CN109120848B - 一种空间相机积分级数调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种空间相机积分级数调整方法，在轨摄影过程中自动调整积分级数时所用的相机入瞳辐亮度通过拟合的函数简单计算得到，提高积分级数调整的实时性，调整过程是由相机控制器在航天器上自动完成，不需要地面干预，因而更为实用和高效，积分级数的计算以当前实时计算的行周期为依据，可以保证相机尽量工作在满行积分状态，在满足像移补偿要求的同时，使信噪比最大化，采用大的积分级数可以实现能量的数倍至数十倍以上的倍增，在轨摄影过程中自动调整积分级数可以大幅度提高空间相机的动态范围和工作时长，增强对摄影条件的适应性。

Description

一种空间相机积分级数调整方法

技术领域

本发明涉及以遥感卫星或空间站为平台对地球进行观测的空间相机领域，特别涉及一种空间相机积分级数调整方法。

背景技术

随着空间相机地面像元分辨率的提高，空间相机的焦距越来越长，同时为了避免空间相机的体积和重量过于庞大，通常采用较大的F数和较小的像元尺寸，而长的焦距导致相机行周期较短，这就导致进入空间相机探测器单位像元的光能量较少，为此目前高分辨率的空间相机通常采用时间延迟积分(Time Delay Integration，简称TDI)方式工作。TDI方式将对同一景物的能量信号进行多级叠加，解决输入光能量不足的问题。

对地观测的空间相机的入瞳辐亮度主要由光照条件、地物目标的反射率和空间相机的波段范围等决定，对于以TDI方式工作的空间相机，当相机的积分级数和增益不变时，相机输出图像的数字量化输出值随入瞳辐亮度而变化。通常要求空间相机满足最大辐亮度要求，即在光照条件最强时，对用户要求的目标最大反射率对应的地物成像时相机输出的图像接近饱和或不饱和，以免损失地物细节。

为此目前在以TDI方式工作的空间相机研制中调整积分级数和增益，使相机在最大辐亮度下输出的图像刚好饱和或接近饱和，在发射后采用这一固定的积分级数。这种方式保证了满足用户最大辐亮度的要求，但导致获取的部分图像存在信噪比低、整体偏暗、图像层次不丰富等问题。如果单纯为了解决整体偏暗、图像层次不丰富的问题也可以调整增益，但调整增益时有效的光信号和噪声同时被放大，因此信噪比保持不变。以TDI方式工作的空间相机可以通过调整积分级数提高图像灰度层次，解决整体偏暗的问题，更重要的是，增加积分级数可以增加有效曝光时间，从而大幅度提高图像的信噪比。

目前已提出的积分级数调整方法主要通过对摄影时获取的成像传感器输出的模拟电压或图像数据进行统计分析，而后对积分级数进行调整,

这些方法的主要问题在于，空间相机多采用推扫摄影方式，单次摄影过程中每个时刻拍摄的地物目标各不相同，而且经常有高反射率目标夹在大量低反射率目标之中。由于单次摄影即可能覆盖上千公里，横跨较大的纬度，导致不同地物目标处的光照条件差别很大。由于下一时刻要拍摄的地物目标的类型和反射率是未知的，因此对前一时刻获取的成像传感器输出的模拟电压或图像数据进行统计分析得到的积分级数很可能并不适用下一时刻的地物目标，而出现本应减小积分级数却增大积分级数的现象，导致达不到调整目的。

由于航天器、地球和太阳之间的相对运动，摄影过程中光照条件不断变化，采用大的积分级数可以实现能量的数倍至数十倍以上的倍增，可以大幅度提高空间相机的动态范围和工作时长，增强对摄影条件的适应性，因此实现空间相机不需要地面干预，自动实时地进行积分级数的调整具有很高的实用价值。

发明内容

本发明实施例提供了一种空间相机积分级数调整方法，满足最大辐亮度要求，导致获取的部分图像信噪比低、整体偏暗、图像层次不丰富，实现不需要地面干预、自动实时地调整积分级数。

