CN108965708A - 利用小视场相机实现大视场广域搜索的成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

利用小视场相机实现大视场广域搜索的成像系统及方法涉及遥感相机成像技术领域，解决了成像系统的结构轻简和大视场高分辨成像需求不能同时满足以及成像方法得到的视场不连续的问题，该系统包括：遥感平台、连接遥感平台且绕遥感平台转动的转动机构、沿转动机构长度方向设置在其上的多个成像载荷系统、连接遥感平台和每个成像载荷系统的成像解算模块，成像解算模块控制遥感平台的姿态调整、控制成像载荷系统的机动调整与成像、通过遥感平台控制转动机构的转动。方法包括分别计算确定成像载荷系统的成像帧间隔和所需成像载荷系统的数量，选择成像载荷系统并拍摄。本发明满足结构轻简和大视场高分辨成像需求，利用小视场相机实现大视场广域搜索。

Description

利用小视场相机实现大视场广域搜索的成像系统及方法

技术领域

本发明涉及遥感相机成像模式设计与应用技术领域，具体涉及利用小视场相机实现大视场广域搜索的成像系统及方法。

背景技术

空天遥感类相机成像系统质量、体积与分辨率、幅宽一直以来是相互制约的，在传统的空天遥感类相机设计思路上，要想实现高分辨率、宽幅成像，整个成像系统的口径、焦距等指标必然显著增大，这直接带来了成像系统本身质量与体积的提升，进而导致遥感平台体量的增大。在广域搜索等应用场合中，需要遥感器具有极大的视场，而大视场相机的制造往往是复杂且困难的，因此，研究利用小视场相机实现大视场广域搜索成像的方法及系统变得十分重要。

目前针对成像方法，现有的成像模式，如针对航天平台的星下点成像模式、大角度侧摆成像模式、多轨条带成像模式、同轨条带成像模式、同轨立体成像模式等，或针对航空平台的推扫成像模式、摆扫成像模式等，均采用遥感平台与相机系统间高精度姿态的配合实现高精度的特定成像目的。而现有的具备高分辨率条件下视场拓宽能力的成像模式其大视场的构建大都是时间不连续或空间不连续的，这不利于广域搜索等应用的实施。

发明内容

为了解决现有成像系统的结构轻简和大视场高分辨成像需求不能同时满足的问题，以及成像方法得到的视场不连续的问题，本发明提供利用小视场相机实现大视场广域搜索的成像系统及方法，突破常规相机应用传统的成像模式进行成像视场较小的瓶颈，实现了利用装备小视场成像载荷的遥感平台能够大视场广域成像。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

利用小视场相机实现大视场广域搜索的成像系统，包括遥感平台、连接遥感平台且绕遥感平台转动的转动机构、沿转动机构长度方向设置在其上的多个成像载荷系统、以及连接遥感平台和每个成像载荷系统的成像解算模块，所述成像解算模块控制遥感平台的姿态调整、控制成像载荷系统的机动调整与成像、通过遥感平台控制转动机构的转动。

利用小视场相机实现大视场广域搜索的成像系统的成像方法，包括如下步骤：

步骤一、成像解算模块接收成像任务，根据成像任务计算转动机构角速度；

步骤二、成像解算模块根据成像载荷系统延轨向视场角、遥感平台的高度和步骤一的计算结果计算转动机构自转360度所需的成像帧数；

步骤三、成像解算模块根据步骤一和步骤二的计算结果计算成像载荷系统环扫成像帧最大时间间隔，并确定成像载荷系统的成像帧间隔；

步骤四、成像解算模块计算成像载荷系统的成像曝光时间；

步骤五、成像解算模块根据成像载荷系统垂轨方向视场角、成像载荷系统极限侧摆角、成像载荷系统横滚向转动速度和步骤三的成像载荷系统成像帧间隔计算成像载荷系统在成像帧间隔内的成像次数；

