CN103344222B - 一种空间相机增益自动实时调整方法 - Google Patents

Abstract

一种空间相机增益自动实时调整方法，涉及空间相机在轨摄影时增益的自动实时调整方法。克服目前已提出的增益调整方法难以适应地面目标和光照条件变化等缺点，包括航天器发射前，通过曲线拟合建立太阳天顶角与相机入瞳辐亮度之间的函数关系；在轨摄影时，相机控制器通过航天器总线接收航天器的当前位置和时间，计算星下点的经度和纬度；并根据该信息计算当前星下点处的太阳天顶角；同时根据已获得的函数关系，得到当前对目标最大反射率对应的地物成像时的相机入瞳辐亮度；计算当前的增益倍数；将当前增益倍数转换为对应的码值后，通过内部总线将该码值发送至视频处理器，对相机的增益进行调整。本发明在光照条件较差时获取的图像灰度层次丰富。

Description

一种空间相机增益自动实时调整方法

技术领域

本发明涉及以遥感卫星或空间站为平台对地球进行观测的空间相机，具体涉及空间相机在轨摄影时增益的自动实时调整方法。

背景技术

对地观测的空间相机的入瞳辐亮度主要由光照条件、地物目标的反射率和空间相机的波段范围等决定，当相机的增益不变时，相机输出图像的数字量化输出值随入瞳辐亮度而变化。为了避免图像中感兴趣的目标处出现饱和现象而无法分辨，用户要求空间相机满足最大辐亮度要求，即在最大辐亮度条件下输出的图像接近饱和或不饱和。该最大辐亮度是在光照条件最强时，对用户要求的目标最大反射率对应的地物成像时相机的入瞳辐亮度。为此目前在空间相机研制中调整成像电路的元器件参数和增益，使相机在最大辐亮度下输出的图像刚好饱和或接近饱和，在发射后采用这一固定增益。这种方式保证了满足用户最大辐亮度的要求，但导致获取的部分图像存在整体偏暗、图像层次不丰富等问题，而且在不同季节获取的同一地物目标的图像灰度差别较大，不便于对比分析和使用。

目前已提出的增益调整方法主要通过对摄影时获取的成像传感器输出的模拟电压或图像数据进行统计分析，而后对增益进行调整(颜伟彬,赵斌.基于数字信号处理器的CCD自动增益调整,传感器技术,2004,23(3):74-80；彭妮娜，陈大羽，王琨等.采用线阵TDICCD相机的实时自动增益控制算法.红外与激光工程,2011,40(7):1370-1375;薛旭成，石俊霞，吕恒毅等.空间遥感相机TDICCD积分级数和增益的优化设置，光学精密工程，2011，19(4):857-862)。这些方法的主要问题在于，空间相机多采用推扫摄影方式，单次摄影过程中每个时刻拍摄的地物目标各不相同，而且经常有高反射率目标夹在大量低反射率目标之中。由于单次摄影即可能覆盖上千公里，横跨较大的纬度，导致不同地物目标处的光照条件差别很大。由于下一时刻要拍摄的地物目标的类型和反射率是未知的，因此对前一时刻获取的成像传感器输出的模拟电压或图像数据进行统计分析得到的增益很可能并不适用下一时刻的地物目标，而出现本应减小增益却增大增益的现象，导致图像出现饱和或达不到调整目的。

由于航天器、地球和太阳之间的相对运动，摄影过程中光照条件不断变化，因此实现空间相机不需要地面干预，自动实时地进行增益的调整具有更大的实用价值。

发明内容

本发明为解决目前空间相机采用固定增益满足以满足最大辐亮度要求，导致获取的部分图像整体偏暗、图像层次不丰富，而且在不同时间拍摄的同一地物目标的图像灰度差别大；克服目前已提出的增益调整方法难以适应地面目标和光照条件变化等缺点，实现不需要地面干预、自动实时地调整增益。

一种空间相机增益自动实时调整方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、航天器发射前，根据空间相机的波段范围、用户要求的目标最大反射率，使用MODTRAN大气辐射传输工具得到空间相机对目标最大反射率对应的地物成像时，不同太阳天顶角对应的相机入瞳辐亮度，并通过曲线拟合建立太阳天顶角与相机入瞳辐亮度之间的函数关系；