本发明提供一种空间相机积分级数调整方法，空间相机位于航天器上，所述方法包括：

在航天器发射前获取空间相机的波段范围以及所需的目标最大反射率，采用大气辐射传输工具得到空间相机对目标最大反射率对应的地物成像得到不同太阳天顶角对应的相机入瞳辐亮度，并通过曲线拟合建立太阳天顶角与相机入瞳辐亮度之间对应关系；

所述空间相机在轨摄影时相机控制器通过航天器总线接收航天器的当前位置和时间，计算星下点处的太阳天顶角；

相机控制器通过航天器总线接收航天器的当前位置、速度和时间数据，计算空间相机进行像移匹配所需的行周期T_row；

利用所述对应关系和所述太阳天顶角确定当前对目标最大反射率对应的地物成像时的相机入瞳辐亮度L_c；

所述相机控制器根据相机入瞳辐亮度L_c确定最优有效曝光时间，具体地，设定发射前实验室辐射定标时，在最大辐亮度L_max下图像饱和时对应的相机有效曝光时间为I_max，则当前的最优有效曝光时间I_c的计算公式为：

根据所述最优曝光时间和像移匹配所需的行周期T_row确定当前积分级数，具体地，设定空间相机能够采用的最高积分级数为M_max，采用的最低积分级数为M_min，则当前积分级数的计算公式为：

其中，

为向下取整函数，当相机可取的积分级数不连续时，取最接近M_c的值；

将所述当前积分级数转换为对应的码值并通过内部总线将所述码值发送至成像控制FPGA，通过所述成像控制FPGA对所述空间相机的积分级数进行调整。

可选地，发射前所述空间相机的增益在实验室辐射定标完成确定后在轨摄影时保持不变，图像灰度层次与受积分级数的变化影响正相关。

可选地，所述通过曲线拟合建立太阳天顶角与相机入瞳辐亮度之间对应关系，包括：

通过曲线拟合建立太阳天顶角与相机入瞳辐亮度之间的函数关系，采用的拟合的函数模型为：

L＝a₁·sin(b₁·θ+c₁)+a₂·sin(b₂·θ+c₂)+a₃·sin(b₃·θ+c₃)；

其中θ为太阳天顶角，L为相机入瞳辐亮度，a₁、b₁、c₁、a₂、b₂、c₂、a₃、b₃和c₃为通过拟合得到的参数。

本发明提供的一种空间相机积分级数调整方法，在轨摄影过程中自动调整积分级数时所用的相机入瞳辐亮度通过拟合的函数简单计算得到，提高积分级数调整的实时性。调整过程是由相机控制器在航天器上自动完成，不需要地面干预，因而更为实用和高效；并且在轨摄影过程中保持增益不变，通过调整积分级数改变图像灰度可以一方面解决图像层次不丰富、整体偏暗的问题，另一方面还能够提高图像的信噪比；积分级数的调整以目标最大反射率和光照条件为依据，避免了根据前一时刻获取的成像传感器输出的模拟电压或图像数据进行统计分析调整积分级数导致的本应减小积分级数却增大积分级数的问题，积分级数的计算以当前实时计算的行周期为依据，可以保证相机尽量工作在满行积分状态，在满足像移补偿要求的同时，使信噪比最大化，采用大的积分级数可以实现能量的数倍至数十倍以上的倍增，在轨摄影过程中自动调整积分级数可以大幅度提高空间相机的动态范围和工作时长，增强对摄影条件的适应性。

附图说明

图1为本发明实施例中的空间相机积分级数调整方法一种实施例的流程图；

图2为本发明实施例中的空间相机积分级数调整方法另一种实施例的流程图；

图3为本发明实施例中的空间相机积分级数调整方法种获取的不同太阳天顶角对应的相机入瞳辐亮度数据及曲线拟合的结果示意图；

图4为本发明实施例中的空间相机积分级数调整方法中太阳天顶角随摄影时刻(时间码)的变化曲线示意图；

图5为本发明实施例中的空间相机积分级数调整方法中像移匹配所需的相机行周期随摄影时刻(时间码)的变化曲线示意图；

图6为本发明实施例中的空间相机积分级数调整方法中相机入瞳辐亮度(对目标最大反射率对应的地物成像时)随摄影时刻(时间码)的变化曲线示意图；

图7为本发明实施例中的空间相机积分级数调整方法中相机最优曝光时间随摄影时刻(时间码)的变化曲线示意图；

图8为本发明实施例中的空间相机积分级数调整方法中相机积分级数随摄影时刻(时间码)的变化曲线示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

