CN105473984A - 用于恒定足迹、恒定gsd、恒定空间分辨率线扫描仪的系统架构 - Google Patents

Abstract

线扫描仪在跨轨道方向上扫描并且在沿轨道方向上在平台上向前移动。该线扫描仪包括形成左阵列的多个检测器和形成右阵列的多个检测器。所述左阵列和右阵列远离在所述沿轨道方向上形成的线倾斜。所述左阵列被配置为当线扫描仪扫描在所述沿轨道方向上形成的线的右侧的表面时检测来自物体的表面的场景辐射。所述右阵列被配置为当线扫描仪扫描在所述沿轨道方向上形成的线的左侧的表面时检测来自所述物体的表面的场景辐射。每个相应的阵列中的检测器被配置为同时检测场景辐射。

Description

用于恒定足迹、恒定GSD、恒定空间分辨率线扫描仪的系统架构

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2013年7月8日提交的非临时申请序号13/936,638、“SYSTEMARCHITECTUREFORACONSTANTFOOTPRINT,CONSTANTGSD,CONSTANTSPATIALRESOLUTIONLINESCANNER”的优先权，该申请的公开内容通过其整体引用而并入本文。

关于联邦政府资助的研究的声明

本文中描述的发明是在USAF合同号FA8803-13-C-0006下的工作的执行中作出的。政府在本申请中具有某些权利。

技术领域

本发明总体涉及成像系统中的线扫描仪。更具体地，本发明涉及被配置为当线扫描仪扫描物体的大的、非平坦的表面时提供恒定足迹(footprint)、恒定地面采样距离(GSD)和恒定空间分辨率的线扫描仪。

背景技术

图1A中描绘线扫描仪收集几何结构(collectiongeometry)的示例。如所示的，成像系统10移动越过要被成像的表面，例如，成像器可以是地球上方的机载或星载成像器。扫描机构横向于成像系统的运动方向、越过表面扫描成像系统的有限视场(FOV)。当成像系统在沿轨道方向(alongtrackdirection)12上向前移动时，扫描仪继续在跨轨道方向(crosstrackdirection)上越过如扫描线13指示的表面扫描FOV。扫描运动和仪器运动的组合允许成像系统观察和测量比成像器的FOV大得多的地面轨道周围的区域。可以将扫描线拼凑在一起，以便获得表面的扩展图像(extensiveimage)。

图1B中示出线扫描仪的传统检测器阵列。如所示的，扫描仪包括具有12个检测器元件的2x6检测器阵列。每个检测器元件被标示为15。12个检测器元件以形成6行2列的矩形布置。包含线扫描仪的平台在沿轨道方向上移动，同时FOV在跨轨道方向上被扫描。

在图2中描绘传统的线扫描成像系统架构。成像系统10包括扫描仪21、成像光学器件22、检测器阵列23、电子模块24和数据处理模块25。扫描仪21从一侧到另一侧扫描成像光学器件22的FOV。在成像光学器件的焦平面处的检测器阵列23为阵列中的每个检测器生成与场景辐射(sceneradiance)成比例的电信号。电子模块24将检测器信号转换为然后可以由板上数据处理模块25处理的数字计数。该数据然后可以经由通信链路(标示为28)传送至地面系统(总体标示为29)，其中数据可以经受另一个数据处理器系统26的另外的处理。在最终处理之后，图像27可以被形成以用于监视器或打印机上的显示，或者可以被存储在存储器中以用于观看者后来的检索。

存在许多已被线扫描仪使用的不同的扫描仪架构。如图3中所示，简单且紧凑(对于给定的入射光瞳尺寸)的线扫描仪是一个镜单轴扫描仪。例示的扫描仪30包括安装在旋转轴32上的镜子31。旋转轴或扫描仪轴32与车辆(vehicle)的标称速度矢量和望远镜光轴二者(后者被标示为33)共线。扫描仪轴32和镜子31的表面的法线之间的角度是45°。扫描仪轴以恒定速率旋转，形成绕扫描仪轴的旋转角(后面被定义为θ_scan)。扫描仪还在跨轨道方向上越过地球表面扫描望远镜的光学器件的FOV34。在跨轨道方向上扫描时，扫描仪移动通过天底(nadir)和最大扫描角，后者在扫描结束(EOS)处形成。通常，由于后面将解释的原因，仅对天底的56°内的扫描角收集地球表面数据。

