CN109348126A - 一种用于空间相机的面阵数字tdi连续推扫成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于空间相机的面阵数字TDI连续推扫成像方法，所述方法包括：空间相机在飞行过程中，携带的探测器以小面阵形式向前连续推扫成像；待检测的同一地物在所述探测器的不同位置、不同帧重复曝光，获得同一地物多次曝光的图像；将多次曝光的图像提取出来进行数字叠加，以提高信噪比。上述方法能够有效支持大幅宽、高分辨率、轻小型化空间相机，并提高信噪比。

Description

一种用于空间相机的面阵数字TDI连续推扫成像方法

技术领域

本发明涉及空间相机技术领域，尤其涉及一种用于空间相机的面阵数字TDI连续推扫成像方法。

背景技术

图像信噪比是衡量图像质量的一个重要指标，是图像能否满足应用需求的关键因素，因此是空间相机设计的重要指标之一。空间相机的载体是沿特定轨道运行的卫星，相机与观测目标之间存在相对运动，而且相机的分辨率越高，成像的积分时间就越短，由此必然会导致探测器曝光能量不足，获取的图像的信噪比不高。为了满足应用需求，当空间相机对任一指定维度的地物目标成像时，必须保证成像时刻所得到的图像信噪比值满足需求，根据工程上适用的经验公式，从相机设计角度出发，减小相机F数，选用大像元尺寸、高量子效率探测器，是提高相机信噪比最有效的手段，而带来的结果就是相机的体积和重量都比较大。

现有技术中，大幅宽，高分辨率，轻小型化正成为空间相机的主要发展方向，因此相机信噪比与相机焦距和F数，探测器像元尺寸以及像元数成为空间相机设计中互相制约的因素。而在大幅宽、高分辨率的需求下，大面阵CMOS探测器几乎已成为必然选择，由于CMOS探测器的量子效率没有CCD高，像元尺寸又比较小，高分辨率要求又导致相机曝光时间短，因此设计出来的空间相机单次曝光的图像信噪比很难满足需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于空间相机的面阵数字TDI连续推扫成像方法，能够有效支持大幅宽、高分辨率、轻小型化空间相机，并提高信噪比。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于空间相机的面阵数字TDI连续推扫成像方法，所述方法包括：

步骤1、空间相机在飞行过程中，携带的探测器以小面阵形式向前连续推扫成像；

步骤2、待检测的同一地物在所述探测器的不同位置、不同帧重复曝光，获得同一地物多次曝光的图像；

步骤3、将多次曝光的图像提取出来进行数字叠加，以提高信噪比。

在步骤1中：

进一步根据所述空间相机的相对地速、成像信噪比和像移量因素，设置所述空间相机的各典型指标值，具体包括：成像曝光时间、曝光帧频、数据率、TDI数字积分频次及卫星姿态稳定度。

所述成像曝光时间的设置过程具体为：

若空间相机的轨道高度为H，卫星飞行速度为V_sat，地面像元分辨率为GSD，地速补偿为R，按照空间相机的相对地速计算单次曝光时间内控制1/3像元以内的像移量，则空间相机的成像曝光时间为：

所述曝光帧频的设置过程具体为：

假定两次成像间的图像沿推扫方向相差K行像元，对应的地面距离为GSD米，则空间相机的曝光帧频表示为：

其中，V_sat为卫星飞行速度；R为地速补偿。

所述数据率的设置过程具体为：

若每次曝光的探测器面阵大小为C_ol×K×L，探测器的数据量化位数为N_bit，则空间相机的数据率表示为：

所述TDI数字积分频次的设置过程具体为：

假设探测器面阵的大小为C_ol×R_ow，其中C_ol为幅宽维列数；R_ow为推扫维行数，则为了满足面阵数字TDI的成像需求，需满足条件R_ow＞K×L。

所述卫星姿态稳定度的设置过程具体为：

若对同一地物的曝光次数为L次，则连续L次成像对应的地面距离为 GSD×K×(L-1)米，L次曝光共需要时间为：

在该曝光时间间隔内，卫星的姿态偏移量不应超过1/3像元，则卫星姿态稳定度最大表示为：

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法能够有效支持大幅宽、高分辨率、轻小型化空间相机，并提高信噪比。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的用于空间相机的面阵数字TDI连续推扫成像方法流程示意图；