结合图1所示，本发明提供一种空间相机积分级数调整方法，空间相机位于航天器上，所述方法包括：

S100、在航天器发射前获取空间相机的波段范围以及所需的目标最大反射率，通过空间相机对目标最大反射率对应的地物成像得到不同太阳天顶角对应的相机入瞳辐亮度，并通过曲线拟合建立太阳天顶角与相机入瞳辐亮度之间对应关系。

采用大气辐射传输工具得到空间相机对目标最大反射率对应的地物成像得到不同太阳天顶角对应的相机入瞳辐亮度，通过曲线拟合建立太阳天顶角与相机入瞳辐亮度之间的函数关系；具体采用的拟合的函数模型为：

L＝a₁·sin(b₁·θ+c₁)+a₂·sin(b₂·θ+c₂)+a₃·sin(b₃·θ+c₃)

其中θ为太阳天顶角，L为相机入瞳辐亮度，a₁、b₁、c₁、a₂、b₂、c₂、a₃、b₃和c₃为通过拟合得到的参数。

需要说明的是，步骤S100可以预先完成，供后续步骤使用不必每次都进行对应关系的购将过程，预先构建对应关系供后续步骤使用。

S101、所述空间相机在轨摄影时相机控制器通过航天器总线接收航天器的当前位置和时间，计算星下点处的太阳天顶角。

星下点是地球中心与卫星的连线在地球表面上的交点，用地理经、纬度表示，卫星正下方的地面点称为星下点，星下点的集合称为星下点轨迹，地球绕太阳公转，由于地轴的倾斜，地轴与轨道平面始终保持着大概66`34'的夹角，这样，才引起太阳直射点在南北纬23`26’之间往返移动，并决定了太阳可能直射的范围：春，秋分日，太阳直射赤道---即直射点的纬度为0`；冬至日，太阳直射南回归线--即直射点的纬度为23`26’S；夏至日，太阳直射北回归线--即直射点的纬度为23`26’N。如果某地的纬度已经知道，依据下面的公式就可以计算出此地的正午太阳高度角的大小：H＝90`-纬差，纬差是指某地的地理纬度与当日直射点所在纬度之间的差值。

S102、相机控制器通过航天器总线接收航天器的当前位置、速度和时间数据，计算空间相机进行像移匹配所需的行周期T_row。

S103、利用所述对应关系和所述太阳天顶角确定当前对目标最大反射率对应的地物成像时的相机入瞳辐亮度L_c。

S104、所述相机控制器根据相机入瞳辐亮度L_c确定最优有效曝光时间。

具体地，设定发射前实验室辐射定标时，在用户要求的最大辐亮度L_max下图像饱和时对应的相机有效曝光时间为I_max，则当前的最优有效曝光时间I_c的计算公式为：

S105、根据所述最优曝光时间和像移匹配所需的行周期T_row确定当前积分级数。

具体地，设定空间相机能够采用的最高积分级数为M_max，能够采用的最低积分级数为M_min，则当前积分级数的计算公式为：

其中，

为向下取整函数，当相机可取的积分级数不连续时，取最接近M_c的值。

S106、将所述当前积分级数转换为对应的码值并通过内部总线将所述码值发送至成像控制FPGA，通过所述成像控制FPGA对所述空间相机的积分级数进行调整。

本发明提供的一种空间相机积分级数调整方法，解决目前空间相机采用固定积分级数以满足最大辐亮度要求，导致获取的部分图像信噪比低、整体偏暗、图像层次不丰富，实现不需要地面干预、自动实时地调整积分级数。

