一种摆扫型大幅宽高光谱成像方法

1.本发明属于高光谱成像方法，具体涉及一种摆扫型大幅宽高光谱成像方法。


背景技术：

2.光谱成像技术融合了光谱技术与成像技术，能够同时获得目标的几何特性与辐射特征，实现目标特性的综合探测与识别。随着空间遥感应用对目标特性精细识别要求的不断提高，光谱成像仪器的光谱分辨率、空间分辨率指标不断提高。
3.星载高光谱成像仪获取的光谱数据可以广泛应用于国土资源、环境保护、减灾防灾、林业、农业、水利、矿业等行业。应用领域除对仪器灵敏度、光谱分辨率有不同要求外，对幅宽、重访时间均有较高的要求。已研制应用的星载高光谱成像仪均采用推扫成像方式获取数据，利用推扫成像像元驻留时间长的特性提高仪器探测器灵敏度，幅宽可达到10km至150km。而采用摆扫成像方式获取数据，中分辨率多光谱成像仪的幅宽可达到700km至2000km。
4.应用于空间遥感的光谱成像技术主要依托于色散型和干涉型两种原理。色散型高光谱成像仪的光谱分辨率与入射狭缝的宽度成反比，要获得更高的光谱分辨率，就要不断减小狭缝的宽度，减小系统的光通量，但会导致探测器灵敏度大幅降低。如果保持光谱成像仪空间分辨率不变(通常为10m～60m)，将成像方式改为摆扫方式，则像元驻留时间显著下降，导致色散型光谱成像仪系统灵敏度指标不能满足应用要求，需通过增加光学系统成像口径方式来补偿能量收集能力下降，而摆扫成像时反射镜口径受到驱动、控制能力限制，通常不能增大到满足能量补偿要求，因此，色散型高光谱成像仪不适用于摆扫成像。另外，干涉型高光谱成像仪虽然能量利用率高，但由于需要多帧成像才能获取目标干涉数据，直接摆扫成像时，因卫星运动会使图像错位，导致不能正确复原光谱数据，因此，干涉型高光谱成像仪也不适用于摆扫成像。
5.综上所述，目前，星载高光谱成像仪载荷均为推扫成像，限制了多光谱成像仪的幅宽，只能通过外拼接或者增大成像视场的方式提高幅宽指标，幅宽通常只能达到150km以下。