传统的图像扫描仪遭受三个主要缺点，即，(a)在扫描期间由于当扫描仪轴旋转时镜子的表面上的入射角对于离轴光学射线改变而导致的不想要的图像旋转，(b)大的产生的足迹(其为检测器的瞬时FOV到地面上的投影)和与增大的扫描角对应的降低的空间分辨率，以及(c)地面采样距离(GSD)随增大的扫描角而变得更大。这些将在下面进行解释。

第一个缺点是由于单镜扫描仪几何结构使图像在其焦平面上旋转。相对于固定检测器阵列的图像旋转等同于相对于固定地球的检测器阵列的旋转。一些传统系统(比如VIIRS)使用另外的移动镜子来移除该旋转。另外的移动镜子以更大的失败可能性向系统增添大量、复杂和移动部件。其它系统(比如AVHRR和GOES)接受旋转作为所需的事实。AVHRR系统每个通道仅具有一个检测器，并从而最小化图像旋转的影响。然而，GOES系统每个通道具有2个或8个检测器，并且必须考虑由旋转引起的误差。GOES系统的可取之处是旋转仅为越过扫描轴的几度。然而，通常，图像的任何旋转都使线性检测器阵列的使用极大地复杂化。

如图4中所示，由线扫描仪收集的影像的质量还受到收集几何结构影响。几何结构被示为到地球中心的距离的函数。机载和星载图像分辨率都受到影响，因为到地球的距离随扫描角而改变。如图4中可以看到的，到地球表面的距离(R)和到地表面的LOS天顶角(θ_z)二者都随跨轨道方向上的扫描角θ增大。影响的幅度取决于成像器在地球上方的高度h。对于星载成像器则糟得多，因为h和R变得比用于机载成像器的类似参数大得多。

可以通过在扫描镜的天底和扫描结束(EOS)二者处将AVHRR系统的瞬时FOV(IFOV)映射到地球的地面上来最佳地示出足迹增长的问题。这在图5中示出。如所示的，收集几何结构使IFOV变形(distort)，使得天底处的1x1km的方形IFOV近似变为EOS处的8x3km的菱形。由于空间分辨率强烈地取决于IFOV，所以产生的空间分辨率在EOS处显著降低。对于AVHRR系统，空间分辨率在大于56°的扫描角处变得如此之差以致于数据对于任何用户都用处不大，并且因此甚至不被收集。大多数用户可能更喜欢在EOS处具有他们可以在天底处获得的一样高的分辨率。

传统系统的另外的缺点是在天底和EOS之间的不一致的地面采样距离(GSD)。为了降低设计复杂度，大多数线扫描仪使用恒定的扫描速率和恒定的检测器采样速率。这些恒定的速率导致地面上的样本之间的变化的距离。AVHRR系统的GSD例如与从天底到EOS的IFOV增长成比例地从天底到EOS增长。相比之下，大多数用户更喜欢具有在地面上以相等间隔采样并因此导致相等的GSD的图像。

如将解释的，本发明通过产生以恒定足迹、恒定GSD和恒定空间分辨率收集数据的系统，克服了前述缺点。当扫描地球或任何其它扩展物体时，本发明实现了所有这些功能。

发明内容

为了满足该需求和其它需求，并且鉴于其目的，本发明提供了用于扫描物体的扫描仪的检测器阵列。该检测器阵列包括：多个检测器，在所述多个检测器中，一半的检测器被线性地布置为左阵列，而另一半的检测器被线性地布置为右阵列；并且所述左阵列和右阵列被几何地布置以形成具有两个相等的ψ_max的底角和相交顶点的等腰三角形。ψ_max的角度被定义为当所述检测器阵列扫描物体时由扫描仪的几何结构引起的图像旋转的最大量。

所述多个检测器被布置在机载平台中或星载平台中。所述平台被配置为在沿轨道方向上移动，并且在与所述沿轨道方向垂直的跨轨道方向上扫描的扫描线中形成所述检测器阵列的扫描角。所述检测器阵列的扫描角包括在所述跨轨道方向上定义的扫描结束(EOS)角。所述图像旋转的最大量ψ_max可以等于EOS角。

所述左阵列中的多个检测器中的每一个被配置为同时生成与所述物体的场景辐射成比例的电信号；并且所述右阵列中的多个检测器中的每一个被配置为同时生成与所述物体的场景辐射成比例的另一电信号。所述左阵列包括至少两个线性布置的检测器，并且所述右阵列包括至少两个线性布置的检测器。