步骤六、成像解算模块根据地面幅宽、步骤五的计算结果和成像载荷系统垂轨方向视场角计算成像任务所需成像载荷系统的数量；

步骤七、成像解算模块将步骤一的计算结果传至遥感平台，遥感平台接收并据此控制转动机构转动，成像解算模块根据步骤六的计算结果选择成像载荷系统；

步骤八、成像解算模块控制步骤七中选择的成像载荷系统机动调整与成像。

本发明的有益效果是：

1、成像载荷系统作为小视场的相机，通过遥感平台、转动机构与多个成像载荷系统间运动及姿态的配合，小视场的相机实现大视场的成像。多个成像载荷系统本身质量与体积的都小于原有的成像系统，进而本发明的成像系统的遥感平台体量也小于原有的成像系统的遥感平台。解决了现有空天遥感平台成像系统质量、体积与分辨率、幅宽的矛盾及现有小视场相机在大视场成像应用中的瓶颈问题。在广域搜索等应用场合中，大视场相机的制造往往是复杂且困难的，本发明的成像载荷系统的结构简单制作简单。

2、本发明的利用小视场相机实现大视场广域搜索的成像系统同时满足大视场高分辨成像需求的问题，同时为了突破常规相机应用传统的成像模式进行成像视场较小的瓶颈，遥感平台通过特定的转动机构与多个成像载荷系统间运动及姿态的配合，即可实现保持高分辨率情况下实时大视场图像的获取，提升小视场成像系统的探测能力，保障小视场相机在广域搜索等具有大视场成像需求的应用中发挥作用，这将为装备小视场成像载荷的空天遥感平台实现高分辨率大视场成像提供保障。

3、通过成像解算模块控制遥感平台的姿态调整、控制成像载荷系统的姿态调整与成像、通过遥感平台控制转动机构的转动，本发明的利用小视场相机实现大视场广域搜索的成像方法突破常规相机应用传统的成像模式进行成像视场较小的瓶颈，通过本发明的成像方法得到的视场连续。

附图说明

图1为本发明的成像系统的结构示意图。

图2为本发明的成像系统的地面轨迹和转动机构轨迹示意图

图3为图2采用四个成像载荷系统的覆盖示意图。

图4为本发明的成像方法的流程图。

图中：1、遥感平台，2、转动机构，2-1、固定轴，2-2、铰链，2-3、转动杆，3、成像解算模块，4、成像载荷群组，4-1、成像载荷系统。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

利用小视场相机实现大视场广域搜索的成像系统，如图1所示包括遥感平台1、转动机构2、成像载荷群组4和成像解算模块3。转动机构2连接遥感平台1，转动机构2能绕遥感平台1转动。成像载荷群组4设置在转动机构2上，成像载荷群组4包括多个成像载荷系统4-1，多个成像载荷系统4-1沿转动机构2长度方向设置在转动机构2上，也就是转动机构2的转动带动其上的多个成像载荷系统4-1同时绕遥感平台1转动。成像解算模块3连接遥感平台1，也连接每个成像载荷系统4-1。成像解算模块3控制遥感平台1的姿态调整、控制成像载荷系统4-1的机动调整与成像、通过遥感平台1控制转动机构2的转动。

转动机构2的具体结构包括固定轴2-1、铰链2-2和转动杆2-3，固定轴2-1固定连接遥感平台1，铰链2-2连接固定轴2-1，铰链2-2用以实现转动机构2转动，转动杆2-3连接铰链2-2，转动杆2-3可绕固定轴2-1旋转。所有的成像载荷系统4-1沿转动杆2-3长度方向设置在转动杆2-3上。优选的是成像载荷系统4-1均匀分布在转动杆2-3上。