技术实现要素：

6.本发明为解决目前星载高光谱成像仪载荷均为推扫成像限制了多光谱成像仪的幅宽指标的技术问题，提供一种摆扫型大幅宽高光谱成像方法。
7.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
8.一种摆扫型大幅宽高光谱成像方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
9.s1，搭建光学系统
10.沿光路设置扫描反射镜、成像系统和面阵光电探测器，完成光学系统搭建；所述成像系统包括干涉仪和傅里叶成像镜；
11.s2，光谱成像
12.通过扫描反射镜沿幅宽方向对目标信号进行穿轨方向物方多元摆扫，扫描反射镜多次摆扫运动进行多次扫描，每一次摆扫运动时，正向扫描后反向运动回到起始扫描位置，同时，在正向扫描过程中通过高光谱成像仪对目标信号进行高光谱成像，获得一个条带图像数据；
13.s3，数据处理
14.s3.1，将扫描反射镜多次扫描获得的多个条带图像数据进行拼接，获得地物图像；
15.s3.2，通过面阵光电探测器对获取的地物图像进行处理，得到矩形的地面投影目标。
16.进一步地，步骤s1中，所述光学系统，根据预计达到的幅宽、空间分辨率和光谱分辨率确定系统的光学参数，再根据成像系统的光学参数确定扫描反射镜的光学件外形尺寸。
17.进一步地，步骤s1中，所述光学参数包括光学系统口径、光学系统焦距和光电探测器规格。
18.进一步地，步骤s1中，所述成像系统的光学参数和所述扫描反射镜的光学件外形尺寸具体通过如下方式得到：
19.s1.1，根据预计达到的幅宽和空间分辨率确定光电探测器规格，所述光电探测器规格包括光电探测器的像元数和像元大小；
20.s1.2，根据光电探测器的像元数、预计达到的空间分辨率和卫星轨道高度确定光学系统焦距和光学系统口径；
21.s1.3，根据预计达到光谱分辨率、光学系统焦距和光学系统口径，确定成像系统中干涉仪的波段范围、剪切量、采样点数和干涉仪大小；
22.s1.4，根据光学系统口径确定光学系统中扫描反射镜的外形尺寸。
23.进一步地，步骤s2中所述具体为：
24.将卫星飞行方向中卫星星下点速度矢量v1和所述第一扫描时间t1内扫描反射镜摆扫速度矢量v3合成，得到沿地物横向方向扫描速度矢量v2；
25.所述第一扫描时间t1为每一次摆扫运动时正向扫描的时间。
26.进一步地，步骤s2中，所述正向扫描后反向运动回到起始扫描位置，其中，反向运动回到起始扫描位置的速度，使前一次正向扫描与下一次正向扫描的扫描幅宽具有扫描行重叠。
27.进一步地，步骤s1中，所述面阵光电探测器的规格为m*n，其中，m为行总数，且行方向投影目标与卫星飞行方向重合，n为列总数，且列方向投影目标与卫星飞行方向垂直，m＞n。
28.进一步地，步骤s2中，所述正向扫描后反向运动回到起始扫描位置，正向扫描的第一扫描时间t1根据预计达到的幅宽和扫描行重叠要求确定。
29.进一步地，步骤s2中，所述正向扫描后反向运动回到起始扫描位置还包括，通过调整扫描反射镜运动速度调整卫星偏流角度误差，使沿地物横向方向扫描速度矢量v2的方向，与光电探测器列方向重合，且扫描反射镜的摆扫运动速度满足幅宽要求。
30.进一步地，步骤s2中，所述调整扫描反射镜运动速度补偿卫星偏流角度误差具体为：
31.sa，根据卫星轨道高度计算卫星星下点速度矢量v1；
32.sb，根据光学系统的幅宽和第一扫描时间t1计算沿地物横向方向扫描速度矢量v2；
33.sc，根据卫星星下点速度矢量v1和沿地物横向方向扫描速度矢量v2，计算扫描反射镜摆扫速度矢量v3，以及扫描反射镜摆扫方向与卫星星下点速度矢量v1的夹角α；
34.sd，调整扫描反射镜转轴，使扫描反射镜转轴与扫描反射镜短轴平行，且转轴与卫星沿轨方向夹角为α-90
°
；
35.se，调整成像系统与面阵光电探测器的位置，使得面阵光电探测器对地面投影图形为矩形，且图像光谱维与矩形长边的行总数m重合；
36.sf，根据卫星偏流角参数修正卫星星下点速度矢量v1，重新计算沿地物横向方向扫描速度矢量v2，并根据卫星星下点速度矢量v1和沿地物横向方向扫描速度矢量v2调整扫描反射镜摆扫速度矢量v3和第一扫描时间t1。
37.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
38.1.本发明摆扫型大幅宽高光谱成像方法，利用大孔径干涉光谱成像技术能量利用率高的优点来补偿摆扫成像时像元驻留时间短的缺点，使得摆扫成像时能获得满足应用要求的灵敏度指标，也能够规避推扫成像只能通过外拼接或者增大成像视场的方式提高幅宽指标的问题。
39.2.本发明摆扫型大幅宽高光谱成像方法，应用于星载高光谱成像仪，可以使得仪器幅宽大幅提高，能够有效克服现有光谱成像仪推扫成像幅宽受限的问题。
40.3.本发明摆扫型大幅宽高光谱成像方法，可将高光谱成像仪幅宽由几十公里提高到几百公里，解决了星载中分辨率高光谱成像时幅宽小和重访周期长的应用问题。
附图说明
41.图1为本发明摆扫型大幅宽高光谱成像方法成像原理示意图；
42.图2为本发明摆扫型大幅宽高光谱成像方法中面阵光电探测器获取的地物图像数据示意图；
