CN103782224A - 星载成像系统瞄准线的稳定化 - Google Patents

Abstract

一种用于稳定卫星(100)载成像系统瞄准线(LS)的方法，其利用图像传感器(20)内选择的窗口。瞄准线的变化能以高于传感器图像采集的按序方式的频率进行描述。该稳定化方法可以利用成像系统在图像全帧采集的同时实施。

Description

星载成像系统瞄准线的稳定化

本发明涉及一种稳定星载成像系统瞄准线的方法。本发明还涉及一种适用于实现这种稳定化的成像系统。

应用通过卫星连续捕获的图像来检测图像瞄准线的变化是公知的，而且可以通过修正瞄准线来补偿变化。

当瞄准线相对卫星固定时，改变整个卫星的方向，可以补偿瞄准线的变化，从而可以用来稳定卫星的姿态，即相对外部标记物的角定位。特别是，这些标记物可以成像在捕捉到的图像中。

星载成像系统瞄准线稳定化的另一应用在于降低捕捉到的图像的模糊度。这种模糊是由瞄准线不必要的变化引起的，发生于图像传感器的光电探测器曝光之时。这些不必要的变化可能是由卫星的可移动元件产生的振动导致的，例如姿态控制驱动器，或滤光轮，或者甚至是液相燃料。

一般而言，当在瞄准线新变化发生和该变化的特征结果被获得之间时等待时间缩短，此时，成像系统瞄准线稳定化的效能增加。当等待时间很短时，能够有效地控制卫星的姿态控制系统，或运动成像系统支持件，或指向系统，以便至少部分补偿被侦测到并被描绘出的瞄准线的变化。也就是说，这样能够有效地稳定瞄准线并且提供有关其不必要变化的高反应能力。

瞄准线稳定化方法的另一个主要目标在于制造这种基于充分高频的特性描述的瞄准线方向的连续特性。

星载成像系统的瞄准线稳定化方法的另一个目标在于使这种稳定化具有高精确度。特别是，有必要描绘出瞄准线的变化，其精确度高于利用陀螺仪或星敏感器所获得的精确度。

最后，本发明的另一目标在于获得提高的瞄准线稳定化，其不需要额外沉重的、笨重的或是昂贵的星载设备。也就是说，本发明力图通过尽量改小已安装在卫星上的星载仪器来提高瞄准线的稳定性。

为了实现这些目标以及其它目标，本发明为星载成像系统提供了一种瞄准线稳定化的新方法，这种成像系统总是包括：

-望远镜，其布置用于根据成像系统的瞄准线将场景图像成像在焦面上；以及

-至少一个矩阵图像传感器，其布置在焦面内并适用于以按序方式捕捉连续图像，其中传感器的多个光电探测器在针对接收到的辐射的检测信号的积累阶段中相继单独被控制，之后是积累信号的读取阶段，基于以连续循环方式重复扫描光电子探测器的顺序，光电探测器的每次重复扫描都与新捕捉的图像相一致，而且其中任一光电探测器的读取阶段都是与其它光电探测器的积累阶段同时执行的。

也就是说，用于本发明方法的图像传感器适用于以所谓的“滚动快门”模式采集图像，与所谓的全局或“快照”模式形成对照，在该模式中，检测信号的积累阶段对于捕获相同图像的所有光电探测器来说都是同步的。

在本发明的方法中，对于多个窗口来说，各个窗口都是由传感器内的相邻光电探测器的不同子集组成，各个窗口都比传感器的总使用表面小，在光电探测器的一次重复扫描期间将由其中一个窗口捕获的图像部分与相同窗口的参考图像内容作比较。以便，可以在光电探测器的重复扫描和参考扫描之间描绘出瞄准线的变化，而且每当重复进行光电探测器的扫描时，各个窗口分别得到瞄准线变化的新特性描述。然后至少部分成像系统的方向被改变以便修正瞄准线，从而至少部分补偿已描绘出的瞄准线的变化。

这样，本发明的稳定化方法利用以“滚动快门”模式运行的图像传感器，所以每当准备用作成像功能，特别是高分辨率成像功能时，不用特别增加这种传感器来稳定瞄准线。

由于传感器中利用窗口来捕获缩小图像部分，各个窗口的总读取时间比利用所有传感器的光电探测器捕获一个完整图像所需时间短。当窗口比用于成像功能的传感器的总面积更小时，读取时间还可以比后者更短。在每次滚动快门模式扫描中各个窗口捕获的图像部分与在前次扫描中捕获的图像部分做比较，但是多个不同窗口的使用可以通过滚动快门模式的扫描频率乘以窗口的数量来获取图像数量的比较。因此，瞄准线变化特点描述的频率比传感器完整图像采集的频率更高，而且可能还会提高。

此外，由于窗口尺寸缩小，他们可以通过对于各个窗口来说都很短的总读取时间来读取。特别是当相同窗口的光电探测器被连续读取，也就是说一个接一个读取时更是如此。对应的图像部分构成了简化数据量，其对比的操作和关联图像内容的操作也可以快速实现。也就是说，瞄准线新变化的发生与其特点描述的结果的获取之间的等待时间可以很短或者非常短。这样，瞄准线的稳定化可以有高度响应能力。

