CN108507539B - 一种光学相机单线阵推扫模式等地面分辨率成像方法 - Google Patents

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Abstract

一种光学相机单线阵推扫模式等地面分辨率成像方法，通过确定卫星光学相机视轴方向及与对面相对位置，再通过依次计算卫星光学相机质心到地面测量点的光程长度、光程圆周区域上卫星光学相机对地成像幅宽长度、卫星光学相机观察视场角度大小、地面测量点的地元分辨率最终完成光学系统的设计，解决了现有光学系统容易引起光程的非线性变化，导致地元分辨率计算出现较大误差的问题，稳定性好，可靠性高。

Description

一种光学相机单线阵推扫模式等地面分辨率成像方法
技术领域
本发明涉及一种光学相机单线阵推扫模式等地面分辨率成像方法，属于对地光学遥感成像领域。
背景技术
在对地光学遥感中，尤其是在相对地球运动的光学有效载荷中，为了获取更大范围的对地遥感信息，需要扩大光学相机可观测的视场角度，方式通常有以下三种：
一种是光机扫描方式，即通过扫描反射镜，在运动部件的带动下，按照预先设计的规则旋转扫描对地的物空间，实现大范围光学信息的获取；一种是光学相机随平台旋转，实现对地物空间的扫描，获取大范围光学信息；一种是在相机平台上，光学相机在驱动机构的带动下实现“侧摆”，完成对所关注物空间光学信息的获取。
然而由于光学视场不为零以及地球曲率等原因，在上述三种均采用传统几何光学成像模型的工作方式下，都会引起光程的非线性变化，从而出现扫描带的两端宽度大于正射点处的宽度，应用目前相机宽视场对地成像时，边缘视场的地元分辨率与正射点地元分辨率有着较大的差别，且偏离正射点的角度越大，差别就越大，在观测角度较大的宽视场对地遥感中尤其严重。这将导致地元分辨率不均一的的缺点，对后续图像的定量化应用产生不利影响：如加大了尺度变换、尺度效应以及图像反演的难度，同时降低了遥感质量。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对现有对地遥感成像技术中光程非线性变化、不同视场成像分辨率不均一的缺点，提出了一种光学相机单线阵推扫模式等地面分辨率成像方法，解决了现有光学系统相机宽视场对地成像难以保证边缘视场与正射点地元分辨率差别较大的问题。
本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：
一种光学相机单线阵推扫模式等地面分辨率成像方法，具体步骤如下：
(1)确定卫星光学相机视轴方向及卫星光学相机质心与地面的相对位置；
(2)选取光学相机视轴与地表交点为地面测量点，根据步骤(1)获取的卫星光学相机视轴方向及相对位置参数计算卫星光学相机质心到地面测量点的光程；
(3)根据步骤(2)计算所得光程长度，确定卫星光学相机到地面的等光程圆周区域，并确定该光程圆周区域上卫星光学相机对地成像幅宽的计算方法；
(4)根据步骤(3)所得幅宽计算方法，确定卫星光学相机观察视场角度大小；
(5)利用步骤(4)所得卫星光学相机观察视场角度进行光学相机推扫成像。
所述步骤(2)中，卫星光学相机质心到地面测量点的光程L的计算方法如下：
L＝(R+h)cosθ-[(R+h)2cos2θ-h2-2Rh]1/2
其中，R为地球半径，h为卫星距地面垂直高度，θ为当前卫星光学相机视轴方向与星下点方向夹角。
所述步骤(3)中，等光程圆周区域圆周部分所选地面测量点的卫星光学相机对地成像幅宽的计算方法如下：
Figure BDA0001577128870000021
其中，
Figure BDA0001577128870000022
为所选地面测量点卫星光学相机对地成像幅宽，Ω为相机对地成像幅宽
Figure BDA0001577128870000023
所对应光程圆周部分的圆心角。
所述步骤(4)中，卫星光学相机观察视场角度大小γ的计算方法为：
γ＝2arcsin(sinθsinΩ/2)。
所述卫星光学相机采用单线阵推帚扫描方式对地成像。
所述卫星光学相机采用TDI线阵相机。
优选的，所述TDI线阵相机的焦距为50mm。
进一步的，所述TDI线阵相机的入瞳孔径为5mm。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明提出了一种光学相机单线阵推扫模式等地面分辨率成像方法，通过采用单线阵推帚扫描方式对地成像，保证了在确定视场范围内，在相机对地成像幅宽相等的情况下，于所选地面测量点对地成像的地元分辨率相等，对后续光学遥感图像的定量化应用起到良好的推动作用；
(2)本发明提出了一种能够保证在选定区域内的恒地面分辨率成像方法，避免了光学结构的复杂性，兼容了大视场和恒定视场分辨率的要求。
附图说明
图1为发明提供的方法步骤流程图；
图2为发明提供的光程设计原理图；
具体实施方式