所述扫描仪包括绕轴旋转的镜子和与所述镜子相交的望远镜光轴，其中所述镜子的轴被配置为与所述望远镜光轴平行。所述检测器阵列的扫描角在(a)天底和(b)扫描结束(EOS)之间改变，所述天底对应于从所述等腰三角形的底的中间延伸并且在顶点处相交的线，所述扫描结束(EOS)对应于从所述底的中间延伸以形成所述天底的线和投影到所述物体上的最大扫描角之间的最大角。所述图像旋转的最大量角ψ_max等于EOS处所述检测器阵列的扫描角。ψ_max的最大角可以大于56度。

所述右阵列以等于ψ_max的最大角的量倾斜，而所述左阵列以等于ψ_max的最大角的量在相反方向上倾斜。

所述ψ_max的最大角对应于在与平台的行进方向垂直的方向上所述检测器阵列的最大扫描角。

所述检测器阵列被配置为提供所述物体的左扫描和所述物体的右扫描，其中所述左扫描和右扫描之间的分界线由从所述等腰三角形的底的中间延伸到相交顶点的线形成。所述左阵列被配置为在右扫描期间收集影像，并且所述右阵列被配置为在左扫描期间收集影像。

本发明的另一实施例包括在跨轨道方向上扫描并且在沿轨道方向上在平台上向前移动的线扫描仪。该线扫描仪包括：

形成左阵列的多个检测器和形成右阵列的多个检测器，

其中，所述左阵列和右阵列远离在所述沿轨道方向上形成的线倾斜，

所述左阵列被配置为当线扫描仪扫描在所述沿轨道方向上形成的线的右侧的表面时检测来自物体的表面的场景辐射，并且

所述右阵列被配置为当线扫描仪扫描在所述沿轨道方向上形成的线的左侧的表面时检测来自所述物体的表面的场景辐射。

所述左阵列和右阵列分别包括在相应的阵列中线性布置的多于两个的检测器，并且每个相应的阵列中的检测器被配置为同时检测场景辐射。

所述左阵列和右阵列被配置为当所述线扫描仪在天底和扫描结束(EOS)之间扫描时同时检测场景辐射并且输出信号样本，并且所述输出的信号样本在所述沿轨道方向上和在所述跨轨道方向上聚合(aggregate)。

所述输出的信号样本在所述沿轨道方向上第一次聚合，并且在所述跨轨道方向上第二次聚合，并且所述第一次聚合和第二次聚合形成一条扫描线。

本发明的又一个实施例是扫描地球的表面的方法，其中多个检测器在机载或星载平台中被线性地对齐以用于同时对所述表面进行采样。该方法包括以下步骤：

重新配置多个检测器，以使：

第一半的检测器从沿轨道方向上形成的线在左方向上倾斜离开，并且

第二半的检测器从沿轨道方向上形成的线在右方向上倾斜离开；并且

当线扫描仪在所述线的右侧扫描时，使用所述第一半的检测器对来自所述表面的辐射进行采样，并且

当线扫描仪在所述线的左侧扫描时，使用所述第二半的检测器对来自所述表面的辐射进行采样。

该方法通过形成蜂翼(bees-wing)几何结构来重新配置所述多个检测器，并且所述蜂翼几何结构被定义为等腰三角形，所述等腰三角形由作为具有两个相等的ψ的底角的等腰三角形的两个相等侧边的所述第一半的检测器和第二半的检测器形成，其中，ψ被定义为当检测器扫描所述表面时由扫描仪的几何结构引起的图像旋转的量。

所述等腰三角形包括由所述等腰三角形的两个相等侧边相交的顶点和在所述沿轨道方向上形成的线。所述角ψ包括取决于与所述沿轨道方向垂直的跨轨道方向上的最大扫描角的最大角。