此外，瞄准线的变化的特点是使用相同的用于成像功能的图像传感器，可以有非常高的分辨率。这样，对瞄准线变化的描绘具有高敏感性和精确性。

本发明方法的优点也起因于下述事实，即瞄准线的特性描述可以在利用传感器捕捉全像时执行，而不中断或打断该成像功能。

最后，本发明方法不需要额外组件或对成像功能已经配备的组件进行任何后续更改。

在本发明的各种实施例中，可能单独或彼此结合着利用以下改进措施：

-相同的参考图像内容可以为从同一窗口获得的瞄准线变化的多个连续特性描述重复利用，以便这些特性描述可以使用同一个参考方向；

-或者，对于瞄准线变化每次新的特性描述，针对各个窗口所使用的参考图像内容可以是在相同窗口中光电探测器的反复扫描过程中捕捉的图像部分，与瞄准线的新特性描述之前的图像描述相对应。也就是说，产生于之前特性描述的瞄准线的方向构成了新特性描述的参考方向；

-用于在光电探测器的两个重复扫描之间进行图像部分比较的窗口可能在传感器内是非邻近的；

-用于在光电探测器的两个重复扫描之间进行图像部分比较的窗口可能相当于传感器内同一模板的不同位置。之后，窗口通过随着光电探测器对各个采集到的图像进行的扫描由传感器内模板的连续转换来确定；

-根据所捕获的并且与所述特性描述参考图像内容相比较的图像部分的内容或质量，瞄准线变化的每次特性描述的结果可以被加权，选择或拒绝；

-之后，不同窗口或光电探测器不同重复扫描所连续捕获的瞄准线变化特性描述的多个结果可以相对于那些结果的变化率进行过滤；

-瞄准线的平均变化可以通过为不同窗口或为光电探测器扫描的不同重复扫描而获取的瞄准线特性描述的多个结果计算得出；

-可能存在于瞄准线变化连续特性描述结果中的固定误差可以被消除，比如通过使用傅立叶级数分解法。出于该目的，本发明的方法还可以包括以下步骤：

以分别与瞄准线变化率相关联的周期变化的分量和的形式，为瞄准线变化的连续特性描述的结果计算傅立叶级数分解；

对这些带有周期性变化分量的一些振幅进行修正，以减少约为光电探测器扫描频率倍数的有限间隔内的所述振幅的变化；然后

根据具有周期变化的分量，利用约为光电探测器扫描频率倍数的有限间隔内修正的振幅，计算傅立叶级数重排，所述傅立叶级数重排为瞄准线变化的连续特性描述提供修正的结果；

-光电探测器为捕获连续图像的重复扫描可在最初以第一时间段的第一频率执行，然后在第二时间段以不同于第一频率的第二频率执行。选择第一和第二频率，这样影响到在各个瞄准线变化的阶段获取的结果的混淆现象都不同。在这种情况下，当为各个时间段实施的按序方式使用相同数目的光电探测器时，在第一和第二时间段的其中一个时间段期间的光电探测器扫描可能比在所述时间段中的另一个时间段期间的扫描慢。或者，以最高频率时执行的扫描可能局限于图像传感器光电探测器的第一数目，其小于在较低频率时执行的扫描所用的图像传感器光电探测器的第二数目；而且

-多个矩阵图像传感器可能被布置在焦面内来同时捕捉之后为各个图像传感器分别实施按序方式中的各自图像。在这种情况下，可以方便地以第一频率为那些图像传感器中的第一个传感器以及以第二频率为它们中的第二个传感器重复光电探测器在按序方式下的扫描，其中第一和第二频率是不同的并且被选定，这样第一频率的倍数不会与第二频率的倍数相一致。

根据本发明的一个优选实施例，可以为图像传感器光电探测器提供多个读取通道来同时且并行运行。这样，扫描线变化特性的频率可以进一步增大。为达到这个目的，图像传感器可能至少包含两个分开控制和读取电路，分别专用于传感器的互补部分，各自都是由邻近光电探测器的一个子集构成，通过这种方式，通过传感器的所述部分，利用传感器所述部分内分别且同时实施的按序方式来分别获取图像部分。至少窗口其中之一被界定在传感器的各部分中，而且在传感器各部分之内的各个窗口中捕获的图像部分在传感器所述部分的光电探测器的两次不同重复扫描之间进行比较。

瞄准线变化特性的频率也可以通过平行使用多个图像传感器得到提高。为达到这个目的，多个独立的图像传感器被安置在焦面中，以便以分别针对各传感器实施的按序方式同时采集其各自的图像。在各传感器内的窗口中捕捉图像部分，然后在所述传感器的光电探测器的两次不同重复扫描之间对捕捉的图像部分进行比较，其中所有传感器同步进行。

对于本发明的第一应用，包括减少图像模糊度，成像系统至少一部分的方向可以通过改变有关卫星主体构造的成像系统的可移动支持件的方向来改变。或者，通过改变一个被设置为调整有关图像传感器的瞄准线的可变指向设备的方向可以等效改变。