遥感卫星地面站上会预先设定卫星轨迹，地面站信号连接成像解算模块3。成像解算模块3根据地面站上传到其上的轨迹参数和遥感平台1提供的遥感平台1自身的实时姿轨信息，成像解算模块3计算遥感平台1该如何调整，计算得出遥感平台1的姿态调整数据，成像解算模块3将姿态调整数据传输至遥感平台1，遥感平台1接收并据此进行姿态调整。成像解算模块3根据地面站上传到其上的轨迹参数计算得出成像载荷系统4-1的姿态信息并将姿态信息发送至成像载荷系统4-1，成像载荷系统4-1接收并据此进行机动调整和/或成像(机动调整同时成像、只是机动调整、只是成像)。成像解算模块3根据地面站上传到其上的轨迹参数和遥感平台1提供的遥感平台1实时姿轨信息，成像解算模块3计算转动机构2该如何转动，计算得出转动机构2的转动信息，成像解算模块3将转动信息传输至遥感平台1，遥感平台1接收并据此控制转动机构2的转动。成像解算模块3发出停止转动的信号至遥感平台1，遥感平台1接收并据此控制转动机构2的停止转动。成像解算模块3发出开始转动的信号至遥感平台1，遥感平台1接收并据此控制转动机构2的开始转动。

成像载荷群组4中成像载荷系统4-1的个数根据实际探测系统幅宽、侧摆能力、成像帧频、曝光时间及地面覆盖需求等因素确定。多个成像载荷系统4-1之间可以是完全相同的也可以是不完全相同，只要满足其机动调整与成像这一功能。位于转动机构2与遥感平台1相连位置的成像载荷系统4-1作为成像载荷群组4的中心载荷，位于相对中心的转动机构2最远的成像载荷系统4-1作为成像载荷群组4的边缘载荷，其余成像载荷系统4-1按照距离均分方式位于中心载荷与边缘载荷之间。

本实施方式中的多个成像载荷系统4-1为相同的结构。遥感平台1上连接转动机构2，转动机构2采取偏航向自转并带动成像载荷系统4-1对地面区域环扫进行成像，自转速度由地面轨迹决定；成像载荷系统4-1作为小视场的相机，各成像载荷系统4-1采用面阵成像模式，在边缘环扫方向两个成像帧间隔时间内，各成像载荷系统4-1在其横滚向进行侧摆成像；通过转动机构2带动成像载荷系统4-1的环扫运动及成像载荷系统4-1自身的侧摆运动，实现对地面大视场区域的完全覆盖成像。图2为成像系统的地面轨迹和转动机构2轨迹示意图，图2中的竖直的直线为成像系统的轨迹，曲线为成像载荷群组4的轨迹，图3为图2采用四个成像载荷系统4-1的从A点运动到B点的轨迹覆盖示意图。

利用本发明涉及的成像系统的空间遥感平台1通过转动机构2与成像载荷系统4-1的运动实现成像视场的拓展，提升小视场成像系统的探测能力，实现了小视场相机实现大视场的成像，保障小视场相机在广域搜索等具有大视场成像需求的应用中发挥作用；同时实现在保障视场指标要求的条件下缩小成像系统口径、降低遥感系统质量等目的。多个成像载荷系统4-1本身质量与体积的都小于原有的成像系统，进而本发明的成像系统的遥感平台1体量也小于原有的成像系统的遥感平台1。在广域搜索等应用场合中，大视场相机的制造往往是复杂且困难的，本发明的成像载荷系统4-1的结构简单制作简单。同时满足大视场高分辨成像需求的问题，同时为了突破常规相机应用传统的成像模式进行成像视场较小的瓶颈，遥感平台1通过特定的转动机构2与多个成像载荷系统4-1间运动及姿态的配合，即可实现保持高分辨率情况下实时大视场图像的获取，为装备小视场成像载荷的空天遥感平台1实现高分辨率大视场成像提供保障。

本发明利用小视场相机实现大视场广域搜索的成像系统的成像方法，图4为对应的流程图，具体包括如下步骤：

步骤一、成像解算模块3计算转动机构2角速度：成像解算模块3接收地面站上传的成像任务，根据本次成像任务(轨迹参数)确定转动机构2角速度ω_s，即成像解算模块3获得遥感平台1的速度V_s、初始状态下远视场点到星下点的弧长r、环扫临界系数L和轨道前向帧间重叠率η，确定转动机构2角速度ω_s，ω_s为：