将理解的是，本发明的前述总体描述和下面详细描述是示例性的而非限制性的。

附图说明

图1A是当成像系统沿地面轨道方向移动时该成像系统的线扫描仪沿视场(FOV)收集图像的示例。

图1B是具有以矩形布置的2x6检测器阵列的、并且当平台在沿轨道方向上移动时在跨轨道方向上线扫描的传统线扫描仪检测器阵列几何结构的示例。

图2是根据一个实施例可以由本发明配置的线扫描仪架构的示例。

图3是当通过使用图2中所示的成像系统中布置的扫描镜改变扫描角时扫描仪几何结构的示例。

图4是当扫描地球的表面时线扫描仪的几何结构的示例，示出当扫描角增大时距离和天顶角如何增大。

图5是从传统扫描仪产生的检测器足迹的示例，其中方形是天底处的足迹，而大菱形是扫描结束(EOS)处的足迹。

图6A和6B描绘根据本发明的实施例的在天底处投影在地面上示出的蜂翼检测器阵列几何结构。

图7是根据本发明的实施例的在扫描结束(EOS)处投影在地面上示出的蜂翼检测器阵列几何结构，其中左边的图是左EOS处的足迹，而右边的图是右EOS处的足迹。

图8是示出根据本发明的实施例由本发明提供的检测器信号处理的示例的流程图。

图9A是根据本发明的实施例的蜂翼阵列的六个检测器元件的地面轨道的示例，示出当阵列在光轴上居中时由前向运动引起的偏斜。

图9B是根据本发明的实施例的蜂翼阵列的六个检测器元件的地面轨道的另一示例，其中前向运动通过使阵列从光轴少量偏移而补偿。

图10是根据本发明的实施例的在沿扫描(alongscan)方向和跨扫描(crossscan)方向上聚合、并且相比于单个检测器元件在EOS处的足迹的天底处的足迹的示例。

图11A描绘当时钟位于天底处并且图像尚未旋转从而具有零的图像旋转角(ψ)时，时钟面的焦平面上的图像。

图11B描绘当时钟位于扫描结束(EOS)处并且图像已旋转大于零的ψ的量时，图11A的时钟面的焦平面上的另一图像。

图12描绘以旋转角绕沿其轴的任意旋转轴线旋转从而产生图11B中所示的ψ的图像旋转的单镜扫描仪的几何结构。

图13描绘根据本发明的两个实施例的非交错(non-staggered)蜂翼几何结构和交错(staggered)蜂翼几何结构。

具体实施方式

本发明使用图1A中所示的、同时布置在图2中例示的系统中的收集几何结构。相应地，本发明的成像系统包括融合沿扫描线13移动望远镜的光轴33并且线性地扫描扩展物体的表面(例如，地球的表面)的扫描镜31。可以将线扫描仪21布置在沿提供图1A中所示的扫描线13的地面轨道方向移动的机载平台或星载平台中。

然而，本发明不具有传统系统的缺点，并且使用检测器阵列几何结构和信号处理的组合克服了前述困难。如将解释的，检测器阵列几何结构使用在天底处旋转以使得元件在扫描结束(EOS)处与扫描方向对齐的矩形元件。选择元件尺寸以使得在地球(例如)的表面上在EOS处形成的足迹近似为方形。检测器元件形成足迹，该足迹然后被聚合，如将解释的，以便在所有更小的扫描角处产生等同的足迹尺寸(例如，方形)。

具有单轴扫描仪几何结构的阵列和足迹聚合的组合对到地球的表面的距离和地球的表面处的视线(LOS)天顶角二者相当不敏感，即使二者随扫描角显著地改变。这可以通过审查图4而可视化。如将解释的，本发明对低地球轨道(LEO)和机载成像中的持续问题提供优雅的解决方案。

如先前关于图5所描述的，传统系统的扫描仪几何结构使检测器阵列上的图像旋转。在图3中描绘的扫描仪的情况下，图像以与扫描仪轴旋转角相等的角旋转。不是让图像旋转成为不利因素，本发明利用该旋转以便获得几乎恒定的足迹。

检测器阵列几何结构利用扫描仪图像旋转来实现三个目的。第一，扫描结束(EOS)处的检测器足迹是方形(其中侧边与沿扫描方向和跨扫描方向对齐)。第二，通过聚合来自阵列的样本而获得的有效足迹对于所有的扫描角是近似相同的尺寸。第三，有效足迹和地面轨道二者关于天底对称。

本发明重新配置检测器阵列，该检测器阵列在传统扫描仪中沿车辆行进的沿轨道方向是线性的(例如，以图1B中所示的形式的矩形)。如图6A中所描绘的，本发明的矩形元件或者检测器63以蜂翼配置布置。阵列的每一半(本文中也称为左阵列61和右阵列62)以与最大图像旋转角(即扫描结束处的图像旋转角)相等的量倾斜，本文中该最大图像旋转角被定义为ψ_max。