结合图2所示，本发明实施例中实施例中还提供了一种空间相机积分级数调整方法，所述方法包括：

在步骤110中，航天器发射前，根据空间相机的波段范围、用户要求的目标最大反射率，使用MODTRAN大气辐射传输工具得到空间相机对目标最大反射率对应的地物成像时，不同太阳天顶角对应的相机入瞳辐亮度，通过曲线拟合建立太阳天顶角与相机入瞳辐亮度之间的函数关系；在本实施例中，该空间相机的波段范围为450-900nm，用户要求的最大辐亮度L_max为126.18W/m²·sr，用户要求的目标最大反射率为0.65。拟合的函数模型如下

L＝a₁·sin(b₁·θ+c₁)+a₂·sin(b₂·θ+c₂)+a₃·sin(b₃·θ+c₃)；

其中θ为太阳天顶角，L为相机入瞳辐亮度，a₁、b₁、c₁、a₂、b₂、c₂、a₃、b₃和c₃为通过拟合得到的参数。在本实施例中，星下点的太阳天顶角的取值范围为[0°，100°]，获取的不同太阳天顶角对应的相机入瞳辐亮度数据及曲线拟合的结果如图3所示，根据图3中的数据拟合后得到参数如表1所示，进入步骤120：

表1

在步骤120中，空间相机在轨摄影时，相机控制器通过航天器总线接收航天器的当前位置和时间，计算星下点处的太阳天顶角；在本实施例中，相机控制器通过航天器总线接收到航天器在WGS-84坐标系下的当前位置(X_ECF,Y_ECF,Z_ECF)为(-99.692976,1214.242038,6795.791734)(单位：km)。收到的时间码的格式为从UTC时间2006年1月1日0时0分0秒到当前时刻的累加秒值，收到的十六进制时间码为0x1764C962，对应当前时刻的UTC时间为2018年6月9日14时32分02秒。当前时刻星下点的经度λ和纬度δ按如下公式计算：

通过计算得到当前时刻星下点的经度和纬度分别为94.694和79.903。采用Ibrahim Reda和Afshin Andreas于2008年提出的太阳天顶角计算方法，计算得到当前时刻的太阳天顶角为74.04°。此后进入步骤130；

在步骤130中，根据航天器在WGS-84坐标系下的当前位置(X_ECF,Y_ECF,Z_ECF)为(-99.692976,1214.242038,6795.791734)(单位：km)，速度(VX_ECF,VY_ECF,VZ_ECF)为(6.105487,-4.544346,0.90153)(单位：km/s)，当前时刻的UTC时间为2018年6月9日14时32分02秒，相机焦距为1.4538m，像元尺寸为5.5μm，经计算当前行周期为0.293ms。此后进入步骤140；

在步骤140中，将步骤120得到的当前时刻的太阳天顶角74.04°代入步骤110拟合得到的函数，得到当前对目标最大反射率对应的地物成像时的相机入瞳辐亮度L_c为27.17W/m²·sr。此后进入步骤150；

在步骤150中，相机控制器根据步骤140得到的当前对目标最大反射率对应的地物成像时的相机入瞳辐亮度L_c为27.17W/m²·sr，根据如下最优有效曝光时间计算公式：

得到最优有效曝光时间为2.603ms。此后进入步骤160；

在步骤160中，根据最优曝光时间和像移匹配所需的行周期，计算当前积分级数；具体计算过程为：假设该空间相机能够采用的最高积分级数为M_max，能够采用的最低积分级数为M_min，则当前积分级数的计算公式为：

其中，

为向下取整函数，当相机可取的积分级数不连续时，取最接近M_c的值。在本实施例中M_min为1，M_max为96，积分级数连续可调。代入上述公式计算得到当前积分级数为9。此后进入步骤170；

在步骤170中，将当前积分级数转换为对应的码值后，通过内部总线将该码值发送至成像控制FPGA，对相机的积分级数进行调整。返回至步骤二，实现对空间相机积分级数的实时调整，在此过程中相机增益始终保持不变。

发射前所述空间相机的增益在实验室辐射定标完成确定后在轨摄影时保持不变，图像灰度层次与受积分级数的变化影响正相关，即空间相机的增益在发射前实验室辐射定标时确定后，在轨摄影时保持不变，图像灰度层次完全受积分级数的变化影响。