步骤二、空间相机在轨摄影时，相机控制器通过航天器总线接收航天器的当前位置和时间，计算星下点的经度和纬度；

步骤三、相机控制器根据步骤二获得的当前时间和星下点的经度与纬度计算当前星下点处的太阳天顶角；

步骤四、相机控制器根据步骤一获得的太阳天顶角与相机入瞳辐亮度之间的函数关系，以及步骤三获得的当前星下点处的太阳天顶角，得到当前对目标最大反射率对应的地物成像时的相机入瞳辐亮度L_c；

步骤五、相机控制器根据步骤四获得的相机入瞳辐亮度L_c，计算当前的增益倍数G_c；

具体计算过程为：设定发射前实验室辐射定标时，在用户要求的最大辐亮度L_max下图像饱和时对应的相机增益倍数为G_max，空间相机设置的最小和最大增益倍数分别为G_DOWN和G_UP，则当前的增益倍数G_c的计算公式为：

$G_c=\left\{\begin{array}{cc}{G}_{\mathrm{UP}}& \frac{G_{\max }\&CenterDot;L_{\max }}{L_c}>G_{\mathrm{UP}}\\ \frac{G_{\max }\&CenterDot;L_{\max }}{L_c}& G_{\mathrm{DOWN}}\&le;\frac{G_{\max }\&CenterDot;L_{\max }}{L_c}\&le;G_{\mathrm{UP}}\\ G_{\mathrm{DOWN}}& \frac{G_{\max }\&CenterDot;L_{\max }}{L_c}<G_{\mathrm{DOWN}}\end{array}\right.;$

步骤六、相机控制器将步骤五获得当前的增益倍数G_c转换为对应的码值后，通过内部总线将所述码值发送至视频处理器，对空间相机的增益进行调整；返回至步骤二，实现对空间相机增益的实时调整。

本发明的有益效果：

一、通过曲线拟合的方式建立太阳高度角和相机入瞳辐亮度之间的函数关系，在轨摄影过程中自动调整增益时所用的相机入瞳辐亮度通过该函数直接计算得到，避免耗时的查询和插值过程，提高增益调整的实时性；

二、星下点经纬度和太阳高度角通过从航天器总线接收的航天器当前实际位置和时间实时计算得到，比轨道外推得到结果更加符合真实情况，因而更准确和可靠；

三、增益调整的过程是由相机控制器在航天器上自动完成，不需要地面干预，因而更为实用和高效；

四、空间相机增益的调整以目标最大反射率和光照条件为依据，即满足最大辐亮度的要求，又考虑摄影过程中太阳光照条件的变化，使在光照条件较差情况下获取的图像仍然灰度层次丰富，并解决了在不同时间拍摄的同一地物目标的图像灰度差别大的问题。

附图说明

图1为本发明所述的空间相机增益自动实时调整方法的流程图；

图2为本发明所述的空间相机增益自动实时调整方法中获取的不同太阳天顶角对应的相机入瞳辐亮度数据及曲线拟合示意图；

图3为在本发明所述的空间相机增益自动实时调整方法中的星下点经度随摄影时刻(时间码)的变化曲线；

图4为本发明所述的空间相机增益自动实时调整方法中的星下点纬度随摄影时刻(时间码)的变化曲线；

图5为本发明所述的空间相机增益自动实时调整方法中的太阳天顶角随摄影时刻(时间码)的变化曲线；

图6为本发明所述的空间相机增益自动实时调整方法中相机入瞳辐亮度（对目标最大反射率对应的地物成像时）随摄影时刻(时间码)的变化曲线；

图7为本发明所述的空间相机增益自动实时调整方法中的增益倍数随摄影时刻(时间码)的变化曲线。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图7说明本实施方式，空间相机增益自动实时调整方法，具体实现过程为：

步骤110，航天器发射前，根据空间相机的波段范围、用户要求的目标最大反射率，使用MODTRAN大气辐射传输工具得到空间相机对目标最大反射率对应的地物成像时，不同太阳天顶角对应的相机入瞳辐亮度，通过曲线拟合建立太阳天顶角与相机入瞳辐亮度之间的函数关系；在本实施例中，该空间相机的波段范围为760-900nm，用户要求的最大辐亮度L_max为31.865W/m²·sr，用户要求的目标最大反射率为0.8。拟合的函数模型如下