43.图3为本发明摆扫型大幅宽高光谱成像方法中面阵光电探测器成像与地物像元的关系图。
44.其中：1-扫描反射镜、2-干涉仪、3-傅里叶成像镜、4-光电探测器、5-转轴。
具体实施方式
45.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
46.如图1所示，是本发明摆扫型大幅宽高光谱成像方法的对应摆扫型大幅宽高光谱成像系统的组成图，包括扫描反射镜1、成像系统(包括干涉仪2和傅里叶成像镜3)、光电探测器4，成像系统采用干涉光谱成像仪。扫描反射镜1能够以转轴5为中心转动，进行摆扫。干涉仪2设置在扫描反射镜1的出射光路上，经干涉仪2处理的光路进入傅里叶成像镜3，最后被光电探测器4接收。
47.本发明将目标信号经过扫描反射镜1引入成像通道，扫描反射镜1沿幅宽方向摆扫运动，使用大孔径的静态干涉光谱成像原理实现光谱成像，扫描反射镜1正向扫描后快速反向运动回到起始扫描位置，每次扫描获得一个条带图像数据，多个条带拼接可以获取大范围地物图像。
48.步骤1，确定光学系统的口径d、第一扫描时间t1，以及第一扫描时间t1内，沿地物横向方向扫描速度矢量v249.1.1，根据摆扫型大幅宽高光谱成像系统(光学系统)的幅宽、空间分辨率、光谱分辨率指标确定摆扫型大幅宽高光谱成像系统参数。参数包括光学系统口径d、焦距和面阵光电探测器4规格，即根据空间分辨率和幅宽确定面阵光电探测器4规格，包括像元数和像元大小等，然后，根据面阵光电探测器4像元数、空间分辨率和轨道高度确定光学系统焦距和光学系统口径d。同时，根据光谱分辨率、光学系统焦距和光学系统口径d，确定干涉光谱成像仪的设计参数，该设计参数包括波段范围、干涉仪2剪切量、采样点数和干涉仪2大小等。
50.1.2，根据幅宽、扫描行重叠要求确定第一扫描时间t1。每次扫描分为两个时间段，第一扫描时间t1时间段扫描反射镜1摆扫，面阵光电探测器4沿地物横向方向扫描成像工作，第二扫描时间t2时间段扫描反射镜1快速摆扫回星下点位置，面阵光电探测器4不成像。如图1和图2所示，卫星飞行方向和扫描反射镜1摆扫方向合成光电探测器4沿地物横向方向扫描成像，卫星星下点速度矢量v1和扫描反射镜1摆扫速度矢量v3合成沿地物横向方向扫描速度矢量v2，v2方向与卫星星下点速度矢量v1方向垂直，如图3所示，存在下一个时间段的第一扫描时间t1与上一个时间段的第一扫描时间t1扫描行重叠可能性。根据幅宽、扫描行重叠要求，可以确定第一扫描时间t1，同时，根据光学系统口径d能够设计出其前端扫描反射镜1系统中扫描反射镜1的光学件外形尺寸。
51.还可迭代步骤1.1和步骤1.2进行优化设计，确定最优的第一扫描时间t1、沿地物横向方向扫描速度矢量v2及光学系统口径d，在满足图像信噪比要求的前提下，光学系统口径d达到最小。
52.步骤2，光谱成像
53.扫描反射镜1对目标信号进行穿轨方向物方多元摆扫，将目标信号引入成像通道。扫描反射镜1作摆扫运动，其中，扫描反射镜1作摆扫运动时，需要保证扫描反射镜1摆扫运动矢量与卫星运动矢量合成后，投影目标扫描运动矢量方向与面阵光电探测器4列方向重合，且扫描运动速度满足幅宽要求。光学系统根据大孔径静态干涉光谱成像原理实现目标信号的高光谱成像，扫描反射镜1正向扫描后快速反向运动回到起始扫描位置。每次扫描获得一个条带图像数据，再将多个条带图像数据拼接后获取大范围地物图像。
54.步骤3，数据处理
55.每次扫描获得一个条带图像数据，再将多个条带图像数据拼接后获取大范围地物图像。
56.使用面阵光电探测器4获取大范围地物图像数据，面阵光电探测器4的规格为m
×
n，m为行总数，且行方向投影目标与卫星飞行方向重合，n为列总数，且列方向投影目标与卫星飞行方向垂直，其中，m＞n。面阵光电探测器4获取的大范围地物图像数据经过光学系统后，得到矩形的地面投影目标。
57.另外，第一扫描时间t1内扫描反射镜1沿地物横向方向扫描速度矢量v2，是由卫星
飞行方向中卫星星下点速度矢量v1和第一扫描时间t1内扫描反射镜1摆扫速度矢量v3合成得到的，由于v1有变化，需要通过计算和调整v3来保证v2。通过调整扫描反射镜1运动速度来补偿卫星偏流角误差，具体调整方法如下：
58.sa，根据卫星轨道高度计算卫星星下点速度v1；
59.sb，根据干涉型高光谱成像仪的幅宽和第一扫描时间t1计算v2；
60.sc，根据卫星星下点速度v1和v2，计算扫描反射镜1摆扫速度v3，以及扫描反射镜1摆扫方向与卫星星下点速度v1的夹角α；
61.sd，调整扫描反射镜1转轴5，使扫描反射镜1转轴5与扫描反射镜1短轴平行，且转轴5与卫星沿轨方向夹角为α-90
°
；
62.se，调整成像系统与面阵光电探测器4的位置，使得面阵光电探测器4经过光学系统与反射镜后，对地面投影图形为矩形，且图像光谱维与矩形长边m重合；
63.sf，根据卫星偏流角参数修正卫星星下点速度v1，重新计算v2，并根据卫星星下点速度v1和v2调整扫描反射镜1摆扫速度v3和第一扫描时间t1。
64.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。