CN106441237A - 一种光学遥感卫星相机成像参数在轨自主调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光学遥感卫星相机成像参数在轨自主调整方法，用于适应性地调整光学遥感卫星相机的动态范围以确保获取灰度和层次最佳的图像质量，包括：在成像操作开始前或成像操作期间，获取航天器对被摄目标成像时的太阳高度角并进行合法性判断以选出合适的成像参数；通过周期性地查询太阳高度角与增益级数关系表，中央处理计算机获得与所选出的合适的成像参数匹配的相机增益级数参数值；将相机增益级数参数值以预定格式发送至相机控制器，从而对成像电路进行对应设置。因此，本发明能够很好的满足星载CCD相机成像增益和积分级数等随着入瞳能量进行灵活调整的要求，可扩展广泛应用于光学遥感卫星的成像参数计算上，具有较强的实用性和通用性。

Description

一种光学遥感卫星相机成像参数在轨自主调整方法

技术领域

本发明涉及光学成像领域，具体涉及一种光学遥感卫星相机成像参数在轨自主调整方法，特别是星载电荷耦合元件(charge-coupled device，以下简称为CCD)相机的成像参数在轨自适应调整的方法。

背景技术

光学遥感卫星的主要评判标准是卫星的图像质量，星载相机的观测动态范围是评价卫星图像质量的一项重要性能指标，动态范围是指不饱和情况下成像系统对于输入信号所能响应的最大输出幅度和可分辨的最小信号幅度之比。动态范围越大，表征可分辨率的层次越多，信息量越大，图像的目视效果越好。如果动态范围设计不合理，会在图像中出现高端饱和、丢失信息或高端闲置、信息压缩在低端的情况。这就要求相机动态范围的设置应能使得成像目标不同部位的微小反射率差异都尽可能在图像灰度级上有所反映。

光学遥感卫星的观测动态范围受地面景物反射率、太阳高度角和相机参数设置等多种因素的影响。在设计遥感器时，必须首先根据任务需要确定观测动态范围，然后根据观测动态范围的需要和像质的要求，设计和选定遥感器的最佳输出动态范围，以确保最终的理想像质。

根据多颗遥感卫星像质的统计和分析发现在同一轨卫星图像中，在相同的相机参数设置下，不同区域的卫星图像亮度差别很大。有的图像层次丰富、有的图像层次集中在少数灰度级上。在同一幅图像中，由于被摄目标的不同，存在整幅图像灰度值都偏低的情况下，部分区域仍会出现饱和现象(例如，南北极地区)。对于同一区域随着季节、天气情况、地面景物反射的变化，图像差别也较大。要想满足所有成像时刻、所有区域、所有目标的图像都层次丰富，不调节相机的动态范围，在同一相机参数的情况下是不可能实现的。

为了在不同季节、拍摄区域下获得较好的图像质量，可以通过调节相机CCD积分级数和增益，使相机对不同入瞳能量的情况下都具有较好的动态响应。

目前，星载时间延迟积分(time delay and integration，以下简称为TDI)CCD成像系统提供了对积分级数和增益进行调整的功能，卫星在轨期间，可以根据不同的季节和不同的成像区域，以及卫星用户重点关注的地面目标，在每次成像时对相机参数进行设置。传统卫星成像参数调整将需要设置的增益、级数上注给中央处理计算机，在相机成像开始前，参数存储在中央处理计算机的存储器中，当每次成像开始后，中央处理计算机将事先约定了格式的增益、级数参数再转发给相机。这样做的好处是卫星在轨运行之后，能够根据相机定标试验或图像的效果调整TDI CCD的设置参数，结合相机的动态范围，能够获得效果更优良的图像。同时，如果参数选取合适或被摄目标地物反射率差异不大，则能够在一段时间内不用对卫星进行操作而使成像系统工作在最优设置下。在保证成像效果的前提下，一定程度上提升了使用的便捷性。