对于本发明的第二应用，包括卫星姿态稳定化，成像系统的方向可以通过改变卫星的姿态并且保持瞄准线相对于卫星固定而改变。

本发明也提出了一个成像系统，计划安装在卫星上并且用于稳定该成像系统的瞄准线，包括：

-望远镜，其布置用于根据成像系统的瞄准线将场景图像成像在焦面上；

-至少一个矩阵图像传感器，其布置在焦面上并且适用于以按序方式捕捉连续图像；以及

-图像比较装置，适用于选择多个窗口，各个窗口包括传感器内邻近光电探测器的一个不同子集，各个窗口比传感器的总使用表面小，而且适用于将在光电探测器的一次重复扫描期间在一个窗口中捕捉的图像部分与相同窗口的一个参考图像内容作比较，以便描绘出在光电探测器的重复扫描与参考扫描之间的瞄准线的变化，得出在每次光电探测器的重复扫描时各个窗口各自获取的瞄准线变化的新特性描述；以及

-控制器，其适用于控制至少部分成像系统的方向变化，以便修正瞄准线以补偿，至少部分补偿该变化。

这种系统适用于实施如上所述的稳定化方法。

根据本发明的应用，控制器可以被不住用于控制至少一件可移动设备在方向、位移或操作上的变化来补偿，至少部分补偿瞄准线的变化。该设备可以是适用于改变成像系统方向的成像系统的可移动支持件，或是被布置用来修正有关图像传感器瞄准线的成像系统的可变指向设备，或是控制卫星姿态和轨道的系统。很可能，这些移动设备元件中有多个可以被控制器结合控制。

本发明的其它特点和优点会在非限定实施例的下列描述中体现，并参考所附图示，其中：

-图1为卫星的示意图，该卫星配备有一个观察望远镜，本发明可应用到该观察望远镜上；

-图2a和图2b分别代表以按序方式运行并且可以用来实施本发明的两个图像传感；

-图3a为一个时序图，阐明了一个与本发明相符且用于描述瞄准线变化特性的方法的顺序；

-图3b相当于图3a，是描述瞄准线变化特性的变形方法；以及

-图4a到4e阐明了本发明的改进以消除描述瞄准线特性中出现的固定误差。

为了清楚明晰，在这些图中展示的元件的尺寸不符合实际尺寸或者实际尺寸的比率。另外，在不同图示中显示的相同参考号指相同元件或具有相同功能的元件。在图3a和图3b中，小空心圆圈表示图像内容相关或比较的运作，产生描述瞄准线变化特性的结果。

图1象征性地示出卫星100，可以是一个地球同步卫星或是一个围绕地球的低轨道卫星。它配备有一个望远镜10，其瞄准线用LS表示。为了说明，望远镜10可以有一个双镜面结构：一个主镜11和一个副镜12。附图标记13和14分别指一个反光镜和望远镜10的光入口。望远镜10在图像传感器20所安置的焦面上形成部分地球表面的图像。图像传感器20相对望远镜10固定。

本发明的目的包括有效地使瞄准线LS稳定化以消除或减少该瞄准线不必要的变化。这种改变可能通过卫星100自身引起的变化而引起，比如通过位于卫星100高度处的剩余地球大气，或者通过卫星上装载的可移动元件。

当涉及到为成像目的而将瞄准线LS稳定化时，例如，如果望远镜通过可指向的可移动支持件(未显示)安装在结构上，它适于修正有关卫星100的原理结构的望远镜10的方向。或者，望远镜的至少一个可变指向系统，可以是一个精密瞄准系统，一个普通瞄准系统，或者一个二者的结合体，可以被用来调整有关图像传感器20的瞄准线LS。这种瞄准系统的结构和操作已被熟练的从业者熟知，所以在此没有必要赘述。

最后，望远镜10能被牢牢地固定到卫星100上而且瞄准线LS通过直接调整卫星自身姿态而指向地球表面的观察区域。在这种情况下，通过直接控制卫星100的姿态操作和轨道控制系统，简称AOCS，实现瞄准线LS的稳定化。附图标记101指该AOCS系统的一个符号表征。

参照图2a，图像传感器20包括光电探测器21的一个矩阵，按行和列排列。例如，该图像传感器可能沿其行和列的两个方向上包含两千个光电探测器21，两个方向分别用DL和DC表示。传感器20适用于相继连续捕捉或“滚动”模式的图像。利用这种特殊的图像采集模式，所有光电探测器21或其中精选的一些根据扫描光电探测器的固定顺序轮流被读取，而且每次新扫描与新捕捉的图像相符合。光电探测器21其中之一的每次读取对于光电探测器的曝光时间都是连续的，在此期间，积累电信号，所述电信号与光电探测器在曝光期间接收的光强度成正比。可以为成像目的执行这种行为，特别是为高清晰度的观察。例如，与光电探测器21的扫描重复频率相等的图像捕采集可以达到0.1Hz(赫兹)。当扫描穿过传感器20的所有光电探测器21时，获得的图像随后被称为“全帧图像”或“全帧图像采集模式”。

