CN106596420A - 一种超大幅宽高分辨率成像系统及成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超大幅宽高分辨率成像系统及成像方法，所述系统包括扫描摆镜、变焦系统、可调光阑和探测器；扫描摆镜摆扫成像；变焦系统的焦距和可调光阑的狭缝大小随扫描摆镜的旋转角度发生瞬时变化，沿轨方向和穿轨方向的分辨率始终保持和星下点成像分辨率一致，以保证超大幅宽成像过程中的任意位置均保持和星下点成像分辨率一致的高分辨率成像。本发明优点在于：在扫描摆镜超大幅宽成像过程中，巧妙地利用变焦系统和可调光阑保证沿轨和穿轨方向的分辨率始终保持和星下点成像分辨率一致，最终实现超大幅宽成像过程中的任意位置的高分辨率成像，而且方法简单，易形成体积小重量轻的轻小型成像系统，可保证探测灵敏度。

Description

一种超大幅宽高分辨率成像系统及成像方法

技术领域

本发明涉及遥感成像技术，具体是指一种超大幅宽高分辨率成像系统及成像方法，可应用于机载或星载相机及高光谱成像仪超大幅宽高分辨率对地成像监测系统。

背景技术

遥感对地成像观测具有观测范围广、信息获取速度快、信息时效性高、信息量丰富等特点，在地球资源勘探、环境减灾、城市规划、地理测绘、农林资源普查等领域的作用越来越突出。鉴于高分辨率成像可获取地面目标更为精细的探测信息，提高目标识别、监测力度；大视场成像观测可大幅缩短目标重访周期，提高探测信息的时效性，用户对超大幅宽、高分辨率成像数据的需求越来越急迫。

现有技术中，获得超大幅宽、高分辨率成像数据的方法主要包括：多载荷视场拼接成像、单载荷整体摆扫成像和扫描摆镜摆扫成像。多载荷视场拼接成像方式简单且可以实现大幅宽成像，如比利时PROBA-V全球植被观测卫星，采用三个成像载荷拼接，可实现地面扫描刈幅宽度2250km高分辨率成像；我国的GF-1卫星，采用四台相机拼接，实现了地面扫描刈幅宽度830km高分辨率成像；多多载荷视场拼接成像虽然可以获得超大幅宽的高分辨率成像，但系统重量体积较大，不利于提高系统的探测灵敏度。单载荷整体摆扫和扫描镜摆扫成像方式，其基本原理与实现效果相同，都可实现超大幅宽的成像，且与多载荷视场拼接方法相比，其系统重量轻体积小，有利于提高系统的灵敏度。其缺陷在于：随着摆扫角度增大，地面分辨率急剧降低，如附图1和图2所示。

以上三种成像方式在技术上已经很成熟了，也可以满足一定应用领域的成像系统设计。但近年来，随着遥感技术的普及化和产业化以及结合国内外在轨及在研遥感成像载荷的发展现状，可以看出未来遥感成像载荷的发展趋势为轻小型，超大视场幅宽，高分辨率和高灵敏度，而显然以上现有的三种成像技术并不完全满足这些条件。如何在实现大幅宽观测视场的基础上，保证成像的高分辨率和高灵敏度，是遥感成像载荷实现轻小型，产业化和商业化的关键。

发明内容

本发明提出了一种超大幅宽高分辨率成像的系统及成像方法，旨在解决现阶段所面临的超大幅宽成像与高分辨率成像难以兼顾的难题，在扫描摆镜超大幅宽成像过程中，巧妙地利用变焦系统和可调光阑保证沿轨和穿轨方向的分辨率始终保持和星下点成像分辨率一致，最终实现超大幅宽成像过程中的任意位置的高分辨率成像，真正从硬件上实现了超大幅宽高分辨率成像。