但是，现有技术中的这种参数设置方式存在以下问题：

1)不够灵活，实时性不强——若被摄目标跨越南北半球或地物特性差异较大使得反射率发生强烈的变化，同时受到卫星测控弧段的限制或成像时间的制约，用户常常无法在一次拍摄任务过程中根据地物目标的变化实时地设置成像参数；

2)用户运控负担增加——采用这种参数设置方式，在地面需要进行一系列计算，用户常常需要对被摄目标、所成像时段的地物特性具备一定的先验知识，并根据预计开始拍摄的季节、时间等进行参数预估，才能选取和上注合适的成像参数；

3)参数选取可能出现误差——采用这种方式，参数的选择多数依赖于用户对被摄目标地理地貌特性以及被摄目标特定时刻成像环境的预估和仿真结果，这个环节难免引入误差。当预估和仿真结果出现偏差时，会造成参数选择的不合理进而影响图像质量。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种星载CCD相机增益和积分级数在轨自主调整方案，解决在不同季节、不同观测区域，相机自适应不同入瞳能量动态响应问题，从而合理调整相机的动态范围，以确保获取灰度和层次最佳的图像质量。

本发明提供了一种光学遥感卫星相机成像参数在轨自主调整方法，用于适应性地调整光学遥感卫星相机的动态范围以确保获取灰度和层次最佳的图像质量，包括以下步骤：步骤一，在成像操作开始前或成像操作期间，获取航天器对被摄目标成像时的太阳高度角并进行合法性判断，以选出合适的成像参数；步骤二，通过周期性地查询太阳高度角与增益级数关系表，中央处理计算机获得与所选出的合适的成像参数匹配的相机增益级数参数值；以及步骤三，中央处理计算机将相机增益级数参数值以预定格式发送至相机控制器，从而对成像电路进行对应设置。

优选地，被摄目标在在被航天器成像时的太阳高度角随地球自转和航天器的飞行而变化，从而引起光学遥感卫星相机的入瞳能量变化。太阳高度角与增益级数关系表在卫星入轨前被预存在中央处理计算机的存储器中并且在卫星在轨运行后通过上行注入链路而更新。

在本发明中，步骤一还包括：对所获取的太阳高度角进行数字滤波，以保证数据的有效性和可靠性，从而防止姿态抖动或通信传输过程中噪声造成的不正确数据野值被输入至成像参数计算中；以及按照预设周期进行成像参数获取操作，以根据实际被摄目标的信息和成像条件进行对应设置，从而满足不同在轨使用需求。

具体地，在步骤二中执行：将所获取的太阳高度角以信息形式输入；以及根据最佳输出像质与入瞳辐亮度的计算关系，通过换算获得与被摄目标相适应的成像参数，从而获得与成像参数对应的相机增益级数参数值。

在步骤三中执行：按照预设周期计算获得成像参数；通过中央处理计算机对成像参数进行分析和比对，从而判断被摄目标的地物变化和太阳高度角的变化是否引起成像参数的变化；以及当引起变化时，按照预定参数格式将成像参数发送至光学遥感卫星相机以完成本周期的参数调整，从而保证本次成像条件下的参数的合理。另外，尽可能少次数地为光学遥感卫星相机设置参数，从而同时获得最佳成像效果。

额外地，根据本发明的光学遥感卫星相机成像参数在轨自主调整方法还包括：对于功能实现的可靠性和安全性，在实际星载应用时，保留传统的成像参数地面注入模式，从而保证在星上自主计算相机成像参数功能故障或失效的情况下进行光学遥感卫星相机的成像参数的设置。或者，对于实际处理图像时对参数适时调整需求的迫切程度，将光学遥感卫星相机初始化设置为地面上注模式和星上自主模式，从而通过发送星务指令来进行不同模式间的切换。