在图3中例示的线扫描仪中，扫描仪轴32与望远镜的光轴33平行。这样，ψ_max的最大图像旋转角等于在跨轨道方向上在线扫描仪的扫描结束(EOS)处形成的扫描角θ；它还等于在EOS处镜轴的旋转角θ_scan。作为示例，线扫描仪的最大扫描角可以是56°，但是当在对阵列元件的尺寸和数目进行的适当调整的情况下使用时，本发明也考虑其它角度限制。

另外，将理解的是可以将本发明应用至除图3中所示的扫描架构以外的扫描架构。这些其它扫描仪架构可以以不等于EOS处线扫描仪的扫描角θ的量来旋转图像。在图12中示出一个这样的扫描架构。如所示的，扫描镜31包括光轴33和绕镜子的轴的旋转轴120。在该配置中，望远镜光轴33与旋转轴120不平行，并且镜面和镜旋转轴之间的角度不是45°。在图12的示例中，检测器阵列的每一半可以以与EOS处形成的ψ_max的最大图像旋转相等且在相反方向上的量倾斜。在图12的示例中，ψ_max不等于θ_scan的镜旋转角。这关于图11A和图11B被进一步描述。

参考图6A，阵列在光轴上可能不居中，而是可能如所示的少量偏移。例如，偏移可以是在跨轨道方向上并且远离被标示为64的沿轨道矢量的115微弧度。该偏移使图像旋转补偿平台的前向运动，从而产生关于天底对称的扫描图案。

图6A中所示的由蜂翼配置形成的几何结构也可以通过图6B中所示的等腰三角形来描述。等腰三角形由从底线延伸的两个相等侧边形成。所述侧边由左和右阵列61、62组成。本文中称为ψ_max的最大图像旋转角的倾斜角在三角形的底线和每个侧边之间形成。三角形的两个侧边在由线64(后者代表图6A中所示的沿轨道方向)接合的顶点处相交。将理解的是图6A中所示的蜂翼几何结构是在天底处地面上投影的阵列几何结构。

如图7中所示，可以选择检测器63的元件尺寸，以使得EOS处的元件足迹等于期望的足迹尺寸，在图7中每个期望的足迹被标示为71。该图对于左EOS72和右EOS73分开示出蜂翼检测器阵列足迹。该图例示了对于在833km高度处飞行的成像器的地球曲率、增加距离和图像旋转的组合效果。所示的在阵列的每侧上的六个检测器元件提供六个方形足迹71，并且使它们的侧边与沿扫描方向和跨扫描方向对齐。

然而，将意识到的是在任一时间仅一半阵列(例如，左阵列或右阵列)对齐，而另一半阵列(例如相应地，右阵列或左阵列)的几何结构显著变形。因此，每次仅从阵列的一侧收集数据。阵列的左半部分被用于在右半部分扫描期间收集影像，而在左半部分扫描期间则使用阵列的右半部分。以这种方式，当从阵列的一侧切换到另一侧时，本发明在天底处确保无缝覆盖。

现在将通过参考图8描述本发明处理信号数据的方式。如功能流程图中所示，检测器信号处理总体被标示为80。通过在步骤81中追踪镜子位置，在步骤82中考虑飞行器或航天器滚转角，并且在步骤83中使镜子角度增加预定量，处理器能够在检测器元件采样从物体(例如，地球)的表面接收的辐射时，保持追踪它们的视线。阵列一侧的所有检测器或元件同时采样地面辐射。因此，例如对于阵列的左侧的六个检测器，系统在一个时刻为左阵列中的六个检测器接收六个同时样本。

来自阵列中的给定检测器的原始样本通过步骤84在沿扫描方向上第一次聚合。聚合的数目是自天底的扫描角的函数。可以选择用于每个聚合因子的角范围，以使得聚合对于所有的扫描角产生类似的系统MTF。由本发明执行的沿扫描聚合因此满足三个目的：

1.它增大了产生的样本的SNR。

2.它使产生的样本的MTF规范化，从而降低聚合处理之后的重采样算法的复杂度。

3.它降低了必须由处理器处理的数据量。

继续图8中所示的处理，沿扫描聚合步骤84之后是沿扫描重采样步骤85。该步骤将来自每个检测器元件的重采样值放置在相同的沿扫描网格上。换句话说，重采样将采样原始数据时的一维网格(第一网格)变为重采样处理时的另一个一维网格(第二网格)。表面地，第二网格在天底处开始，并且在地面上具有相等间距，而第一网格在扫描角中相等地隔开，但在地面上不相等地隔开。用户可以指定任意原点和间距。该步骤产生越过扫描线的一致的GSD。