图1中的附图标记102指的是一个用于处理采集到的图像的装置。其输入端与图像传感器20的数据输出端连接而且其输出端与控制器103连接，该控制器适用于控制可移动设备的运行，该可移动设备用于修正瞄准线LS的方向。

根据已知方法，光电探测器21的扫描顺序可以根据各个光电探测器在矩阵20中的位置随机进行。本发明适合任何扫描顺序，但是为了简化说明，图2a和图2b表示通过沿着方向DL的每条线，然后通过转到方向DC上的下一条线，在矩阵20中逐步执行的一次或多次扫描。一旦最后一条线的最后一个光电探测器21已经被读取，扫描就会在第一条线的第一个探测器处不间断地，循环地，重新开始。

为实施本发明，多个窗口被定义在矩阵20中，各个窗口由邻近的光电探测器21组成。优选的，相同窗口的光电探测器21可以在按序方式扫描期间被连续读取，一个接一个，以尽可能减少读取窗口所需的总时间。另外，由于图像采集的按序方式而引起的各个窗口内的图像失真也可以通过这种连续读取而最小化。同一组窗口被用于扫描的每次重复。

窗口的定义或计算可能通过处理器102来执行，同样还有比较或关联在不同按序方式扫描期间获取的图像内容。

所使用的窗口可以通过多种方式来定义。比如，固定窗口可以通过在传感器20矩阵中的光电探测器21的坐标来识别。在这种情况下，它们可以被分开而且有规律地分布在整个传感器20的使用表面上。或者，各个窗口可以产生于一个固定尺寸窗口模板，但是却在扫描期间被移进传感器20的矩阵中。当在按序方式中为捕捉图像穿越光电探测器21的顺序固定时，这种定义窗口的方式是很有优势的。各个窗口可以是矩阵中的矩形或正方形并且其数目比图像传感器20中的光电探测器的总数少或者少得多。例如，各个窗口可以具有100x100个光电探测器，所以一个窗口的总读取时间可以比整个矩阵的读取时间短400倍。在图2a中，固定有四个窗口，其附图标记为22a到22d。

在以按序方式获取第一个全帧图像的过程中，在各个窗口内的图像的内容被储存。之后，在一个新图像的每次随后的捕捉中，各个窗口的图像内容与相同窗口采集的第一个图像的内容做比较。这种比较可以通过利用图像关联的其中一种已知方法来实施。这种方法可以涉及更新彼此之间相对的图像内容来获取图像内容之间比使用的图像传感器中的光电探测器的间距更加精细的尺寸的关联。瞄准线LS的变化通过这种方式被确定，其基于在循序图像捕捉模式中的第一次扫描和每次新扫描之间各个窗口图像内容的变化。也就是说，用于第一次图像捕捉的窗口再一次被用于之后的图像中以便在该窗口两次扫描操作之间的图像内容的位置变化可以被用来测量瞄准线LS的变化。从而，获得描述瞄准线LS变化特性的新结果的频率等于按序方式下的扫描重复频率乘以使用的窗口数量。

图3a象征性得阐明了根据本发明实施方法的完整循序。Y轴标识了传感器20的所有光电探测器21，显示窗口22a-22d。X轴标识时间，用t表示，在该轴上显示的各个整数值对应于循序图像捕捉模式中的所有光电探测器21的一次附加扫描。从而，与四个相继获得的全帧图像相对应的扫描被显示出，而且△tf为各个全帧扫描的持续时间。对于各个光电探测器21，积累阶段的持续时间为Δti而且读取阶段持续时间为Δtr。当各个窗口的光电探测器21被相继读取时，窗口22a-22d的各自读取时间分别为Δta，...，Δtd，且Δta=Na xΔtr，其中Na是窗口22a内的光电探测器21的数量，对其它窗口22b-22d也是如此。对传感器20矩阵的第一次扫描来说，在时间段Δta的最后得到了窗口22a的一个用Ra表示的参考图像内容。同样地，在同一扫描期间，在时间段△tb的最后得到了窗口22b的一个用Rb表示的参考图像内容。对其它窗口22c和22d也是如此。对于传感器20矩阵的第二次扫描来说，在第二个完整图像的采集时间之内的一个新时间段Δta的最后得到了窗口22a的一个用Ma表示的测量图像内容。同样地，在第二次扫描期间，也分别得到了窗口22a-22d的测量图像内容Mb-Md。当得到测量图像内容Ma时，将它与参考图像内容Ra作比较以得到瞄准线LS变化特性描述的第一结果C1。Δtx是为了从两个图像内容Ra和Ma中获取结果C1所需的处理周期。同样地，在传感器20矩阵的第二次扫描期间也得到了窗口22b-22d中各个窗口的瞄准线LS变化的特性描述的结果C2-C4，以及，连续结果C5，...，C12，...的收集在随后的扫描期间同样继续进行。对于如图3a的下部所示方法来说，在从那些扫描中的第二次扫描开始的传感器20的矩阵的每次扫描期间获取的图像内容Ma与第一次扫描期间获取的相同参考图像内容Ra作比较。同样，参考图像Rb-Rd的内容在每次随后的扫描之中以相同的方法用来与相对应窗口22b-22d的测量图像Mb-Md的内容做比较。因此，参考图像Ra-Rd的每部分的瞄准线的方向被用作随后分别为各个窗口22a-22d描述的变化的参考方向。