图2为本发明实施例所提供面阵数字TDI成像模式示意图。

具体实施方式

下面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实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。

时间延迟积分(Time Delay Integration，TDI)的概念源于CCD，是TDICCD具备的一个功能，TDICCD物理结构类似于面阵，当目标像扫过探测器阵列时，通过对同一目标进行多级次曝光，将各级信号累加，就会增加曝光量，从而实现探测器信号的增强。与普通线阵CCD相比，采用TDI能够在不降低空间分辨率的条件下，显著提高相机的响应度和动态范围，还能够减小相机的相对孔径，进而降低相机的体积和重量。下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的用于空间相机的面阵数字TDI连续推扫成像方法流程示意图，所述方法包括：

步骤1、空间相机在飞行过程中，携带的探测器以小面阵形式向前连续推扫成像；

该步骤中，进一步根据所述空间相机的相对地速、成像信噪比和像移量因素，设置所述空间相机的各典型指标值，具体包括：成像曝光时间、曝光帧频、数据率、TDI数字积分频次及卫星姿态稳定度。

具体实现过程中，成像曝光时间的设置过程具体为：

若空间相机的轨道高度为H，卫星飞行速度为V_sat，地面像元分辨率为GSD，地速补偿为R，则首先要考虑在连续推扫模式下，每一次的曝光时间内，像移量应控制在1/3像元以内，以保证单次成像质量和多帧图像叠加后的图像质量。按照空间相机的相对地速计算单次曝光时间内要控制1/3像元以内的像移量，因此空间相机的成像曝光时间为：

在一次曝光时间内，可以根据光学系统的指标和探测器的QE等参数，计算出空间相机单次曝光的图像信噪比，因此根据空间相机的尺寸和重量约束，在空间相机的光学设计完成之后，单次曝光时间就决定了单幅图像的信噪比，若不满足信噪比需求，就只能选择将多幅图像进行数字叠加来提高图像最终信噪比。

所述曝光帧频的设置过程具体为：

对于面阵数字TDI成像方式而言，其成像数据量比传统线阵TDI成像方式的数据量大得多，因此为了降低数据量，需要在沿轨方向推扫的面阵大小、相邻图像间的成像时间间隔(帧频)、卫星姿态稳定度等多因素之间进行优化，既保证面阵数字TDI成像效果，同时降低帧频，而一般受探测器帧频限制，无法实现逐行推扫成像，只能实现逐画幅推扫成像。

如图2所示为本发明实施例所提供面阵数字TDI成像模式示意图，假定两次成像间的图像沿推扫方向相差K行像元(如图2所示)，对应的地面距离为GSD米，则空间相机的曝光帧频表示为：

其中，V_sat为卫星飞行速度；R为地速补偿。

由上式可知，空间相机在沿轨方向推扫的面阵TDI行数越小，要求相机的帧频越高。

进一步的，所述数据率的设置过程具体为：

若每次曝光的探测器面阵大小为C_ol×K×L，探测器的数据量化位数为N_bit，则空间相机的数据率表示为

目前微小卫星的星上存储能力和数据接收能力都有限，另外星地通信带宽也受限，而从应用角度考虑，空间相机图像数据下传的实时性越高，则实用性越强，因此空间相机数据率也是空间相机设计的一个重要指标。

进一步的，所述TDI数字积分频次L的设置过程具体为：

理论上，L幅图像叠加，信噪比提升为单幅图像的倍，因此可以根据实际信噪比需求，得出需要对同一地物重复曝光次数L，即TDI数字积分频次。

根据实际试验结果，L幅数字图像叠加信噪比提升并没有那么多，因此在工程应用中，要设计L比理论计算值大一些，即对同一地物多曝光几次，因此假设探测器面阵的大小为C_ol×R_ow，其中C_ol为幅宽维列数；R_ow为推扫维行数，则为了满足面阵数字TDI 成像需求，需要满足条件R_ow＞K×L。

