CN106225807A

CN106225807A - 视频卫星对地面区域目标进行凝视成像的仿真方法及系统

Info

Publication number: CN106225807A
Application number: CN201610598966.9A
Authority: CN
Inventors: 杨秀彬; 金光; 王旻; 徐伟; 王绍举
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2016-07-27
Filing date: 2016-07-27
Publication date: 2016-12-14

Abstract

视频卫星对地面区域目标进行凝视成像的仿真方法及系统，涉及光电成像技术领域，解决现有仿真系统无法验证实时姿态机动的视频卫星对地面目标进行凝视成像的问题，包括球面P3型LED显示系统，航天CMOS相机成像系统和三轴气浮仿真平台姿态控制系统，设计采用三轴气浮仿真平台与CMOS相机复合控制，利用三轴气浮仿真转台的姿态旋转角速度抵消球面P3型LED显示系统上靶标的相对运动，使相机与气浮转台协同配合完成光轴始终指向LED靶标上的指定目标区域，实现凝视成像速度匹配，本发明在航天光学领域为地面全面物理仿真实验提供一套真实可靠的成像模拟装备，填补了我国航天CMOS相机对LED屏幕运动的动态靶标进行凝视成像环境的空缺。

Description

视频卫星对地面区域目标进行凝视成像的仿真方法及系统

技术领域

本发明涉及光电成像技术领域，具体涉及视频卫星对地面区域目标进行凝视成像的仿真方法及系统。

背景技术

高分辨率遥感卫星影像在防灾减灾、军事、国土、测绘等领域具有重要作用。现阶段，我国的高分辨率航天光学遥感影像主要利用TDI CCD相机推扫获得静态图像。然而静态图像无法获取一些特殊或敏感区域更有价值的高动态过程信息，例如火山喷发、森林大火、洪水、海啸、大规模山体滑坡和泥石流等自然灾害动态变化，以及汽车、舰船、人群、飞机的移动速度大小与方向等局部区域态势变化。

视频卫星作为一种新型的对地观测系统可以很好的弥补以上不足。视频卫星可以连续观察光学载荷视场内景物的变化，获得关于目标地区的动态信息。可针对地面固定目标区域拍摄一系列图像组成视频，除了能够获取传统光学遥感卫星影像包含的信息外，还可以直接获取动态目标信息，使图像分析和解译从静态单景向动态时序图像转变。由于航天卫星成像技术的研究是一项高风险、高投入、高度复杂而又高精度的系统工程，为保证视频卫星对固定目标进行凝视成像的可靠性与准确性，必须在地面进行全面、深入可靠的理论研究与物理仿真实验研究。结合图1，图中，ω_E为地球自转速度；I₁I₂I₃为惯性坐标系三个坐标轴，A为地面凝视目标点，S代表卫星。现阶段地面仿真系统只能仿真在静态的卫星平台上的相机对静态靶标进行面阵成像过程，验证相机对目标的静态成像，无法仿真实时姿态机动的卫星平台上的CMOS相机对地面区域目标进行的凝视成像过程。

发明内容

本发明为解决现有仿真系统无法验证实时姿态机动的视频卫星对地面目标进行凝视成像的问题，提供一种视频卫星对地面区域目标进行凝视成像的仿真方法及系统。

视频卫星对地面区域目标进行凝视成像的仿真方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、设置LED屏幕与三轴气浮仿真平台的距离为L，LED靶标沿所述三轴气浮仿真平台的水平方向进行动态运动；所述LED靶标的运动速度为V；

步骤二、将航天CMOS相机主点置于三轴气浮仿真平台中心，所述CMOS相机焦平面方向与三轴气浮仿真平台的水平方向平行，设定航天CMOS相机焦距为f，CMOS像元尺寸为a；则CMOS与LED靶标的对应关系满足：

\frac{a}{A} = \frac{f}{L};

式中，A为LED屏幕的点像素尺寸；

步骤三、设置三轴气浮仿真平台俯仰角度为θ，根据步骤一中LED靶标目标速度V以及LED屏幕与三轴气浮仿真平台的距离L，确定三轴气浮仿真平台旋转角速度Ω，用下式表示为：

Ω = \frac{v \times \cos^{2} (θ)}{L};

步骤四、当步骤三中三轴气浮仿真平台的旋转角速度Ω与LED靶标的运动速度V匹配时，实现航天CMOS相机对目标进行凝视成像。

视频卫星对地面区域目标进行凝视成像的仿真系统，包括球面P3型LED显示系统，航天CMOS相机成像系统和三轴气浮仿真平台姿态控制系统，所述球面P3型LED显示系统包括电脑，接收卡，发送卡和电源，系统上电后，接收卡和发送卡分别用于接收和发送动态LED靶标图像；所述三轴气浮仿真平台姿态控制系统包括光纤陀螺、飞轮、电源模块和控制计算机，通过光纤陀螺、飞轮、电源模块和控制计算机控制三轴气浮仿真平台顺时针旋转，当三轴气浮仿真平台的姿态旋转角速度与LED靶标运动速度匹配时，航天CMOS相机对目标模拟器进行凝视成像。