因此，采用本发明，可以获得以下的有益效果：

1)使用灵活——本发明采用的光学遥感卫星成像参数在轨自主调整的方法，太阳高度角由星载敏感器件实时感知获得，并传递至中心计算机(中央处理计算机)，作为判断成像时刻入瞳能量的依据。这样，中心计算机通过对入瞳能量的判断可以在轨自主完成相机成像参数的调整，不受地面测控弧段的制约，使用更灵活。

2)实时性强——本发明中的算法的输入参数和输出设置都是星上自主获得的，是一种实时控制方法。当被摄目标跨越南北半球引起入瞳能量剧烈变化时，根据实时的太阳高度角即可实时地调整相机的成像参数。

3)在本发明的方法中，成像参数在轨计算的周期可以根据使用的需求进行设置，即参数设置与地物特性变化的相关性可变，能够做到强实时地调整成像参数，使得图像质量更及时地随被摄目标特性调整。

4)减轻用户的压力——本发明采用的光学遥感卫星成像参数在轨自主调整方法由于引入了敏感器的实时感知结果，用户规划了任务选择了感兴趣的拍摄目标后，可以直接上注任务开启自主计算的功能，星上计算机将能够完成设置合适参数的功能，并不需要像传统方式中需要对目标区域具有一定的先验知识和分析并在成像前选择合适的参数。可以在一定程度上减轻运控压力。

附图说明

图1是本发明的光学遥感卫星相机成像参数在轨自主调整方法的流程框图；

图2是图1中的参数调整方法中的参数计算过程的实施流程图；以及

图3是图1中的参数调整方法中的成像条件获取过程中中所涉及到的太阳高度角计算方法的示意图。

具体实施方式

应了解，本发明的光学遥感卫星相机成像参数在轨自主调整方法主要包括成像条件信息的获取、成像参数计算和参数设置，具体包括以下操作：

1)成像条件信息获取——随着地球的自转和航天器的飞行，航天器在对不同被摄目标成像时的太阳高度角会变化，进而导致相机入瞳能量的变化，在成像开始前或成像期间，首先需要获取被摄目标的太阳高度角，并进行合法性判断；

2)成像参数计算——中央处理计算机通过周期性地查询“太阳高度角——增益级数”表格，获得与成像条件匹配的相机增益级数参数值，此参数表格是在入轨前预存在中心计算机存储器中的且在轨运行后可以通过上行注入链路进行更新；

3)成像参数调整——中央处理计算机将参数计算结果按照事先约定好的格式发送至相机控制器，控制器按照参数对成像电路进行设置。

下面结合附图1-3及具体实施方式对本发明进行详细说明。

应了解，本发明中所提到的星载相机均为TDI CCD相机。

首先，本发明的相机成像参数在轨调整方法需要解决以下几个问题：

1、星上自主实时获取成像条件；

2、星载相机成像参数计算的算法；

3、参数设置方法，包括参数设置的时机，参数设置的方式，参数传输的路径等；

4、实际星载应用的灵活性。

如图1所示，示出了本发明的光学遥感卫星相机成像参数在轨自主调整方法的流程框图。其中，成像参数计算是根据太阳高度角信息计算出合适的成像参数。成像参数设置是对成像电路设置计算出的参数。

成像条件获取

成像条件获取目的是收集观测目标在成像时刻的太阳高度角，进而确定合适的成像参数。

在卫星±Y翼太阳帆板上安装有太阳敏感器，可以用来感知太阳相对卫星的位置，为姿轨控分系统进行姿态计算、控制星体姿态和对日定向提供输入数据。

太阳敏感器能够输出太阳光轴与帆板法线方向的夹角，当卫星以正常姿态(纵轴对地)飞行时，帆板法线方向可近似认为是拍摄地物目标的法线方向，这样可以进一步推算出被摄目标的太阳高度角。同时为了防止姿态抖动或通信传输过程中噪声造成不正确的数据野值输入至成像参数计算算法中，本方法在这里会对获得的太阳高度角信息进行数字滤波，保证数据的有效性和可靠性。同时为了满足在轨使用的不同需求，这里的计算过程可以按照预设的周期进行，用户可以根据实际被摄目标的信息和成像条件等进行设置。