然后，本发明进入步骤86，并且聚合来自具有相同的沿扫描位置的不同的检测器元件的重采样值。通过先于步骤86中的跨扫描聚合的步骤85中的重采样，当聚合时本发明不引起沿扫描空间分辨率损失。沿扫描重采样步骤85可以访问存储在存储器88中的查找表(LUT)。

步骤86中的跨扫描聚合满足两个目的：

1.它将每个从单个元件产生的像素的足迹增大为最终期望的值。

2.它改进了像素的SNR。

将意识到的是此时的跨扫描处理是步骤86中的聚合，而不是步骤87中的重采样，后者在聚合之后执行。跨扫描聚合简化了后面要执行的任何校准。像素通常使用从聚合的空间和ICT数据导出的系数来校准。如果此时执行重采样而不是聚合，则校准算法将需要融合在校准中使用的重采样系数。如果使用恒定重采样核(kernel)，则这将不复杂，但是如果需要变化的核，则将对校准增添显著的复杂度。

如下所述，将理解的是扫描镜和FPA几何结构使像素的跨扫描位置随扫描角改变。因此，需要在步骤87中执行的最终的跨扫描重采样，以便在笛卡尔网格上获得影像。

图6A中示出的左阵列和右阵列中使用的12个元件或者12个检测器的单个扫描线的地面轨道针对833km高度处的平台在图9A和图9B中绘出。每个图中的两个轴上的单位是km，但是两个轴上的标度完全不同。图9A示出蜂翼阵列中的12个检测器的地面轨道，其中由于扫描期间传感器的前向运动，地面轨道偏斜。另一方面，图9B示出在相同的蜂翼阵列中的12个检测器的地面轨道，其中由于前向运动补偿，地面轨道没有偏斜。将意识到的是，如图6A中所示，本发明通过使阵列从光轴偏移(例如，以115微弧度)来提供前向运动补偿。

如图9A和图9B中所示，取决于阵列中的元件的跨扫描位置，扫描镜图像旋转使EOS足迹滞后天底足迹大约0.5-1.2km。当成像器从左阵列侧切换至右阵列侧时，发生天底处方向上的突然改变，或者反之亦然。如从审查图7所预期的，元件在EOS处都收敛(converge)。这允许本发明执行跨扫描聚合，而不在EOS处引入跨扫描空间分辨率的损失。聚合元件的有效足迹容易在EOS处确定。所有六个元件的中心具有相同的跨扫描位置，并且沿扫描重采样给予它们相同的沿扫描位置。因此，有效足迹等于单独元件的足迹。这在图10中示为1.1km的方形。在天底处的元件足迹的旋转和跨扫描分离将一些模糊(ambiguity)引入到有效足迹的清晰度中。通过任意方法获得的准确值是否都是那么重要是不清楚的，因为空间分辨率或GSD都不取决于足迹清晰度，并且它们是驱动数据质量、而非足迹的空间量。然而，图10中示出在EOS处的单个检测器足迹与在天底处聚合的单独元件足迹的比较。因此，如所示的，在天底和EOS处的有效或聚合的足迹等同。天底处的有效足迹和EOS处的有效足迹如此相似，以致于有效足迹不会在这些极点之间变化多少。

现在转至图11A和图11B，示出分别被标示为110和111的时钟的面的两个图像。时钟面的图像110是当时钟位于天底处时在焦平面上形成的。时钟面的图像111是当时钟位于EOS处时在焦平面上形成的。焦平面上的图像旋转通过角ψ，该角ψ对于图3的扫描仪几何结构等于图4的跨轨道扫描角θ。当镜子的轴的旋转使光轴指向大的扫描角时，时钟面的图像因增大的距离和天顶角而变形。将理解的是ψ的最大图像旋转角形成图11B中所示的蜂翼配置中的倾斜角，即ψ_max的角。

在图3中所示的示例扫描配置中，焦平面上的图像旋转通过等于跨轨道扫描角θ的角度，并且因此，ψ等于EOS处检测器阵列的跨轨道扫描角θ。然而，在确定倾斜角中重要的参数不是EOS处的跨轨道扫描角，而是由线扫描仪引起的图像旋转量。取决于扫描仪几何结构，该量可以等于或可以不等于跨轨道扫描角。

下面转至图12，示出扫描镜31在其总体被标示为120的镜旋转轴上旋转时的另一个示例性几何结构。图像旋转角ψ和镜子的扫描角θ_scan(下面表示为θ_s)之间的关系由下面的表达式给出：