进一步的，所述卫星姿态稳定度的设置过程具体为：

根据前面的计算，要保证最终的成像质量，对同一地物的曝光次数为L次，则连续L次成像对应的地面距离为GSD×K×(L-1)米，L次曝光共需要时间为：

为了保证成像质量，在该曝光时间间隔内，卫星的姿态偏移量不应超过1/3像元，则卫星姿态稳定度最大表示为：

根据上述分析，空间相机在沿轨方向的面阵TDI行数越小，对应的帧频越高，对卫星姿态稳定度要求越低。

如下表1所示为几种典型指标值，由表1可知，各个指标之间相互约束，因此需要综合考虑合理设计指标。

表1面阵数字TDI连续推扫成像典型指标值

由上表1可知：为了提高信噪比，L越大越好，但会导致数据量太大。由于探测器帧频有限，希望提高K，但对卫星姿态稳定度要求又提高了。同时K和L还受探测器面阵大小制约，因此面阵数字TDI连续推扫成像模式下各项指标之间互相制约，需要综合考虑。

步骤2、待检测的同一地物在所述探测器的不同位置、不同帧重复曝光，获得同一地物多次曝光的图像；

步骤3、将多次曝光的图像提取出来进行数字叠加，以提高信噪比。

具体实现过程中，首先根据空间相机分辨率、幅宽、结构和尺寸约束选择合适的探测器；然后进行光学设计，确定相机口径，F数等光学参数；再根据光学设计结果和探测器性能，计算空间相机单次曝光信噪比；再根据空间相机信噪比要求，结合探测器参数确定面阵数字TDI的各个指标参数；如果设计结果符合各项要求，确定上述设置，否则返回再次进行探测器选择。

值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种用于空间相机的面阵数字TDI连续推扫成像方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1、空间相机在飞行过程中，携带的探测器以小面阵形式向前连续推扫成像；

步骤2、待检测的同一地物在所述探测器的不同位置、不同帧重复曝光，获得同一地物多次曝光的图像；

步骤3、将多次曝光的图像提取出来进行数字叠加，以提高信噪比。

2.根据权利要求1所述用于空间相机的面阵数字TDI连续推扫成像方法，其特征在于，在步骤1中：

进一步根据所述空间相机的相对地速、成像信噪比和像移量因素，设置所述空间相机的各典型指标值，具体包括：成像曝光时间、曝光帧频、数据率、TDI数字积分频次及卫星姿态稳定度。

3.根据权利要求2所述用于空间相机的面阵数字TDI连续推扫成像方法，其特征在于，所述成像曝光时间的设置过程具体为：

若空间相机的轨道高度为H，卫星飞行速度为V_sat，地面像元分辨率为GSD，地速补偿为R，按照空间相机的相对地速计算单次曝光时间内控制1/3像元以内的像移量，则空间相机的成像曝光时间为：

4.根据权利要求2所述用于空间相机的面阵数字TDI连续推扫成像方法，其特征在于，所述曝光帧频的设置过程具体为：

假定两次成像间的图像沿推扫方向相差K行像元，对应的地面距离为GSD米，则空间相机的曝光帧频表示为：

其中，V_sat为卫星飞行速度；R为地速补偿。

5.根据权利要求2所述用于空间相机的面阵数字TDI连续推扫成像方法，其特征在于，所述数据率的设置过程具体为：

若每次曝光的探测器面阵大小为C_ol×K×L，探测器的数据量化位数为N_btt，则空间相机的数据率表示为：

6.根据权利要求2所述用于空间相机的面阵数字TDI连续推扫成像方法，其特征在于，所述TDI数字积分频次的设置过程具体为：

假设探测器面阵的大小为C_ol×R_ow，其中C_ol为幅宽维列数；R_ow为推扫维行数，则为了满足面阵数字TDI的成像需求，需满足条件R_ow＞K×L。

7.根据权利要求2所述用于空间相机的面阵数字TDI连续推扫成像方法，其特征在于，所述卫星姿态稳定度的设置过程具体为：

若对同一地物的曝光次数为L次，则连续L次成像对应的地面距离为GSD×K×（L-1）米，L次曝光共需要时间为：

在该曝光时间间隔内，卫星的姿态偏移量不应超过1/3像元，则卫星姿态稳定度最大表示为：