如图3，为太阳光轴矢量和Z轴夹角的余弦值Soz示意，采集传输单员(collect transfer unit，以下简称为CTU)每隔8个实时遥测帧从AOCC取数字量遥测(太阳光轴矢量和Z轴夹角的余弦值Soz)连续取三次，分别记为Soz1、Soz2、Soz3。对Soz1、Soz2、Soz3做如下判断：

去掉最大值和最小值，留下的余弦值记为

判断若满足则以Soz3作为当前太阳光轴矢量和Z轴夹角的余弦值；若不满足，则以作为当前太阳光轴矢量和Z轴夹角的余弦值，对此余弦值保留小数点后4位(四舍五入)。

当太阳矢量与+Z轴夹角大于90°时，Soz＜0，星下点为白天，此时太阳高度角θ_h可按照θ_h＝arccos(Soz)-90°计算，可得到cos(θ_h+90°)＝Soz。

成像参数计算

如上描述可知，在设计了遥感器的最佳观测动态范围之后，需要计算出CCD器件的入瞳辐亮度，才可以选择适当的成像参数以便获得较好的像质。实际在轨使用中，一般使用被摄目标特定时刻的太阳高度角来估计其对CCD器件所产生的入瞳能量。

因此，由成像条件获取步骤得到的太阳高度角信息会被用来输入成像参数计算的算法中，根据最佳输出像质与入瞳辐亮度的计算关系，换算得到与被摄目标相适应的成像参数。

根据成像条件获取步骤中得到的当前太阳光轴矢量和Z轴夹角的余弦值，运用查表的方式进行相机增益数据的计算。夹角与增益对应查询表如表1所示。表1为不同太阳高度角相机增益级数参数设置表，其中的数据是根据地面测试结果、先验知识积累总结得到。

表1

若余弦值超出表1所列范围，则将地面星务指令设置的相机初始化参数值发送给相机且此时星务指令中设置的自主计算周期无效。

成像参数调整

本发明所涉及的全部计算过程均在中央处理计算机中进行。在按照预设的周期计算得到成像参数后，中央处理计算机将进行参数分析和比对，判断被摄目标地物变化、太阳高度角的变化是否引起了本次成像参数的变化。若已经引起本次计算的成像参数的变化，则中央处理计算机按照预先约定的参数格式将参数发送至星载相机，完成本周期的参数调整，保证本次成像条件下参数的合理，且为相机设置参数次数尽量少同时尽可能获得最佳成像效果。

实际星载应用模式

然而，从功能实现的可靠性和安全性方面考虑，为了保证在星上自主计算相机成像参数功能故障或失效的情况下仍能完成相机成像参数的设置，实际星载应用时仍然保留传统的成像参数地面注入模式。同时也考虑用户实际处理图像时对参数实时调整需求的迫切程度，相机初始化设置设计有两种模式：地面上注/星上自主，可以通过发送星务指令进行不同模式间的切换。

地面上注模式：中央处理计算机不进行相机成像参数计算，相机初始化指令中的设置值通过地面发送星务指令进行更改，若地面不发送相机初始化星务指令则星务计算机向相机发送默认的初始化设置值。

星上自主模式：星务计算机启动相机成像参数计算功能。开始计算时机为：压缩编码器开机指令发出(载荷开始工作点)15s±125ms之后立即启动。开始计算后星务计算机将以固定周期计算相机成像参数，当计算结果与最近一次自主计算结果不同时，星务计算机依据最近一次的计算结果立即(250ms内)通过相机初始化设置指令对相机进行设置。本次计算结果与最近一次自主计算结果相比无变化的相机，则本次不发送发送参数设置指令。