根据传感器20捕获的第二个全帧图像，获取瞄准线LS变化的特性描述结果的平均频率是利用矩阵20的所有探测器进行的图像采集的频率，乘以使用的窗口数量N，即N×1／△tf。因此，本发明可被用来描述瞄准线LS瞬间方向，利用刷新频次，该频次的数量级至少大于10个以上窗口使用时的观察图像捕获频率。

从瞄准线方向上的实际变化中获取瞄准线LS变化的新结果所需的最小周期为窗口22a的△ta+△tx，对于其它窗口22b-22d，表达式也相似。各个窗口的这个周期目前被称为潜伏期。其远远小于来自根据全帧图像的瞄准线特性描述的潜伏期。在后一种情况中，即在使用本发明时，潜伏期等于△tf与相关的两个全帧图像所需处理周期的和。典型地，本发明在描述瞄准线变化特性时可以用来减少大于两个数量级的潜伏期。

在本发明最初的改进中，至少有一些瞄准线LS变化特性描述的结果可以从一系列连续获取的所有结果C1，C2，...当中加权，选择或拒绝。例如，为一个其测量图像内容相对较低的窗口获得的结果可以与一个低可靠性系数值甚至是该系数的一个零值相关联，与拒绝该结果相对应。当窗口的图像内容是地球表面上多云覆盖区域或者是一个海域时这就会发生。可靠性系数的一个较低值也可以被分配给相同窗口产生的所有结果，该窗口的参考图像内容在第一个图像捕获期间具有低反差或较差的图像质量。

在本发明的第二种改进中，瞄准线LS变化的连续获取的一些列结果C1，C2，...可以通过不同方式处理。例如，它可以被分配给结果的连续子集合，各个集合包含固定数量的其自身连续获得的结果。然后，瞄准线LS变化的结果的平均值可以为各个子集合进行计算，可能通过使用可靠性系数的值，这些值已经根据本发明的第一次改进而确定。当各个子集合中的初级结果的数量等于传感器20矩阵中使用的窗口的数量，各个平均结果都符合与在按序方式中捕获的新全帧图像相关联的瞄准线LS的一次变化。或者，提供给瞄准线LS变化的初级结果C1，C2，...可以为所有窗口和扫描重复连续过滤。例如，这种过滤可包括获取初级结果的固定数目移动平均值，伴随着所有已经连续获取的初级结果的有序数列的逐步变化。这种过滤属于低通类型，与结果C1，C2，...的变化率有关。过滤的其它形式可以交替实施，具有不同的过滤特点。

现在描述的本发明的第三种改进可以被用来消除所获取的瞄准线LS变化的连续结果C1，C2，…中可能发生的固定误差。这种固定误差可能发生，因用于利用不同窗口进行特性描述的瞄准线LS的参考方向自身是不同的。这一困难起因于一个事实，即明显的参考瞬间被用于为各个窗口建立瞄准线LS的参考方向，而且瞄准线LS可能在那些瞬间之间变化。但是这种类影响一系列结果C1，C2，...的误差显示出一段时期，该时期等于图像采集按序方式中传感器20矩阵的重复扫描的时期。那么，就可能通过多种方式来消除或者减弱该误差，主要通过使用威那或卡尔曼滤波器，或者通过在所获取的瞄准线LS变化的初级结果的顺序上使用傅立叶序列分解法。现在根据图4a到4e对后者方法的原理的非限定性解释进行描述。它包括消除傅立叶分量，其时间频率是光电探测器21重复扫描的倍数，或通过平滑化将那些分量的振幅调整到平均当地水平。

在图4a，4b和4e的图表中，X轴代表时间t，如图3a，通过表示出所获取全帧图像的数量。我们假定使用的窗口数量N对于连续出现的图表的曲线足够大。

图4a的图表按照图示表示瞄准线LS实际变化的一个例子，用沿Y轴的△LS_实际来表示。这些变化在图4a-4e中的单坐标中简单地形象化地表示出来，可以理解为他们实际上相当于两个单独的角坐标。

图4a中用Ref表示的框架相当于第一个图像的获取，其窗口内部的图像内容之后被用作参考图像内容。

图4b的图表中用实线表示的曲线通过图3a方法的顺序与所获取的瞄准线LS变化的结果C1，C2，...连接。这些在Y轴上用△LS_直接测量表示的结果直接从后一次扫描中获取的各个测量图像内容与第一个Ref图像采集扫描过程中获取的相对应参考图像内容之间的比较中得出。瞄准线LS在第一次Ref扫描期间的实际位移从而作为扫描线特性描述所有连续结果中的固定误差以相反的形式出现。该固定误差的时间周期等于探测器20全帧扫描的时间△tf。图4b中的图表中以虚线表示的曲线取自图4a，因为它构成了瞄准线经计算的变化的基础，系统误差叠加到该误差上。

