感卫星的幅宽和分辨率，一直是采用多轨配合成像的方法，这种方法的缺陷是增大了成本。现如今需要用到广域搜索的场景越来越多，过去用到大视场相机来实现广域搜索，但是大视场相机的制造通常很复杂，且并不能实现高分辨，所以搭配载荷高分相机，但是增大了卫星的负担，给卫星提出了更高的要求。
3.目前现有的空间遥感成像模式有针对航天平台的星下点成像、大角度侧摆成像、多轨条带成像、单轨条带成像、单轨立体成像、推扫成像、摆扫成像、环扫成像模式等，均是采用了遥感平台和相机系统之间的高精度的协调姿态配合等一维或二维运动来达到特殊的成像目的。
4.发明专利cncn108965708a公开了一种利用小视场相机实现大视场广域搜索的成像系统及方法。该专利设计的成像系统采用了多个探测器进行成像，一定程度上在高分宽幅的条件下，减小了载荷体积重量，但是采用的二维运动控制，且在实际工程中，会出现采集图像沿轨方向漏缝的情况，这是采用多片探测器阵列成像所无法避免的。
5.发明专利cn109803091a公开了一种单一小视场相机钟摆式螺旋扫描成像系统及方法。该专利提出了新型的三维运动控制新型成像模式，实现了高分宽幅小体积。但是经过模拟仿真，该方法在钟摆扫时会产生一个较大的转动惯量，会给卫星的姿态控制提出很高的要求，并且为了实现拼接，钟摆扫转动角速度会较大，导致曝光时间会很小，降低了图像质量。


技术实现要素：

6.为了达到高分辨、大幅宽、小体积的成像要求，并改进现有方法存在的缺陷，本发明提供一种双高分辨率相机锥摆扫成像方法及系统。
7.为实现上述目的，本发明采取如下的技术方案：
8.一种双高分辨率相机锥摆扫成像方法，所述方法包括以下步骤：
9.步骤1：获取成像任务，并根据所述成像任务选择载荷相机的启动模式及成像模式；
10.步骤2：根据所述成像任务和所述载荷相机的启动模式及成像模式，进行搭载卫星平台姿态调整及所述载荷相机在摆动轨道上的初始位置及运动范围的规划，并完成所述搭载卫星平台和所述载荷相机的初始状态调整；
11.步骤3：根据所述成像任务和所述载荷相机的运动范围计算卫星运动控制参数，所述卫星运动控制参数包括卫星平台运动控制参数和载荷相机摆动运动控制参数；
12.步骤4：根据所述载荷相机在摆动轨道上的初始位置及运动范围、所述卫星运动控制参数计算所述载荷相机的成像参数；
13.步骤5：根据所述卫星运动控制参数和所述成像参数控制所述搭载卫星平台和所述载荷相机运动以及成像，完成所述成像任务。
14.本发明还提出一种双高分辨率相机锥摆扫成像系统，所述系统包括控制模块、搭载卫星平台和载荷模块，所述控制模块和所述载荷模块均安装在所述搭载卫星平台上，且所述控制模块采用上述的双高分辨率相机锥摆扫成像方法控制所述搭载卫星平台和所述载荷模块运动以及成像，完成成像任务。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
16.(1)本发明提出的双高分辨率相机锥摆扫成像方法及系统，可用于我国高分超宽覆盖卫星的研制研发过程；
17.(2)本发明提出的双高分辨率相机锥摆扫成像方法及系统，可解决传统成像模式分辨率、幅宽和载荷质量相互制约的矛盾，满足遥感卫星高分辨、大幅宽、小体积三个指标的要求；
18.(3)本发明提出的双高分辨率相机锥摆扫成像方法及系统，能更进一步的降低载荷体积重量，可解决环扫成像模式无法避免的漏缝问题；
19.(4)本发明提出的双高分辨率相机锥摆扫成像方法及系统，可解决单一小视场相机钟摆式螺旋扫描成像方法产生的大转动惯量，降低对卫星平台的姿控要求；
20.(5)本发明提出的双高分辨率相机锥摆扫成像方法及系统，可改善单一小视场相机钟摆式螺旋扫描成像方法曝光时间太短的问题及减小摆扫速度，能显著提高曝光时间。
附图说明
21.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其他特征、目的和优点将会变得更加明显：
22.图1为本发明成像方法的流程图；
23.图2为本发明成像系统的结构示意图；
24.图3为本发明中载荷模块的结构示意图；
25.图4为本发明轴地点轨迹示意图。