L＝a₁·sin(b₁·θ+c₁)+a₂·sin(b₂·θ+c₂)+a₃·sin(b₃·θ+c₃)

其中θ为太阳天顶角，L为相机入瞳辐亮度，a₁、b₁、c₁、a₂、b₂、c₂、a₃、b₃和c₃为通过拟合得到的参数。在本实施例中，星下点的太阳天顶角的取值范围为[0°，100°]，获取的不同太阳天顶角对应的相机入瞳辐亮度数据及曲线拟合的结果如图2所示。根据图2中的数据拟合后得到参数如下表1所示：

表1

a1	21.11	a2	19.07	a3	6.638
						b1	0.01071	b2	0.04487	b3	0.06649
c1	1.127	c2	1.038	c3	3.431

步骤120，空间相机在轨摄影时，相机控制器通过航天器总线接收航天器的当前位置和时间，计算星下点的经度和纬度；在本实施中，相机控制器通过航天器总线接收到航天器在WGS-84坐标系下的当前位置(X_ECF,Y_ECF,Z_ECF)为(-504414.415,1062382.741,6776848.648)(单位：m)。收到的时间码的格式为从UTC时间2006年1月1日0时0分0秒到当前时刻的累加秒值，收到的十六进制时间码为0xBEF6FE2，对应当前时刻的UTC时间为2012年5月6日14时32分02秒。当前时刻星下点的经度λ的计算公式如下：

$\mathrm{\&lambda;}={\mathrm{tg}}^{-1}\frac{Y_{\mathrm{ECF}}}{X_{\mathrm{ECF}}}$

当前时刻星下点的纬度δ采用WGS-84地球椭球模型计算得到，计算公式如下：

$\mathrm{\&delta;}={\mathrm{tg}}^{-1}[\frac{Z_{\mathrm{ECF}}}{\sqrt{{X_{\mathrm{ECF}}}^2+{Y_{\mathrm{ECF}}}^2}}\&CenterDot;(1-e^2)]$

其中e为偏心率，对应WGS-84地球椭球模型为0.081819190842621。通过以上两式可以计算得到当前时刻星下点的经度和纬度分别为115.398°和80.215°。

步骤130，相机控制器根据步骤120得到的当前时间和星下点的经度与纬度计算当前星下点处的太阳天顶角；在本实施例中采用IbrahimReda和AfshinAndreas于2008年提出的太阳天顶角计算方法，该方法计算的不确定度为±0.0003°，而且不需要大量地查表操作，可以方便地在相机控制器上实施，经计算当前时刻的太阳天顶角为81.987°。

步骤140，将步骤130得到的当前时刻的太阳天顶角81.987°代入步骤110拟合得到的函数，得到当前对目标最大反射率对应的地物成像时的相机入瞳辐亮度L_c为3.507W/m²·sr；

步骤150，相机控制器根据步骤140得到的当前对目标最大反射率对应的地物成像时的相机入瞳辐亮度L_c为3.507W/m²·sr，计算当前的增益倍数G_c；在本实施例中，发射前实验室辐射定标实验时，在用户要求的最大辐亮度L_max下图像刚好饱和时对应的相机增益倍数G_max为1.1220倍，空间相机所用视频处理器为OM7560A，对应能够设置的最小增益倍数G_DOWN为1，能够设置的最大增益倍数G_UP为63.0957，根据如下增益计算公式：

$G_c=\left\{\begin{array}{cc}{G}_{\mathrm{UP}}& \frac{G_{\max }\&CenterDot;L_{\max }}{L_c}>G_{\mathrm{UP}}\\ \frac{G_{\max }\&CenterDot;L_{\max }}{L_c}& G_{\mathrm{DOWN}}\&le;\frac{G_{\max }\&CenterDot;L_{\max }}{L_c}\&le;G_{\mathrm{UP}}\\ G_{\mathrm{DOWN}}& \frac{G_{\max }\&CenterDot;L_{\max }}{L_c}<G_{\mathrm{DOWN}}\end{array}\right.$

得到当前的增益倍数G_c为10.1934倍；

步骤160，将步骤150得到的当前增益倍数G_c转换为对应的码值后，通过内部总线将该码值发送至视频处理器，对相机的增益进行调整。此后返回步骤120。在本实施例中，所用视频处理器OM7560A的增益倍数G_c与对应的增益设置码值N_c的关系如下式表示：