$tan\mathrm{\ψ}=\frac{(2n_x{n}_y-\sqrt{2}{n}_y(n_x+n_z\left)\right)cos\mathrm{\θ}s-\[2n_x{n}_z-\sqrt{2}{n}_z(n_x+n_z)+\frac{1}{\sqrt{2}}\]sin\mathrm{\θ}s}{2{n_x}^2-\sqrt{2}{n}_x(n_x+n_z)+\frac{1}{\sqrt{2}}-1}$

其中

n_x＝-sinφcosξ+cosφsinξcosθs

n_y＝-cosφsinθs

n_z＝sinφsinξ+cosφcosξcosθs

φ是扫描镜旋转轴和镜子的表面之间的角，而ξ是扫描镜旋转轴和望远镜光轴之间的角。

在本发明使用的角的定义中，下面提供简要的总结：

θ_scan是镜轴旋转角。

θ是在跨轨道平面中的光轴旋转角。

ψ是焦平面上的图像旋转角。

当图像旋转ψ时，地面上的检测器区域的投影旋转-ψ。

对于图3中描绘的扫描仪，ψ＝θ＝θ_scan。

下面参考图13，示出的是两个不同的蜂翼配置，即非交错蜂翼配置131和交错蜂翼配置132。非交错蜂翼配置131类似于图6A中所示的配置。交错蜂翼配置132的检测器以与非交错配置的检测器相同的角度倾斜。因此，如所示的，每个检测器远离沿轨道方向134倾斜，以相对于跨轨道方向133形成ψ_max的角。

阵列中检测器的交错允许阵列的规模和沿轨道空间响应增大，而不降低跨轨道性能或者增大望远镜的视场(FOV)。事实上，对于交错几何结构，望远镜FOV可以更小。该图示出当圆外接检测器阵列时的FOV。利用相同数目和尺寸的元件，实现在沿轨道方向上也具有增大的程度的更紧凑的阵列。跨轨道性能仅取决于元件尺寸和旋转角，这二者是不改变的。因此通过交错阵列元件，跨轨道性能不改变。

本发明包括许多应用，例如：

1.星载远程感测系统，

2.机载远程感测系统，以及

3.使用线扫描仪查看移动的传送带上的物品的工业检查系统。

尽管本发明在本文中参考特定的实施例示出和描述，但本发明并不意图限于所示的细节。相反，可以在不背离本发明的情况下且在权利要求的范围和等同物的范围内在细节上进行各种修改。

Claims (20)

1.一种用于扫描物体的扫描仪的检测器阵列，包括：

多个检测器，在所述多个检测器中，一半的检测器被线性地布置为左阵列，而另一半的检测器被线性地布置为右阵列，并且

所述左阵列和右阵列被几何地布置以形成具有两个相等的ψ_max的底角和相交顶点的等腰三角形，

其中，ψ_max的角度被定义为当所述检测器阵列扫描物体时由扫描仪的几何结构引起的图像旋转的最大量。

2.根据权利要求1所述的检测器阵列，其中，

所述多个检测器被布置在机载平台中或星载平台中，并且

所述平台被配置为在沿轨道方向上移动，并且在与所述沿轨道方向垂直的跨轨道方向上扫描的扫描线中形成所述检测器阵列的扫描角。

3.根据权利要求2所述的检测器阵列，其中，

所述检测器阵列的扫描角包括在所述跨轨道方向上定义的扫描结束(EOS)角，并且

所述图像旋转的最大量ψ_max等于EOS角。

4.根据权利要求3所述的检测器阵列，其中，

所述检测器阵列的扫描角通过从所述物体的表面接收光的扫描镜改变。

5.根据权利要求1所述的检测器阵列，其中，

所述左阵列中的多个检测器中的每一个被配置为同时生成与所述物体的场景辐射成比例的电信号，并且

所述右阵列中的多个检测器中的每一个被配置为同时生成与所述物体的场景辐射成比例的另一电信号。

6.根据权利要求5所述的检测器阵列，其中，

所述左阵列包括至少两个线性布置的检测器，并且

所述右阵列包括至少两个线性布置的检测器。

7.根据权利要求1所述的检测器阵列，其中，

所述扫描仪包括绕轴旋转的镜子和与所述镜子相交的望远镜光轴，

所述镜子的轴被配置为与所述望远镜光轴平行，

所述检测器阵列的扫描角在(a)天底和(b)扫描结束(EOS)之间改变，所述天底对应于从所述等腰三角形的底的中间延伸并且在顶点处相交的线，所述扫描结束(EOS)对应于从所述底的中间延伸以形成所述天底的线和投影到所述物体上的最大扫描角之间的最大角，并且