为此，本发明采用以下技术方案：

一种超大幅宽高分辨率成像系统，如图3所示，包括扫描摆镜1、变焦系统2、可调光阑3和探测器4；来自地面景象的光线经扫描摆镜1反射后依次通过变焦系统2、位于探测器4上下两侧的可调光阑3后在探测器4上成像；扫描摆镜1摆扫成像时变焦系统2的焦距随扫描摆镜1的旋转角度发生瞬时变化，使沿轨方向的分辨率始终保持和星下点成像分辨率一致，可调光阑3的狭缝在光阑微调机构5的作用下随扫描摆镜1的旋转角度发生瞬时变化，在穿轨方向消畸变，使穿轨方向的分辨率始终保持和星下点成像分辨率一致，在扫描摆镜1大角度摆扫实现超大幅宽成像同时，实现了高分辨率成像。

一种超大幅宽高分辨率成像系统，如图4所示，包括扫描摆镜1、变焦系统2、可调光阑3和探测器4；来自地面景象的光线经扫描摆镜1反射后依次通过变焦系统2、位于变焦系统2像面上的可调光阑3后在探测器4上成像；扫描摆镜1摆扫成像时变焦系统2的焦距随扫描摆镜1的旋转角度发生瞬时变化，使沿轨方向的分辨率始终保持和星下点成像分辨率一致，可调光阑3的狭缝在光阑微调机构5的作用下随扫描摆镜1的旋转角度发生瞬时变化，在穿轨方向消畸变，使穿轨方向的分辨率始终保持和星下点成像分辨率一致，在扫描摆镜1大角度摆扫实现超大幅宽成像同时，实现了高分辨率成像。

其中，所述的变焦系统2的变焦范围为f_短—f_长，

f_短为系统在星下点成像时的系统焦距：

式中：H为星下点成像距离、d为探测器4的像元大小、GSD为星下点成像分辨率；

f_长为扫描摆镜1旋转角α为最大角度α_max时，形成最大幅宽边缘视场成像时的系统焦距：

式中：H_max为最大边缘成像距离、GSD_边为边缘星下点分辨率。

其中，所述变焦系统包括变倍组2-1和补偿组2-2，变倍组2-1和补偿组2-2连续变化，使变焦系统2的焦距随扫描摆镜1的旋转角度发生瞬时变化。

其中，所述的探测器4为品字形探测器、线列探测器或焦平面探测器。

一种基于上述超大幅宽高分辨率成像系统的成像方法，方法如下：

扫描摆镜1摆扫成像；变焦系统2的焦距随扫描摆镜1的旋转角度发生瞬时变化，使沿轨方向的分辨率始终保持和星下点成像分辨率一致，如图5所示；其中所述变焦系统2的瞬时焦距f与扫描摆镜1旋转角度α应满足如下关系式：

其中：d为探测器4像元的大小，R为地球半径，H为星下点成像距离，GSD为星下点成像分辨率；此时，当扫描摆镜1旋转角度α，变焦系统2瞬时焦距为f时，如图6所示，可求得穿轨方向剩余地面畸变大小为ΔGSD_穿轨：

其中，θ为沿轨方向所对应的瞬时视场角∠B'AB"：

a为沿轨方向近端离成像系统的距离AB'：

b为沿轨方向远端离成像系统的距离AB"：

d为探测器4像元的大小，R为地球半径，H为星下点成像距离，GSD为星下点成像分辨率；

此时，通过控制可调光阑3的狭缝大小也随扫描摆镜1的旋转角度发生瞬时变化，可使穿轨方向消畸变，使其分辨率始终亦保持和成像分辨率一致，如图7所示；得出可调光阑3的狭缝大小m与扫描摆镜1旋转角度α满足如下关系式：

沿轨方向和穿轨方向的分辨率始终保持和星下点成像分辨率一致，保证超大幅宽成像过程中的任意位置均保持和星下点成像分辨率一致的高分辨率成像；使扫描摆镜1大角度摆扫实现超大幅宽成像时，实现了高分辨率成像。

本发明采用以上技术方案，具有如下优势：

1)前沿研究，紧密结合遥感成像载荷超大幅宽、高分辨率成像观测需求；

2)在扫描摆镜超大幅宽成像过程中，巧妙地利用变焦系统和可调光阑保证沿轨和穿轨方向的分辨率始终保持和星下点成像分辨率一致，最终实现超大幅宽成像过程中的任意位置恒定的高分辨率成像。