N_c＝400·log₁₀G_c

将当前的增益倍数10.1934转换为码值后为0x0193（十六进制），相机控制器通过内部总线将0x0193发送给视频处理器，完成当前摄影时刻的增益调整，之后返回步骤120，开始下一次的增益调整过程。空间相机在轨摄影期间相机控制器反复执行步骤120至步骤160，完成增益的自动实时调整过程，直到空间相机关机时，才停止增益的调整。

结合图3至图7说明本实施方式，图3至图7为根据本实施例得到的UTC时间2012年5月6日14时32分02秒至5月6日16时12分02秒期间星下点经度、纬度、太阳天顶角、相机入瞳辐亮度（对目标最大反射率对应的地物成像时）和增益倍数随摄影时刻(时间码)的变化曲线。

如上所述，对本领域的技术人员来说，在本质上不脱离本发明原理的基础上，可以对该实施例进行形式和细节上的各种改变和修改，这些改变和修改都确定为包含在本发明的范围内。

Claims (4)

1.一种空间相机增益自动实时调整方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：

步骤一、航天器发射前，根据空间相机的波段范围、用户要求的目标最大反射率，使用MODTRAN大气辐射传输工具得到空间相机对目标最大反射率对应的地物成像时，不同太阳天顶角对应的相机入瞳辐亮度，并通过曲线拟合建立太阳天顶角与相机入瞳辐亮度之间的函数关系；

步骤二、空间相机在轨摄影时，相机控制器通过航天器总线接收航天器的当前位置和时间，计算星下点的经度和纬度；

步骤三、相机控制器根据步骤二获得的当前时间和星下点的经度与纬度计算当前星下点处的太阳天顶角；

步骤四、相机控制器根据步骤一获得的太阳天顶角与相机入瞳辐亮度之间的函数关系，以及步骤三获得的当前星下点处的太阳天顶角，得到当前对目标最大反射率对应的地物成像时的相机入瞳辐亮度L_c；

步骤五、相机控制器根据步骤四获得的相机入瞳辐亮度L_c，计算当前的增益倍数G_c；

具体计算过程为：设定发射前实验室辐射定标时，在用户要求的最大辐亮度L_max下图像饱和时对应的相机增益倍数为G_max，空间相机设置的最小和最大增益倍数分别为G_DOWN和G_UP，则当前的增益倍数G_c的计算公式为：

$G_c=\left\{\begin{array}{cc}{G}_{\mathrm{UP}}& \frac{G_{\max }\&CenterDot;L_{\max }}{L_c}>G_{\mathrm{UP}}\\ \frac{G_{\max }\&CenterDot;L_{\max }}{L_c}& G_{\mathrm{DOWN}}\&le;\frac{G_{\max }\&CenterDot;L_{\max }}{L_c}\&le;G_{\mathrm{UP}}\\ G_{\mathrm{DOWN}}& \frac{G_{\max }\&CenterDot;L_{\max }}{L_c}<G_{\mathrm{DOWN}}\end{array}\right.;$

步骤六、相机控制器将步骤五获得当前的增益倍数G_c转换为对应的码值后，通过内部总线将所述码值发送至视频处理器，对空间相机的增益进行调整；返回至步骤二，实现对空间相机增益的实时调整。

2.根据权利要求1所述的空间相机增益自动实时调整方法，其特征在于，步骤一所述的通过曲线拟合建立太阳天顶角与相机入瞳辐亮度之间的函数关系；具体采用的拟合的函数模型为：

L＝a₁·sin(b₁·θ+c₁)+a₂·sin(b₂·θ+c₂)+a₃·sin(b₃·θ+c₃)

其中θ为太阳天顶角，L为相机入瞳辐亮度，a₁、b₁、c₁、a₂、b₂、c₂、a₃、b₃和c₃为通过拟合得到的参数。

3.根据权利要求1所述的空间相机增益自动实时调整方法，其特征在于，步骤三所述的当前星下点处的太阳天顶角的范围为大于等0°小于等于100°。

4.根据权利要求1所述的空间相机增益自动实时调整方法，其特征在于，在步骤四中计算相机入瞳辐亮度L_c时，当太阳天顶角大于90°时，取太阳天顶角为90°时的值。