ω_s＝L·(1+η)·360·V_s/r

当遥感平台1的速度为V_s＝7060m/s，初始状态下远视场点到星下点的弧长为r＝114km，环扫临界系数为L＝1，轨道前向帧间重叠率为η＝25％时，转动机构2角速度ω_s＝4.6118(°/s)。

步骤二、成像解算模块3根据成像载荷系统4-1延轨向视场角、遥感平台1高度和步骤一得到的转动机构2角速度ω_s计算转动机构2自转360度所需的成像帧数，转动机构2自转360度所需的成像帧数N为：

其中的t_n表示自转360度时的某一时刻，R表示地球半径，F_{OV_x}表示成像载荷系统4-1延轨向视场角，H表示遥感平台1高度。

当成像载荷系统4-1延轨方向视场角为F_{OV_x}＝10°，地球半径为R＝6378.131km，遥感平台1高度为H＝500km时，转动机构2自转360度所需的成像帧数为：N＝53(Frame)。

步骤三、成像解算模块3计算成像载荷系统4-1(即成像载荷群组4)的环扫成像帧最大时间间隔T，也就是所有成像载荷系统4-1的环扫成像帧最大时间间隔T：

并确定成像载荷系统4-1的成像帧间隔I。

成像帧间隔I如果大于环扫成像帧最大时间间隔T，则不能完全覆盖成像区域，造成不连续，所以要求I≤T。在本实施方式中选择I＝T。

根据根据步骤一的计算结果N和步骤二的计算结果ω_s，得T＝1.4728(s)。

步骤四、成像解算模块3计算成像载荷系统4-1(即成像载荷群组4)的成像曝光时间t：根据延轨方向的像移速度为V_p1、垂轨方向的像移速度为V_p2和像素尺寸为a×b(a表示水平像素值，b表示垂直像素值)，得到成像曝光时间t满足：

t＝min(a/V_p1,b/V_p2)

本实施方式中，当延轨方向的像移速度为V_p1＝70mm/s，垂轨方向的像移速度为V_p2＝80mm/s，像素尺寸为a*b＝4.25um*4.25um时，有：t＝53um。

步骤五、成像解算模块3计算成像载荷系统4-1成像帧间隔I内成像次数K：根据成像载荷系统4-1垂轨方向视场角为F_{OV_y}、成像载荷系统4-1极限侧摆角α和成像载荷系统4-1横滚向转动速度β，可得成像载荷系统4-1在成像帧间隔I内的成像次数K满足：

当成像载荷系统4-1垂轨方向视场角为F_{OV_y}＝18°，成像载荷系统4-1极限侧摆角α＝30°，成像载荷系统4-1横滚向转动速度为β＝6.5°/s时，I＝1.4728(s)内，成像次数K＝2。

步骤六、成像解算模块3计算本次成像任务成像所需成像载荷系统4-1的数量M：地面幅宽为S_W，成像所需成像载荷系统4-1的数量M为：

地面幅宽为S_W＝1000km时，M＝2。

步骤七、成像解算模块3将步骤一计算结果转动机构2角速度ω_s传至遥感平台1，遥感平台1接收ω_s并据此控制转动机构2自转运动；成像解算模块3根据步骤六计算结果选择转动机构2上间隔均匀的M个(即2个)成像载荷系统4-1；

步骤八、成像解算模块3控制选择的2个成像载荷系统4-1机动调整与成像。本实施方式中选择中心载荷与边缘载荷。

成像载荷系统4-1机动调整与成像的具体过程为：成像解算模块3控制选择的成像载荷系统4-1第奇数个成像帧间隔I内，首先进行星下点成像，之后依据F_{OV_y}大小进行侧摆成像，侧摆方向取决于所选择的成像载荷系统4-1的位置，此处中心载荷向边缘方向侧摆，边缘载荷向中心方向侧摆；第偶数个成像帧间隔I内，首先在前一个奇数成像帧间隔位置进行成像，之后依据F_{OV_y}大小进行侧摆成像，侧摆方向取决于所选择的成像载荷系统4-1的位置，中心载荷向中心方向侧摆，边缘载荷向边缘方向侧摆。上述成像方式的目的是实现所有成像时间内的成像的全部覆盖。成像载荷系统4-1的侧摆的等机动调整的过程由成像解算模块3控制。