图4c中的图表表示为瞄准线LS计算的变化的傅立叶分解法的分量的振幅A_{直接傅里叶}，如图4b中的连续实曲线所示。因此，图表中的X轴是一个时间频率，确定为按序方式中扫描频率1／△tf的倍数。其频率位于零频率附近的分量与按序方式的连续扫描期间瞄准线LS的实际变化相符合。但是其频率为1／△tf倍数的分量与瞄准线变化的重复使用相符合，该重复使用发生在第一Ref图像的捕获扫描期间，由参考图像内容的连续重复使用引起，为达到与测量图像的内容相关联。

其振幅为傅立叶分量的曲线之后被平滑化，如图4d中的图表所示。平滑化被限制在围绕1／△tf连续倍数扩展的频率间隔之内，而且之后被修改的傅立叶分量的振幅在轴上重复，用A_{修正傅里叶}表示。这里围绕各个1／△tf每个倍数的间隔，我们指的是，例如，在1／△tf倍数的两侧延伸到至少0.2／△tf，或小于0.1／△tf的间隔。

之后我们从傅立叶分量的平滑的振幅中计算一相反傅立叶分解法或重排法。图4e中的图标阐示了用△LS_修正表示的该重排的结果：由于在第一Ref图像的采集扫描过程中瞄准线的位移，测量到的已经被过滤的瞄准线的变化无误差地复制图4a的实际变化。

第四种改进被用来探测瞄准线LS实际变化的分量，其频率是在图像采集期间按序方式扫描的频率的倍数。大体上，这些分量不能利用受限于按序方式扫描重复频率的抽样来探测。为了克服这个限制，我们特意改变了两个系列连续图像之间按序方式的扫描重复频率。例如，在第一成像周期内，以全帧运行的图像传感器20所允许的最大频率实施按序方式图像采集，与光电探测器的使用相一致。然后通过将全帧扫描的持续时间提高到高于△tf的值，在第二成像周期内执行图像采集。这样，无法被探测到的瞄准线变化的频率在两个成像周期内不同。如果具有瞄准线周期变化的分量延长，至少部分延长，超过两个成像周期，那么必须在两个成像周期中的至少一个周期过程中进行检测。一个全帧扫描的持续时间可以增加，例如通过有意将延误引入到扫描时为光电探测器执行的积累和读取阶段的序列中，无需修改所用的光电探测器的数量。或者，按序方式扫描的有效持续时间可以通过减少在扫描时所用的光电探测器的数目并且同时维持读取光电探测其所需的恒定速率而减少。例如，光电探测器减少的数量被用于在第二成像周期所获取的图像，这样第二成像周期的按序方式扫描的频率比第一成像周期所用的频率高。特别是，第二成像周期所用的光电探测器可以被限制到图像传感器20的特殊列数，从该传感器的边缘开始逐步计算。这样，在第二成像周期使用的窗口也被发现存在于该组列中。精确地说，该第四种改进包括修改按序方式扫描频率，以便由瞄准线变化测量取样引起的混淆现象对于两个成像周期都不同。

当多个不同的成像传感器被用于焦面中时，例如，为了同时并分别捕捉包含在视界不同部分中的场景元素的图像，本发明的第四种改进也可以通过修改至少某些传感器之间的读取频率来实施。用这种方法，瞄准线变化的频率无法被检测到，因为他们与按序方式中的扫描重复频率的倍数一致，不同于各传感器。也就是说，图像传感器20其中一个补充了另一个传感器的光谱缺陷，以此通过连接各个传感器在其中都有效的光谱间隔，为瞄准线变化重新建立整组可能频率值。例如，按序方式中的扫描重复频率起初对所有图像传感器20都可以为5Hz(赫兹)，但是对于传感器中的一个，可以在每次光电探测器的完整扫描之后引入50ms(毫秒)的暂停。对于该传感器来说，按序方式下明显扫描重复频率变成4Hz，然而对于其它传感器来说仍然等于5Hz。

可选的，在刚刚描述的本发明的第四种改进中，其频率是图像采集按序方式的扫描频率的倍数的瞄准线LS变化的分量可以通过不同于成像系统的方式来确定。例如，这些分量的振幅可以通过利用卫星100的惯性传感器比如陀螺仪或者恒星传感器测出的检测值来确定。这种补充式的测量值的结果可以同那些根据本发明利用成像系统获取的结果相结合。

在图3a表示的方法的顺序中，在第一Ref扫描期间获取的相同图像内容可以在每次之后的扫描期间重复利用来比较连续读取的测量图像的内容与各个窗口的第一次扫描产生的参考图像的内容。图3b相当于针对图3a下部的本发明一个变形实施例，而且使用了相同的符号。根据图3b的变体，在按序方式下的每次新扫描重复期间，各个窗口的图像内容被比作前述扫描重复期间相同窗口获取的图像内容。也就是说，当描述下一次扫描中产生的瞄准线特性时，在其中一个窗口进行的按序方式图像采集过程中读取的各个图像内容用作该相同窗口的参考图像内容。