角ψ_max的图像旋转的最大量等于EOS处所述检测器阵列的扫描角。

8.根据权利要求7所述的检测器阵列，其中，

ψ_max的最大角大于56度。

9.根据权利要求1所述的检测器阵列，其中，

所述右阵列以等于ψ_max的最大角的量倾斜，

所述左阵列以等于ψ_max的最大角的量在相反方向上倾斜，

所述检测器被布置在平台中，并且

所述ψ_max的最大角对应于在与所述平台的行进方向垂直的方向上所述检测器阵列的最大扫描角。

10.根据权利要求1所述的检测器阵列，包括：

被配置为提供所述物体的左扫描和所述物体的右扫描的检测器阵列，其中所述左扫描和右扫描之间的分界线由从所述等腰三角形的底的中间延伸到相交顶点的线形成，并且

所述左阵列被配置为在右扫描期间收集影像，并且

所述右阵列被配置为在左扫描期间收集影像。

11.一种在跨轨道方向上扫描并且在沿轨道方向上在平台上向前移动的线扫描仪，所述线扫描仪包括：

形成左阵列的多个检测器和形成右阵列的多个检测器，

其中，所述左阵列和右阵列远离在所述沿轨道方向上形成的线倾斜，

所述左阵列被配置为当线扫描仪扫描在所述沿轨道方向上形成的线的右侧的表面时检测来自物体的表面的场景辐射，并且

所述右阵列被配置为当线扫描仪扫描在所述沿轨道方向上形成的线的左侧的表面时检测来自所述物体的表面的场景辐射。

12.根据权利要求11所述的线扫描仪，其中，

所述左阵列和右阵列分别包括在相应的阵列中线性布置的多于两个的检测器，并且

每个相应的阵列中的检测器被配置为同时检测场景辐射。

13.根据权利要求11所述的线扫描仪，其中，

所述物体的表面是地球的表面。

14.根据权利要求11所述的线扫描仪，其中，

所述左阵列和右阵列被配置为当所述线扫描仪在天底和扫描结束(EOS)之间扫描时同时检测场景辐射并且输出信号样本，并且

所述输出的信号样本在所述沿轨道方向上和在所述跨轨道方向上聚合。

15.根据权利要求14所述的线扫描仪，其中，

所述输出的信号样本在所述沿轨道方向上第一次聚合，并且在所述跨轨道方向上第二次聚合，并且

所述第一次聚合和第二次聚合形成一条扫描线。

16.根据权利要求11所述的线扫描仪，包括：

镜子，所述镜子耦接至轴，所述轴用于使所述镜子绕所述轴的轴线旋转；并且

其中，所述左阵列和右阵列以基于绕所述轴的镜子的最大旋转角的角量远离在所述沿轨道方向上形成的线倾斜。

17.一种扫描地球的表面的方法，其中多个检测器在机载或星载平台中被线性地对齐以用于同时对所述表面进行采样，所述方法包括以下步骤：

重新配置所述多个检测器，使得：

第一半的检测器在左方向上远离在沿轨道方向上形成的线倾斜，并且

第二半的检测器在右方向上远离在所述沿轨道方向上形成的线倾斜；并且

当线扫描仪在所述线的右侧扫描时，使用所述第一半的检测器对来自所述表面的辐射进行采样，并且

当线扫描仪在所述线的左侧扫描时，使用所述第二半的检测器对来自所述表面的辐射进行采样。

18.根据权利要求17所述的方法，其中重新配置所述多个检测器包括：

形成蜂翼几何结构，并且

所述蜂翼几何结构被定义为等腰三角形，所述等腰三角形由作为具有两个相等的ψ的底角的等腰三角形的两个相等侧边的所述第一半的检测器和第二半的检测器形成，

其中，ψ被定义为当检测器扫描所述表面时由扫描仪的几何结构引起的图像旋转的量。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，

所述等腰三角形包括由所述等腰三角形的两个相等侧边相交的顶点和在所述沿轨道方向上形成的线。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，

所述角ψ包括取决于与所述沿轨道方向垂直的跨轨道方向上的最大扫描角的最大角。