具体实施方式
26.针对遥感卫星高分辨、大幅宽、小体积的需求，提出双高分变率相机锥摆扫成像模式设计，同时满足实现了三个指标的要求，并且解决了单高分相机锥摆扫成像模式出现的一些问题。下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
27.在其中一个实施例中，如图1所示，本发明提供一种双高分辨率相机锥摆扫成像方
法，该方法包括以下步骤：
28.步骤1：获取成像任务，并根据成像任务选择载荷相机的启动模式及成像模式；在本步骤中，根据成像任务的不同，载荷相机的启动模式可以选择单相机成像启动模式或者双相机成像启动模式，载荷相机的成像模式可以选择推扫成像模式、摆扫成像模式或者锥摆扫成像模式等。
29.步骤2：根据成像任务和载荷相机的启动模式及成像模式，进行搭载卫星平台姿态调整及载荷相机在摆动轨道上的初始位置及运动范围的规划，并完成搭载卫星平台和载荷相机的初始状态调整。
30.进一步地，步骤2具体包括以下步骤：
31.步骤2-1：根据成像任务和载荷相机的启动模式及成像模式计算搭载卫星平台姿态调整所需的姿态调整角度，并根据姿态调整角度对搭载卫星平台进行初始姿态调整，完成搭载卫星平台的初始状态调整；
32.步骤2-2：计算载荷相机的初始侧摆角度α0和最大侧摆角度αn，确定载荷相机在摆动轨道上的初始位置及运动范围；
33.步骤2-3：根据初始侧摆角度调整载荷相机的初始位置，完成载荷相机的初始状态调整。
34.步骤3：根据成像任务和载荷相机的运动范围计算卫星运动控制参数，其中卫星运动控制参数具体包括卫星平台运动控制参数和载荷相机摆动运动控制参数。
35.当成像模式为推扫成像模式或者摆扫成像模式时，搭载卫星平台不进行运动；当成像模式为锥摆扫成像模式时，搭载卫星平台绕过双载荷相机主点和地心的轴进行顺时针运动。即当成像模式为推扫成像模式时，卫星平台运动控制参数和载荷相机摆动运动控制参数均设置为零；当成像模式为摆扫成像模式时，卫星平台运动控制参数设置为零，载荷相机摆动运动控制参数包括摆扫速度ωc；当成像模式为锥摆扫成像模式时，卫星平台运动控制参数包括锥扫速度ωs，载荷相机摆动运动控制参数包括摆扫速度ωc，此时锥扫速度ωs和摆扫速度ωc根据任务需求进行相应计算得到。
36.例如，当载荷相机的启动模式为双相机成像启动模式，成像模式为锥摆扫成像模式时，首先计算摆动成像覆盖环带的宽度wid,由初始侧摆角度α0和最大侧摆角度αn得到，根据像面到目标的映射关系可知，转换矩阵m为：
[0037][0038]
式中，h为轨道高度，f为载荷相机焦距，α为侧摆角度。分别代入初始侧摆角度α0和最大侧摆角度αn，相减可以得到摆动成像覆盖环带宽度wid。由此可计算锥扫速度ωs，计算公式为：
[0039][0040]
式中，vs为搭载卫星平台的轨道速度。
[0041]
由此计算摆扫速度ωc：
[0042][0043]
式中，η为重叠率(一般取0.1)，fov为探测器视场角，n为摆扫成像帧数。
[0044]
步骤4：根据载荷相机在摆动轨道上的初始位置及运动范围、卫星运动控制参数计算载荷相机的成像参数；其中，成像参数包括曝光时间、曝光成像间隔、开关机时刻、图像分辨率和图像幅宽等。
[0045]
首先计算载荷相机的曝光时间[0，t
em
]，其中t
em
为曝光时间上限，计算公式如下：
[0046][0047]
式中，a为像素大小，v
px
、v
py
分别为垂轨和沿轨方向的像移速度。
[0048]
然后计算曝光成像间隔t：
[0049][0050]
根据曝光成像间隔t设定开关机时刻，每隔t，成像一次。
[0051]
最后，计算分辨率gsd：
[0052][0053]
计算幅宽sw：
[0054]
sw＝2htanαn[0055]
步骤5：最后根据步骤3所得的卫星运动控制参数和步骤4所得的成像参数控制搭载卫星平台及载荷相机协调运动以及成像，完成成像任务。
[0056]