图2b与本发明另一个不同的实施例图2a相对应。根据该变体，图像传感器20配置有多个，例如两个光电探测器控制和读取电路，分别专用于传感器20的互补部分。因此，传感器20使用表面的上半部20a的光电探测器被第一电路(未显示)控制并读取，而且使用表面的下半部20b的那些光电探测器被第二电路(也未显示)控制并读取，与第一电路分开。多个与相同光电探测器矩阵结合的控制和读取电路的并行使用已被熟练从业者熟知。然后，按序方式图像采集功能可以在传感器的每半部分20a，20b并行和同时执行，这样一个全帧图像的总采集时间缩短一半。本发明方法可以通过在各个当中使用至少一个窗口而在传感器的每半个部分20a，20b内执行。从而，窗口22a-22c坐落在图像传感器20的半部20a中而传感器22d-22f坐落在相同传感器的半部20b中。本发明的该变体使瞄准线LS变化可测量的最大频率增加一倍。

根据本发明的另一个变体实施例，其目的也是为了增加瞄准线变化可测量的最大频率，图像传感器20可以替换为位于望远镜10焦面内的多个独立传感器。通过多个独立传感器，我们是指示于图2a并且具有各自且独立的光电探测器矩阵的矩阵传感器。从不同传感器采集的图像中获取的瞄准线变化特性描述的结果按时间序列聚集到一起排成一个独特的序列，可以做如上处理。

对于配有与相同传感器和与布置在焦面内的多个独立传感器相联系的多个控制和读取电路的两种变体来说，优选地从各个传感器部分或各个传感器内部选择窗口，以便它们全部都在不同时间被读取。通过这种方式，根据所选择的窗口的组群所进行的瞄准线变化特性的描述可以得到更大的精确性。另外，这两种变体可以同上述的四种改进之一或者四种中的多个相结合。特别是，图3b所阐释的变体实施例可能呈现影响瞄准线变化连续特性描述的固定误差，类似于图3a的实施例中所发现的。这样可以通过使用上述第三种改进以相同的方式消除该误差。

Claims (22)

1.稳定卫星(100)载成像系统瞄准线(LS)的方法，所述成像系统包括：

-望远镜(10)，其被设置成用于根据所述成像系统的瞄准线将场景图像成像在焦面上；以及

-至少一个矩阵图像传感器(20)，其布置在所述焦面内并适用于以按序方式捕捉连续图像，其中所述传感器的多个光电探测器(21)在针对接收到的辐射的检测信号的积累阶段中相继单独被控制，之后是积累信号的读取阶段，基于以连续循环方式重复扫描光电子探测器的顺序，光电探测器的每次重复扫描都与新捕捉的图像相一致，而且其中任一光电探测器的读取阶段都是与其它光电探测器的积累阶段同时执行的；

其特征在于，对于多个窗口(22a-22d)来说，各个窗口是由传感器内邻近光电探测器的一个不同子集组成的，各个窗口比所述传感器的总使用表面小，在所述光电探测器的一次重复扫描期间将由其中一个窗口捕获的图像部分(Ma-Md)与相同窗口的参考图像(Ra-Rd)内容作比较，以便描绘出所述瞄准线在所述光电探测器的所述重复扫描和参考扫描之间的变化，而且在所述光电探测器的每次重复扫描中，分别得到针对各个窗口瞄准线变化的新特性描述；

并且其中，至少部分成像系统的方向被改变以修正瞄准线，以便至少部分补偿所述瞄准线的变化。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，同一参考图像(Ra-Rd)内容重复用于所述窗口其中之一获得的瞄准线变化(LS)的多个连续特性描述，以便所述瞄准线变化的特性描述使用一个相同的参考方向。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于瞄准线变化(LS)每次新的特性描述，针对各个窗口(22a-22d)所采用的参考图像内容是在光电探测器(21)重复扫描期间在相同窗口采集的图像部分，与所述新的特性描述之前的瞄准线特性描述相一致，以便由先前的特性描述产生的瞄准线的方向构成新特性描述的参考方向。

4.根据上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，用于在所述光电探测器(21)两次重复扫描之间进行图像部分比较的窗口(22a-22d)在传感器(20)内是分开的。

5.根据上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，用于在所述光电探测器(21)两次重复扫描之间进行图像部分比较的窗口(22a-22d)相当于所述传感器(20)内同一模板的不同位置，且其中窗口通过随着所述光电探测器对各个捕获图像进行的扫描由传感器内模板的连续转换来确定。

6.根据上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述图像传感器(20)包括至少两个分开控制和读取电路，分别专用于所述传感器的互补部分(20a，20b)，各自由邻近光电探测器(21)的子集构成，通过这种方式，利用传感器所述部分内分别且同时实施的按序方式，通过传感器的所述部分来分别获取图像部分，

至少所述窗口(20a-20f)的其中之一被界定在传感器的各个部分中，

并且其中，在所述传感器各部分中的各个窗口中捕获的图像部分在传感器所述部分的光电探测器的两次不同重复扫描之间进行比较。

7.根据上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，多个独立的图像传感器被安置在焦面中，以便以分别针对各传感器实施的按序方式同时采集其各自的图像，

而且，其中在各传感器内的窗口中捕捉到的图像部分在所述传感器的光电探测器的两次不同重复扫描之间进行比较，其中所述多个传感器同步进行。

8.根据上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述瞄准线(LS)变化的每次特性描述的结果根据所捕获的并且与所述特性描述参考图像内容相比较的图像部分的内容或质量被加权，选择或拒绝。