一种光学相机单线阵推扫模式等地面分辨率成像方法，如图1所示，流程步骤如下：
(1)确定卫星光学相机视轴方向及卫星光学相机质心与地面的相对位置，获取参数包括地球半径R、卫星距地面垂直高度h、当前卫星光学相机视轴方向与星下点方向夹角θ；
(2)根据步骤(1)获取的卫星光学相机视轴方向及相对位置参数计算卫星光学相机质心到地面测量点的光程，计算方法如下：
L＝(R+h)cosθ-[(R+h)2cos2θ-h2-2Rh]1/2；
(3)根据步骤(2)计算所得光程长度，确定卫星光学相机的等光程圆周区域，并确定该等光程圆周区域上卫星光学相机对地成像幅宽的计算方法如下：
Figure BDA0001577128870000041
其中，
Figure BDA0001577128870000042
为所选地面测量点卫星光学相机对地成像幅宽，Ω为相机对地成像幅宽
Figure BDA0001577128870000043
所对应的圆心角；
(4)根据步骤(3)所得幅宽计算方法，确定卫星光学相机观察视场角度大小γ的计算方法为：
γ＝2arcsin(sinθsinΩ/2)；
所述步骤(5)中，利用步骤(4)所得卫星光学相机观察视场角度进行光学相机推扫成像，同时对等光程圆周区域及其他区域进行地元分辨率验证，其中：
如图2所示，分别选择等光程圆周区域上的任一地面测量点E及地表上非圆周区域上的地面测量点F，计算所选地面测量点的光程值及地元分辨率并进行比较，同时确定C点的地元分辨率，具体计算步骤如下：
选择等光程圆周区域上的任一地面测量点C，计算所选地面测量点的光程值及地元分辨率，具体计算步骤如下：
(51)C点光程值LAC的计算方法为：
LAC＝(R+h)cosθ-[(R+h)2cos2θ-h2-2Rh]1/2；
(52)所选C点的地元分辨率Res-C计算方法如下：
Figure BDA0001577128870000044
(53)E点光程值LAE的计算方法为：
LAE＝(R+h)cosθE-[(R+h)2cos2θE-h2-2Rh]1/2；
(54)F点光程值LAF的计算方法为：
LAF＝(R+h)cosθF-[(R+h)2cos2θF-h2-2Rh]1/2；
(55)所选E点的地元分辨率Res-E计算方法如下：
Figure BDA0001577128870000051
(56)所选F点的地元分辨率Res-F计算方法如下：
Figure BDA0001577128870000052
其中，d为探测器像敏元几何尺寸，f为卫星光学相机焦距；
由步骤(51)～(54)可得Res-E≠Res-F＝Res-C，可得等光程圆周区域与其他区域地元分辨率不同，等光程区域圆周上测量点的地元分辨率相同。
同时，所述光学相机采用TDI线阵相机，并利用单线阵推帚扫描方式对地成像，相机焦距为50mm，入瞳孔径为5mm。
确认相机于相对地球运动的轨道上工作后，采用单线阵推帚扫描方式对地成像，即可使像平面上所有像元在轨道上对地光学遥感时保证在等光程成像圆周上，视场边缘成像效果与正射点成像效果相同。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种光学相机单线阵推扫模式等地面分辨率成像方法，其特征在于步骤如下：
(1)确定卫星光学相机视轴方向及卫星光学相机质心与地面的相对位置；
(2)选取光学相机视轴与地表交点为地面测量点，根据步骤(1)获取的卫星光学相机视轴方向及相对位置参数计算卫星光学相机质心到地面测量点的光程；
卫星光学相机质心到地面测量点的光程L的计算方法如下：
L＝(R+h)cosθ-[(R+h)2cos2θ-h2-2Rh]1/2
其中，R为地球半径，h为卫星距地面垂直高度，θ为当前卫星光学相机视轴方向与星下点方向夹角；
(3)根据步骤(2)计算所得光程长度，确定卫星光学相机到地面的等光程圆周区域，并确定该光程圆周区域上卫星光学相机对地成像幅宽的计算方法；
等光程圆周区域圆周部分所选地面测量点的卫星光学相机对地成像幅宽的计算方法如下：
Figure FDA0002563743330000011
其中，
Figure FDA0002563743330000012
为所选地面测量点卫星光学相机对地成像幅宽，Ω为相机对地成像幅宽
Figure FDA0002563743330000013
所对应光程圆周部分的圆心角；
(4)根据步骤(3)所得幅宽计算方法，确定卫星光学相机观察视场角度大小；
卫星光学相机观察视场角度大小γ的计算方法为：
γ＝2arcsin(sinθsinΩ/2)；
(5)利用步骤(4)所得卫星光学相机观察视场角度进行光学相机推扫成像；
其中，所述卫星光学相机采用单线阵推帚扫描方式对地成像，所述卫星光学相机采用TDI线阵相机，所述TDI线阵相机的设定焦距为50mm，所述TDI线阵相机的设定入瞳孔径为5mm。
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