3)真正从硬件上保证了超大幅宽成像观测中各个位置地面分辨率相等，大幅提高了目标信息获取量。

4)消除了定焦摆扫成像边缘成像数据冗余问题，极大降低了后续软件数据的复杂性与工作量；

5)硬件构成简单，可形成重量轻体积小的轻小型成像系统，保证了探测灵敏度；

6)突破了超大幅宽、高分辨率成像不能兼容的瓶颈问题，真正从硬件上实现了超大幅宽高分辨率成像。

附图说明

图1为现有技术中定焦摆扫超大幅宽成像过程中，地面分辨率随摆扫成像角度增大急剧降低示意图。

图2为现有技术定焦扫描超大幅宽成像过程中，地面分辨率成像示意图。

图3为本发明超大幅宽高分辨率成像系统的结构示意图。

图4为本发明另一实施例超大幅宽高分辨率成像系统的结构示意图。

图5为本发明经变焦系统后，地面分辨率成像示意图。

图6为本发明经变焦系统后穿轨方向剩余地面畸变分析示意图。

图7为本发明消除穿轨方向剩余地面畸变后，地面分辨率成像示意图。

图8为本发明所述的方法实际应用中变焦系统瞬时焦距f与扫描摆镜旋转角度α的关系匹配曲线。

图9为本发明所述的方法实际应用中变焦距成像系统变倍组、补偿组的焦距变化曲线。

图10为本发明所述的方法实际应用中可调光阑狭缝大小m与扫描摆镜旋转角度α的关系匹配曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、特征和优点更加的清晰，以下结合附图及实施例，对本发明的一种具体实施方式做出更为详细的说明，在下面的描述中，阐述了很多具体的细节以便于充分的理解本发明，但是本发明能够以很多不同于描述的其它方式来实施，因此，本发明不受以下公开的具体实施例的限制。

下面设星下点成像距离为H＝1km时，地面成像幅宽达到2.6km，将本发明所述的超大幅宽高分辨率成像系统及成像方法实际应用于高光谱成像仪，实现大幅宽成像时，地面成像分辨率GSD＝0.75m不变，具体如下：

根据方法实时步骤可获得基本参数为：f_短＝40mm、f_长＝62mm、α_max＝25.38°、GSD＝30μm，R＝6378.14km，进而可获得GSD＝0.75m保持不变时，变焦系统瞬时焦距f与摆镜旋转角度α的协同关系式：

关系曲线如图8所示。连续变焦系统变倍组2-1、补偿组2-2随焦距变化曲线如图9所示，以扫描摆镜摆旋转α为输入量，由变焦摆扫成像匹配关系获得任意旋转角度成像时的瞬时焦距值，然后依据图9调节变倍组与补偿组位置获得相应的瞬时焦距，此时，大幅宽地面成像结果示意图如图5所示，与常规超大幅宽扫描成像结果图2相比，沿轨方向地面分辨率保持为一定值，完全消除了数据冗余问题，大幅降低了后续数据处理的复杂度与工作量。

为消除另一维方向成像分辨率降低问题，根据本发明中提出利用可调光阑3，通过相应的消畸变控制关系式对光阑微调机构5进行控制，进而实现光阑3狭缝大小连续变化，将数据代入下列消畸变公式：

利用软件仿真可得到相应的光阑大小控制曲线，如图10所示。

最终地面成像结果示意图如图7所示，从图中可以看出：通过本发明提出的超大幅宽高分辨率成像的方法，巧妙地利用变焦系统和探测器的可调光阑保证沿轨和穿轨方向的分辨率始终保持和星下点成像分辨率一致，最终实现超大幅宽成像过程中的任意位置的高分辨率成像。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种超大幅宽高分辨率成像系统，包括扫描摆镜(1)、变焦系统(2)、可调光阑(3)和探测器(4)；其特征在于：