9.根据上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，不同窗口(22a-22d)或光电探测器(21)不同重复扫描所连续捕获的瞄准线(LS)变化特性描述的多个结果之后相对于所述结果的变化率进行过滤。

10.根据上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，瞄准线(LS)的平均变化根据不同窗口(22a-22d)或所述光电探测器(21)不同重复扫描所捕获的瞄准线变化特性描述的多个结果计算得出。

11.根据上述任一项权利要求所述的方法，还包括以下步骤：

-为瞄准线(LS)变化的连续特性描述的结果计算傅立叶级数分解，以分别与瞄准线变化率相关联的周期变化的分量和的形式；

-对周期性变化分量的某些振幅实施修正，以减少约为光电探测器(21)扫描频率倍数的有限间隔内的所述振幅的变化；然后

-根据具有周期变化的分量，利用约为光电探测器扫描频率倍数的有限间隔内修正的振幅，计算傅立叶级数重排，所述傅立叶级数重排为瞄准线变化的连续特性描述提供修正的结果。

12.根据上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，为获取连续图像的光电探测器(21)的重复扫描起初以第一频率持续第一段时间，然后以不同于第一频率的第二频率持续第二段时间，选择第一和第二频率，以便影响各时间段期间为瞄准线变化(LS)获取的结果的混淆失真不同。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，为所述时间段的各个时间段期间实施的按序方式使用相等数量的光电探测器时，在第一和第二时间段中的一个时间段期间的光电探测器(21)扫描比在所述时间段中的另一个时间段慢。

14.根据权利要求12所述的方法，其中以最高频率执行的扫描受限于图像传感器(20)光电探测器(21)的第一数目，小于用于在最低频率执行扫描的所述图像传感器的光电探测器的第二数目。

15.根据上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，多个矩阵图像传感器被安置在焦面内以同时获取为各图像传感器分别实施按序方式中的各自图像，

且其中，对所述图像传感器中的第一个来说，按序方式下光电探测器的扫描以第一频率进行重复，对所述图像传感器的第二个来说，以第二频率进行重复，第一和第二频率不同而且被选定，以便第一频率的倍数与第二频率的倍数不一致。

16.根据权利要求1-15中任一权利要求所述的方法，其特征在于，成像系统(10)部分的方向的通过改变与卫星(100)的主体构造相关的所述图像系统的可移动支持件的方向而改变，或通过改变被设置为调整有关图像传感器(20)的调整瞄准线(LS)的指向装置的方向而改变。

17.根据权利要求1-15中任一权利要求所述的方法，其特征在于，成像系统(10)的方向通过改变卫星(100)的姿态并且保持瞄准线(LS)相对于卫星固定来改变。

18.将安置到卫星(100)上并适用于稳定所述成像系统的瞄准线(LS)的成像系统，包括：

-望远镜(10)，其布置用于根据所述成像系统的瞄准线将场景图像成像在焦面上；

-至少一个矩阵图像传感器(20)，其布置在所述焦面上并适用于以按序方式捕捉连续图像，其中所述传感器的光电探测器(21)在针对接收到的辐射的检测信号的积累阶段中被相继单独被控制，之后是积累信号的读取阶段，基于以连续循环方式重复扫描光电子探测器的顺序，光电探测器的每次重复扫描都与新捕捉的图像相一致，而且其中任一光电探测器的读取阶段都是与其它光电探测器的积累阶段同时执行的；以及

-图像比较装置(102)，适用于选择多个窗口(22a-22d)，各个窗口包括传感器内邻近光电探测器的一个不同子集，各个窗口比传感器的总使用表面小，而且适用于将光电探测器的一次重复扫描期间在其中一个窗口中捕获的图像部分(Ma-Md)与相同窗口的参考图像(Ra-Rd)内容作比较，以便描绘出光电探测器所述重复扫描与参考扫描之间瞄准线变化，而且适用于在光电探测器的每次重复扫描时，分别得到针对各个窗口瞄准线变化的新特性描述；以及

-控制装置(103)，适用于控制至少部分成像系统在一方向上的改变，从而修改瞄准线以补偿，至少部分补偿所述瞄准线的变化。

19.根据权利要求18所述的系统，其适用于实施根据权利要求1-15中任一权利要求所述的方法。

20.根据权利要求18或19所述的系统，其还包含成像系统的可移动支持件，被布置用于改变所述成像系统的方向，而且其特征在于，所述控制装置被布置用来控制可移动支持件的方向变化，以便修正瞄准线(LS)从而至少部分补偿所述瞄准线的变化。

21.根据权利要求18或19所述的系统，其还包含指向装置，所述指向装置被布置用来修正有关图像传感器(20)的瞄准线，而且其特征在于，所述控制装置被布置用于控制所述指向装置的位移，以便至少部分补偿所述瞄准线的变化。

22.根据权利要求18或19所述的系统，其特征在于，所述控制装置(103)适于控制所述卫星(100)的姿态和轨道控制系统(101)的操作，以改变卫星的姿态，以便至少部分补偿所述瞄准线(LS)的变化。

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