步骤九、成像载荷系统4-1接收到成像解算模块3发出的停止成像指令，(步骤七中选择的)成像载荷系统4-1停止成像并归至成像载荷系统4-1的初始状态，成像解算模块3发出停止转动的信号至遥感平台1，遥感平台1接收停止转动的信号，遥感平台1控制转动机构2停止转动并归至转动机构2的初始状态。

遥感平台1提供的遥感平台1实时姿轨信息包括V_p1表示延轨方向的像移速度、V_p2表示垂轨方向的像移速度、遥感平台1高度H、遥感平台1速度Vs。其他除成像载荷系统4-1横滚向转动速度为β、地球半径R外，均为地面上注参数(初始状态下远视场点到星下点的弧长r、环扫临界系数L和轨道前向帧间重叠率η，成像载荷系统4-1延轨向视场角F_{OV_x}，成像载荷系统4-1垂轨向视场角F_{OV_y}，地面幅宽为S_W，水平像素值a，垂直像素值b，成像载荷系统4-1极限侧摆角α)。

通过成像解算模块3控制遥感平台1的姿态调整、控制成像载荷系统4-1的姿态调整与成像、通过遥感平台1控制转动机构2的转动，本发明的利用小视场相机实现大视场广域搜索的成像方法突破常规相机应用传统的成像模式进行成像视场较小的瓶颈，通过本发明的成像方法得到的视场连续。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.利用小视场相机实现大视场广域搜索的成像系统，其特征在于，包括遥感平台(1)、连接遥感平台(1)且绕遥感平台(1)转动的转动机构(2)、沿转动机构(2)长度方向设置在其上的多个成像载荷系统(4-1)、以及连接遥感平台(1)和每个成像载荷系统(4-1)的成像解算模块(3)，所述成像解算模块(3)控制遥感平台(1)的姿态调整、控制成像载荷系统(4-1)的机动调整与成像、通过遥感平台(1)控制转动机构(2)的转动。

2.如权利要求1所述的利用小视场相机实现大视场广域搜索的成像系统，其特征在于，所述成像解算模块(3)根据地面站提供的轨迹参数和遥感平台(1)提供的遥感平台(1)实时姿轨信息计算得出遥感平台(1)的姿态调整数据，将姿态调整数据传输至遥感平台(1)，遥感平台(1)接收并据此进行姿态调整。

3.如权利要求1所述的利用小视场相机实现大视场广域搜索的成像系统，其特征在于，所述成像解算模块(3)根据地面站提供的轨迹参数计算得出成像载荷系统(4-1)的姿态信息并将姿态信息发送至成像载荷系统(4-1)，成像载荷系统(4-1)接收并据此进行机动调整和/或成像。

4.如权利要求1所述的利用小视场相机实现大视场广域搜索的成像系统，其特征在于，所述成像解算模块(3)根据地面站提供的轨迹参数计算得出转动机构(2)的转动信息，将转动信息传输至遥感平台(1)，遥感平台(1)接收并据此控制转动机构(2)的转动。

5.如权利要求1所述的利用小视场相机实现大视场广域搜索的成像系统，其特征在于，所述成像解算模块(3)发出停止转动的信号至遥感平台(1)，遥感平台(1)接收并据此控制转动机构(2)的停止转动。

6.如权利要求1所述的利用小视场相机实现大视场广域搜索的成像系统，其特征在于，所述转动机构(2)包括连接遥感平台(1)的固定轴(2-1)、连接固定轴(2-1)的铰链(2-2)和连接铰链(2-2)的转动杆(2-3)，所述遥感平台(1)控制转动杆(2-3)的转动，所述成像载荷系统(4-1)沿转动杆(2-3)长度方向设置在转动杆(2-3)上。