来自地面景象的光线经扫描摆镜(1)反射后依次通过变焦系统(2)、位于探测器(4)上下两侧的可调光阑(3)或者位于变焦系统(2)像面上的可调光阑(3)后在探测器(4)上成像；扫描摆镜(1)摆扫成像时变焦系统(2)的焦距随扫描摆镜(1)的旋转角度发生瞬时变化，使沿轨方向的分辨率始终保持和星下点成像分辨率一致，可调光阑(3)的狭缝在光阑微调机构(5)的作用下随扫描摆镜(1)的旋转角度发生瞬时变化，在穿轨方向消畸变，使穿轨方向的分辨率始终保持和星下点成像分辨率一致，在扫描摆镜(1)大角度摆扫实现超大幅宽成像同时，实现了高分辨率成像。

2.根据权利要求1所述的一种超大幅宽高分辨率成像系统，其特征在于：所述的变焦系统(2)的变焦范围为f_短—f_长，其中：

f_短为系统在星下点成像时的系统焦距：

式中：H为星下点成像距离、d为探测器(4)的像元大小、GSD为星下点成像分辨率；

f_长为扫描摆镜(1)旋转角α为最大角度α_max时，形成最大幅宽边缘视场成像时的系统焦距：

式中：H_max为最大边缘成像距离、GSD_边为边缘星下点分辨率。

3.根据权利要求1所述的一种超大幅宽高分辨率成像系统，其特征在于：所述的探测器(4)为品字形探测器、线列探测器或焦平面探测器。

4.一种基于权利要求1所述的超大幅宽高分辨率成像系统的成像方法，其特征在于方法如下：

扫描摆镜(1)摆扫成像；变焦系统(2)的焦距随扫描摆镜(1)的旋转角度发生瞬时变化，使沿轨方向的分辨率始终保持和星下点成像分辨率一致，其中所述变焦系统(2)的瞬时焦距f与扫描摆镜(1)旋转角度α应满足如下关系式：

$f=\frac{d}{GSD}\×\[(R+H)cos\left(2\mathrm{\α}\right)-\sqrt{R^2-{(R+H)}^2{\sin }^2\left(2\mathrm{\α}\right)}\],$

其中：d为探测器(4)像元的大小，R为地球半径，H为星下点成像距离，GSD为星下点成像分辨率；

所述的可调光阑(3)的狭缝大小也随扫描摆镜(1)的旋转角度发生瞬时变化，使穿轨方向的分辨率始终保持和成像分辨率一致，其中可调光阑(3)的狭缝大小m与扫描摆镜(1)旋转角度α满足如下关系式：

$GSD=1000\sqrt{a^2+b^2-2ab\·cos\mathrm{\θ}},$

其中，当扫描摆镜(1)旋转角度α，变焦系统(2)瞬时焦距为f时，θ为沿轨方向所对应的瞬时视场角：

$\mathrm{\θ}=\frac{m}{1000f}=\frac{m\·GSD}{1000d\·\[(R+H)cos\left(2\mathrm{\α}\right)-\sqrt{R^2-{(R+H)}^2{\sin }^2\left(2\mathrm{\α}\right)}\]},$

a为沿轨方向近端离成像系统的距离：

$a=(R+H)cos(2\mathrm{\α}-\frac{\mathrm{\θ}}{2})-\sqrt{R^2-{(R+H)}^2{\sin }^2(2\mathrm{\α}-\frac{\mathrm{\θ}}{2})},$

b为沿轨方向远端离成像系统的距离：

$b=(R+H)cos(2\mathrm{\α}+\frac{\mathrm{\θ}}{2})-\sqrt{R^2-{(R+H)}^2{\sin }^2(2\mathrm{\α}+\frac{\mathrm{\θ}}{2})};$

沿轨方向和穿轨方向的分辨率始终保持和星下点成像分辨率一致，保证超大幅宽成像过程中的任意位置均保持和星下点成像分辨率一致的高分辨率成像；使扫描摆镜(1)大角度摆扫实现超大幅宽成像时，实现了高分辨率成像。