图4-图8为根据本实施例得到的UTC时间2018年6月9日14时32分02秒至6月9日16时12分02秒期间太阳天顶角、行周期、相机入瞳辐亮度(对目标最大反射率对应的地物成像时)、最优有效曝光时间和积分级数随摄影时刻(时间码)的变化曲线。

本发明提供的一种空间相机积分级数调整方法，在轨摄影过程中自动调整积分级数时所用的相机入瞳辐亮度通过拟合的函数简单计算得到，提高积分级数调整的实时性。调整过程是由相机控制器在航天器上自动完成，不需要地面干预，因而更为实用和高效；并且在轨摄影过程中保持增益不变，通过调整积分级数改变图像灰度可以一方面解决图像层次不丰富、整体偏暗的问题，另一方面还能够提高图像的信噪比；积分级数的调整以目标最大反射率和光照条件为依据，避免了根据前一时刻获取的成像传感器输出的模拟电压或图像数据进行统计分析调整积分级数导致的本应减小积分级数却增大积分级数的问题，积分级数的计算以当前实时计算的行周期为依据，可以保证相机尽量工作在满行积分状态，在满足像移补偿要求的同时，使信噪比最大化，采用大的积分级数可以实现能量的数倍至数十倍以上的倍增，在轨摄影过程中自动调整积分级数可以大幅度提高空间相机的动态范围和工作时长，增强对摄影条件的适应性。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。

以上对本发明所提供的一种空间相机积分级数调整方法进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种空间相机积分级数调整方法，其特征在于，空间相机位于航天器上，所述方法包括：

在航天器发射前获取空间相机的波段范围以及所需的目标最大反射率，采用大气辐射传输工具得到空间相机对目标最大反射率对应的地物成像和不同太阳天顶角对应的相机入瞳辐亮度，并通过曲线拟合建立太阳天顶角与相机入瞳辐亮度之间对应关系；

所述空间相机在轨摄影时相机控制器通过航天器总线接收航天器的当前位置和时间，计算星下点处的太阳天顶角；

相机控制器通过航天器总线接收航天器的当前位置、速度和时间数据，计算空间相机进行像移匹配所需的行周期T_row；

利用所述对应关系和所述太阳天顶角确定当前对目标最大反射率对应的地物成像时的相机入瞳辐亮度L_c；

所述相机控制器根据相机入瞳辐亮度L_c确定最优有效曝光时间，具体地，设定发射前实验室辐射定标时，在最大辐亮度L_max下图像饱和时对应的相机有效曝光时间为I_max，则当前的最优有效曝光时间I_c的计算公式为：

根据所述最优曝光时间和像移匹配所需的行周期T_row确定当前积分级数，具体地，设定空间相机能够采用的最高积分级数为M_max，采用的最低积分级数为M_min，则当前积分级数的计算公式为：

其中，

为向下取整函数，当相机可取的积分级数不连续时，取最接近M_c的值；

将所述当前积分级数转换为对应的码值并通过内部总线将所述码值发送至成像控制FPGA，通过所述成像控制FPGA对所述空间相机的积分级数进行调整。

2.根据权利要求1所述的空间相机积分级数调整方法，其特征在于，发射前所述空间相机的增益在实验室辐射定标完成确定后在轨摄影时保持不变，图像灰度层次与受积分级数的变化影响正相关。

3.根据权利要求1所述的空间相机积分级数调整方法，其特征在于，所述通过曲线拟合建立太阳天顶角与相机入瞳辐亮度之间对应关系，包括：

通过曲线拟合建立太阳天顶角与相机入瞳辐亮度之间的函数关系，采用的拟合的函数模型为：

L＝a₁·sin(b₁·θ+c₁)+a₂·sin(b₂·θ+c₂)+a₃·sin(b₃·θ+c₃)；

其中θ为太阳天顶角，L为相机入瞳辐亮度，a₁、b₁、c₁、a₂、b₂、c₂、a₃、b₃和c₃为通过拟合得到的参数。

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