星务计算机停止计算的条件为发出压缩编码器关机任意一条指令发出后250ms内(载荷结束工作点)。

因此，本发明能够很好的满足星载CCD相机成像增益和积分级数等随着入瞳能量进行灵活调整的要求，可扩展广泛应用于光学遥感卫星的成像参数计算上，具有较强的实用性和通用性。

本发明中未说明部分属于本领域的公知技术。

Claims (9)

1.一种光学遥感卫星相机成像参数在轨自主调整方法，用于适应性地调整光学遥感卫星相机的动态范围以确保获取灰度和层次最佳的图像质量，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，在成像操作开始前或成像操作期间，获取航天器对被摄目标成像时的太阳高度角并进行合法性判断，以选出合适的成像参数；

步骤二，通过周期性地查询太阳高度角与增益级数关系表，中央处理计算机获得与所选出的合适的成像参数匹配的相机增益级数参数值；以及

步骤三，所述中央处理计算机将所述相机增益级数参数值以预定格式发送至相机控制器，从而对成像电路进行对应设置。

2.根据权利要求1所述的光学遥感卫星相机成像参数在轨自主调整方法，其特征在于，所述被摄目标在在被所述航天器成像时的太阳高度角随地球自转和所述航天器的飞行而变化，从而引起所述光学遥感卫星相机的入瞳能量变化。

3.根据权利要求2所述的光学遥感卫星相机成像参数在轨自主调整方法，其特征在于，所述步骤一还包括：

对所获取的太阳高度角进行数字滤波，以保证数据的有效性和可靠性，从而防止姿态抖动或通信传输过程中噪声造成的不正确数据野值被输入至成像参数计算中；以及

按照预设周期进行成像参数获取操作，以根据实际被摄目标的信息和成像条件进行对应设置，从而满足不同在轨使用需求。

4.根据权利要求1所述的光学遥感卫星相机成像参数在轨自主调整方法，其特征在于，所述太阳高度角与增益级数关系表在卫星入轨前被预存在所述中央处理计算机的存储器中并且在卫星在轨运行后通过上行注入链路而更新。

5.根据权利要求3所述的光学遥感卫星相机成像参数在轨自主调整方法，在所述步骤二中执行：

将所获取的所述太阳高度角以信息形式输入；以及

根据最佳输出像质与入瞳辐亮度的计算关系，通过换算获得与所述被摄目标相适应的成像参数，从而获得与所述成像参数对应的所述相机增益级数参数值。

6.根据权利要求5所述的光学遥感卫星相机成像参数在轨自主调整方法，在所述步骤三中执行：

按照所述预设周期计算获得所述成像参数；

通过中央处理计算机对所述成像参数进行分析和比对，从而判断所述被摄目标的地物变化和所述太阳高度角的变化是否引起所述成像参数的变化；以及

当引起变化时，按照预定参数格式将所述成像参数发送至所述光学遥感卫星相机以完成本周期的参数调整，从而保证本次成像条件下的参数的合理。

7.根据权利要求6所述的光学遥感卫星相机成像参数在轨自主调整方法，其特征在于，所述步骤三还包括：

尽可能少次数地为所述光学遥感卫星相机设置参数，从而同时获得最佳成像效果。

8.根据权利要求1所述的光学遥感卫星相机成像参数在轨自主调整方法，其特征在于，还包括：

对于功能实现的可靠性和安全性，在实际星载应用时，保留传统的成像参数地面注入模式，从而保证在星上自主计算相机成像参数功能故障或失效的情况下进行所述光学遥感卫星相机的成像参数的设置。

9.根据权利要求1所述的光学遥感卫星相机成像参数在轨自主调整方法，其特征在于，还包括：

对于实际处理图像时对参数适时调整需求的迫切程度，将所述光学遥感卫星相机初始化设置为地面上注模式和星上自主模式，从而通过发送星务指令来进行不同模式间的切换。