本发明的有益效果：本发明的视频卫星对地面区域目标进行凝视成像的仿真方法，针对成像地面系统仅能仿真在静态的卫星平台上的相机对静态靶标进行面阵成像过程的问题，采用实时机动三轴气浮转台姿态控制系统与动态LED靶标进行复合控制，设计CMOS相机成像行转移时间和实时机动三轴气浮转台的姿态旋转角速度，使固定在实时姿态机动姿态控制系统的CMOS相机光轴始终指向LED靶标上的指定目标区域，实现凝视成像速度匹配，为验证实时姿态机动的视频卫星对地面目标进行凝视成像提供理论及相关技术支持，在航天光学领域以及军工卫星成像技术领域为地面全面物理仿真实验提供一套真实可靠的成像模拟装备，填补了我国航天CMOS相机对LED屏幕运动的动态靶标进行凝视成像环境的空缺。

附图说明

图1为视频卫星在轨凝视观测目标视示意图；

图2为本发明所述的视频卫星凝视成像仿真方法中姿态机动三轴气浮转台对动态LED靶标进行凝视成像仿真原理图；

图3为本发明所述的视频卫星凝视成像仿真方法中三轴气浮仿真平台旋转角速度与俯仰角度的关系示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图3说明本实施方式，视频卫星凝视成像仿真方法，该方法由以下过程实现：

步骤A、配备一套球面P3型LED显示系统，包括电脑，接收卡，发送卡，电源等，系统上电后，接收卡和发送卡分别用于接收和发送动态靶标图像，设置LED屏幕与三轴气浮仿真平台一定距离L，LED靶标沿与水平方向按一定速度v进行动态运动，其中LED屏幕点像素为A；

步骤B、配备一套航天CMOS相机，航天CMOS相机主点置于三轴气浮仿真平台中心，焦平面方向与水平面方向平行，其中航天CMOS相机焦距为f，CMOS像元尺寸为a；为满足成像距离匹配，CMOS与靶标的对应关系满足

\frac{a}{A} = \frac{f}{L},

步骤C、配置三轴气浮仿真平台姿态控制系统，包括三轴气浮仿真平台，光纤陀螺，飞轮，电源模块，控制计算机等。通过光纤陀螺、飞轮、电源模块和控制计算机控制三轴气浮仿真平台顺时针旋转，为满足相机光轴始终指向LED靶标上的指定目标区域，实现凝视成像速度匹配，需要根据LED靶标目标速度V，三轴气浮转台俯仰角度θ，确定三轴气浮仿真平台旋转角速度Ω的变化。所述三轴气浮仿真平台旋转角速度Ω用下式表示为：

Ω = \frac{v \times \cos^{2} (θ)}{L},

步骤D、三轴气浮仿真平台姿态控制系统实时机动过程中，航天CMOS相机开机，保证CMOS相机以一定的帧频对准目标点进行实时成像如图2所示。目标点为LED球面目标模拟器。

具体实施方式二、结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的视频卫星凝视成像仿真方法的实施例：

一、首先考虑像元为P3型LED成像显示系统，通过VC软件设计动态黑白条纹靶标，黑白条纹靶标沿水平方向按20个像元每秒的动态速度运动，LED靶标与三轴气浮仿真平台距离为7.5m，相关动态靶标如图2所示。

二、航天CMOS相机系统中航天CMOS相机主点置于三轴气浮仿真平台中心，如图2所示，焦平面方向与水平面方向平行，其中航天CMOS相机焦距为20mm，CMOS像元尺寸为8μm；为满足成像距离匹配，CMOS相机与靶标的对应关系满足光学成像条件：

\frac{a}{A} = \frac{f}{L} &DoubleRightArrow; \frac{8 μ m}{3 m m} = \frac{20 m m}{7.5 m};

三、三轴气浮仿真平台通过光纤陀螺，飞轮，电源模块，控制计算机等控制平台顺时针旋转，为实现速度匹配，需要明确靶标水平速度v＝(20×3)mm/s，转台旋转俯仰角度从-30°到30°，进而确定三轴气浮仿真平台旋转角速度，如图3所示。

Ω = \frac{v \times \cos^{2} (θ)}{L}

四、航天CMOS相机开机，在实现三轴气浮仿真转台的姿态旋转角速度与LED显示系统上靶标的相对运动相匹配的条件下，CMOS相机以一定的帧频对LED球面目标模拟器进行成像。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims

1.视频卫星对地面区域目标进行凝视成像的仿真方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：

步骤二、将航天CMOS相机主点置于三轴气浮仿真平台中心，所述CMOS相机焦平面方向与三轴气浮仿真平台的水平方向平行，设定航天CMOS相机焦距为f，航天CMOS相机像元尺寸为a；则航天CMOS相机与LED靶标的对应关系满足：

\frac{a}{A} = \frac{f}{L};

式中，A为LED屏幕的点像素尺寸；

步骤三、设置三轴气浮仿真平台俯仰角度为θ，根据步骤一中LED靶标的运动速度V以及LED屏幕与三轴气浮仿真平台的距离L，确定三轴气浮仿真平台旋转角速度Ω，用下式表示为：

Ω = \frac{v \times \cos^{2} (θ)}{L};

2.根据权利要求1所述的视频卫星对地面区域目标进行凝视成像的仿真方法的仿真系统，包括球面P3型LED显示系统，航天CMOS相机成像系统和三轴气浮仿真平台姿态控制系统，所述球面P3型LED显示系统包括电脑，接收卡，发送卡和电源，系统上电后，接收卡和发送卡分别用于接收和发送动态LED靶标图像；所述三轴气浮仿真平台姿态控制系统包括光纤陀螺、飞轮、电源模块和控制计算机，通过光纤陀螺、飞轮、电源模块和控制计算机控制三轴气浮仿真平台顺时针旋转，当三轴气浮仿真平台的姿态旋转角速度与LED靶标运动速度匹配时，航天CMOS相机对目标模拟器进行凝视成像。