在另一个实施例中，本发明还提出一种双高分辨率相机锥摆扫成像系统，如图2所示，该系统主要包括控制模块1、搭载卫星平台2和载荷模块3，控制模块1和载荷模块3均安装在搭载卫星平台2上，控制模块1的功能主要包括通过星载计算机获取的任务信息，进行模式选择，计算运动参数、成像参数，并控制搭载卫星平台2和载荷模块3运动及成像；搭载卫星平台2的功能主要包括在控制模块1的控制下，可进行任意方向转动，绕中轴进行顺时针旋转，以及为控制模块1和载荷模块3提供安装基础；载荷模块3的功能主要包括在控制模块1的控制下进行成像，完成成像任务。在本实施例中，控制模块1采用前述实施例所述的双高分辨率相机锥摆扫成像方法控制搭载卫星平台2和载荷模块3运动以及成像，最终完成成像任务，其中双高分辨率相机锥摆扫成像方法的具体步骤可以参见前述实施例的内容，此处不再赘述。
[0057]
进一步地，如图3所示，载荷模块3包括载荷相机摆扫轨道m1、载荷相机m2、牵引链条m3和摆扫装置控制齿轮组m4，其中载荷相机m2安装在载荷相机摆扫轨道上m1并且载荷相机m与载荷相机摆扫轨道m1滑动配合，载荷相机m2还与牵引链条m3连接，牵引链条m3与摆扫装置控制齿轮组m4啮合，摆扫装置控制齿轮组m4通过牵引链条m3带动载荷相机m2沿载荷相机摆扫轨道m1运动。载荷相机摆扫轨道m1的功能是固定限制载荷相机m2的运动范围，属于机械限位；载荷相机m2的功能是负责成像，其安装在载荷相机摆扫轨道m1上，并与牵引链条
m3有连接；牵引链条m3的功能是带动载荷相机m2在载荷相机摆扫轨道m1上运动；摆扫装置控制齿轮组m4与牵引链条m3啮合，其功能时控制载荷相机m2的转动速度及范围。
[0058]
仍参见图3，对于双相机成像启动模式，摆扫装置控制齿轮组m4包括一个总控制齿轮m4-1和两个摆动控制齿轮m4-2，每个摆动控制齿轮m4-2与对应的牵引链条m3啮合，总控制齿轮m4-1与两个摆动控制齿轮m4-2同时啮合并控制两个摆动控制齿轮m4-2同时向内或者同时向外运动，从而控制两台载荷相机m2同时同向或反向运动。
[0059]
本实施例的成像系统在锥摆扫成像模式下具体运动方式为3种：
[0060]
(1)搭载卫星平台2在环地轨道上，做相对地面姿态不变的轨道运动；
[0061]
(2)搭载卫星平台2绕以星下点与质心连线的轴做顺时针旋转运动，如图2中中轴的箭头所示；
[0062]
(3)总控制齿轮m4-1以从左向右看为基准面做顺时针或逆时针旋转(顺时针旋转，两台载荷相机m2同时向外摆动，逆时针相反)，通过啮合的轮齿控制左右两个摆动控制齿轮m4-2同时向内转动，带动缠绕在摆动控制齿轮m4-2上的牵引链条m3运动，从而控制连接在牵引链条m3上的载荷相机m2同时进行运动，载荷相机m2安装在成像载荷摆扫滑动轨道m1上，光轴与成像载荷摆扫滑动轨道m1互相垂直，成像载荷摆扫滑动轨道m1限制载荷相机m2做以焦点为圆心的圆周运动，并限制载荷相机m2的运动范围。由控制模块1发出控制指令，分别控制搭载卫星平台2、总控制齿轮m4-1和载荷相机m2运动，最终完成成像任务。
[0063]
为说明本发明的双高分辨率相机锥摆扫成像方法具体的地面扫描轨迹，图4示出了本发明的轴地点轨迹示意图。轴地点轨迹为相机光轴与地面交点，由图4可以看出双高分相机锥摆扫成像模式的光轴运动轨迹，点为成像时刻的轴地点，线为轴地点运动的轨迹。中间部分为其中一个载荷相机轴地点轨迹，外围部分为另一个载荷相机轴地点轨迹，箭头表示两个载荷相机的运动方向为相对摆动。
[0064]
本发明提出的双高分辨率相机锥摆扫成像系统，利用三维运动来代替多相机拼接视场、大口径短焦距，实现单轨超宽覆盖，并且保证了高分辨率和小体积的要求。在广域搜索中，可以利用本系统及锥摆扫成像模式，实现多种功能，提高时间分辨率，降低载荷质量大小，从而降低了发射成本、制造成本，提高性价比。在现有技术的限制下，本发明可以降低摆扫速度、提高曝光时间限制、抵消摆扫产生的转动惯量，降低对机械模块、成像单元和卫星平台姿控能力的压力。
[0065]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0066]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。