7.基于权利要求1至6中任意一项所述的利用小视场相机实现大视场广域搜索的成像系统的成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、成像解算模块(3)接收成像任务，根据成像任务计算转动机构(2)角速度；

步骤二、成像解算模块(3)根据成像载荷系统(4-1)延轨向视场角、遥感平台(1)高度和步骤一的计算结果计算转动机构(2)自转360度所需的成像帧数；

步骤三、成像解算模块(3)根据步骤一和步骤二的计算结果计算成像载荷系统(4-1)环扫成像帧最大时间间隔，并确定成像载荷系统(4-1)的成像帧间隔；

步骤四、成像解算模块(3)计算成像载荷系统(4-1)的成像曝光时间；

步骤五、成像解算模块(3)根据成像载荷系统(4-1)垂轨方向视场角、成像载荷系统(4-1)极限侧摆角、成像载荷系统(4-1)横滚向转动速度和步骤三的成像载荷系统(4-1)成像帧间隔计算成像载荷系统(4-1)在成像帧间隔内的成像次数；

步骤六、成像解算模块(3)根据地面幅宽、步骤五的计算结果和成像载荷系统(4-1)垂轨方向视场角计算成像任务所需成像载荷系统(4-1)的数量；

步骤七、成像解算模块(3)将步骤一的计算结果传至遥感平台(1)，遥感平台(1)接收并据此控制转动机构(2)转动，成像解算模块(3)根据步骤六的计算结果选择成像载荷系统(4-1)；

步骤八、成像解算模块(3)控制步骤七中选择的成像载荷系统(4-1)机动调整与成像。

8.如权利要求6所述的利用小视场相机实现大视场广域搜索的成像系统的成像方法，其特征在于，还包括：

步骤九、成像解算模块(3)发出的停止成像指令，步骤七中选择的成像载荷系统(4-1)接收后停止成像并归至其初始状态，成像解算模块(3)发出停止转动的信号至遥感平台(1)，遥感平台(1)接收后控制转动机构(2)停止转动且归至其初始状态。

9.如权利要求6所述的利用小视场相机实现大视场广域搜索的成像系统的成像方法，其特征在于，所述步骤八具体过程为：

成像解算模块(3)控制选择的成像载荷系统(4-1)在第奇数个成像帧间隔内，先星下点成像，之后依据成像载荷系统(4-1)垂轨方向视场角侧摆成像；第偶数个成像时间间隔内，先在前一个奇数成像帧间隔的位置成像，之后依据成像载荷系统(4-1)垂轨方向视场角侧摆成像。

10.如权利要求6所述的利用小视场相机实现大视场广域搜索的成像系统的成像方法，其特征在于，

所述步骤一的计算公式为：ω_s＝L·(1+η)·360·V_s/r，

所述步骤二的计算公式为：

所述步骤三中成像载荷系统(4-1)环扫成像帧最大时间间隔的计算公式为：

所述步骤四的计算公式为：t＝min(a/V_p1,b/V_p2)；

所述步骤五的计算公式为：

所述步骤六的计算公式为：

其中，ω_s表示转动机构(2)角速度，V_s表示遥感平台(1)速度，r表示初始状态下远视场点到星下点的弧长，L表示环扫临界系数，η表示轨道前向帧间重叠率，N表示转动机构(2)自转360度所需的成像帧数，t_n表示自转360度时的某一时刻，R表示地球半径，F_{OV_x}表示成像载荷系统(4-1)延轨方向视场角，H表示遥感平台(1)高度，T表示环扫成像帧最大时间间隔，t表示成像曝光时间，a表示水平像素值，b表示垂直像素值，V_p1表示延轨方向的像移速度，V_p2表示垂轨方向的像移速度，F_{OV_y}表示成像载荷系统(4-1)垂轨方向视场角，α表示成像载荷系统(4-1)极限侧摆角，β表示成像载荷系统(4-1)横滚向转动速度，I表示成像帧间隔、且I≤T，K表示成像次数，M表示成像所需成像载荷系统(4-1)的数量，S_W表示地面幅宽。