CN109640076A - 一种空间相机垂轨扫描拼接成像的地面半物理仿真平台 - Google Patents
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Abstract
一种空间相机垂轨扫描拼接成像的地面半物理仿真平台涉及航天对地遥感领域，验证了垂轨动态扫描成像技术，演示TDI探测器相机在高速旋转过程中动态扫描成像及多轨成像拼接功能。该平台包括：高速旋转成像系统、地球动态靶标模拟系统和控制显示终端；高速旋转成像系统沿着轨迹运动并以垂直轨迹的方向扫描，将采集地球动态靶标模拟系统的信息拼接后通过控制显示终端显示出来；本发明有效地模拟了在轨相机对靶标实时扫描拼接成像的原理，仿真了整个成像过程，对“垂轨扫描+沿轨拼接”这一成像理论进行全面而充分地研究。方法简单易行，有效的在地面测试了“垂轨扫描+沿轨拼接”的成像体制，本发明是首个用于空间相机高速旋转成像等效缩比测试装置。
Description
技术领域
本发明涉及航天对地遥感领域，特别涉及一种空间相机垂轨扫描拼接成像的地面半物理仿真平台。
背景技术
传统航天相机对地成像采用沿轨道推扫成像方式，成像幅宽受相机视场角限制而无法获取更大的幅宽。“垂轨扫描+沿轨拼接”是在相机沿轨飞行过程中，相机垂直于前面方向推扫成像，图像幅宽取决于旋转角度，在前进方向进行沿轨图像拼接，在保证图像分辨率的同时可获取更大的图像幅宽，这种成像体制目前国内外均未见相关报道，基于该成像体制，相机在实际工作中，在轨成像距离远、成像系统复杂庞大，垂轨扫描成像过程中，相机始终处于动态成像的过程，拍摄图像将明显体现出像面中心分辨率高，像面两侧边缘分辨率低的特点。而在地面实验室内，因为成像空间、成像条件、焦距、物距有限，无法进行一比一的物理仿真演示验证，为了验证垂轨动态扫描与沿轨图像拼接成像机理，需要根据卫星在轨成像原理，在实验室内对在轨成像卫星的物理量进行相应比例尺的等效缩放，利用光、机、电仪器设备与在轨卫星成像的相应系统一一匹配，完成新体制成像原理验证与仿真。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种空间相机垂轨扫描拼接成像的地面半物理仿真平台，验证了垂轨动态扫描成像技术，演示TDI 探测器相机在高速旋转过程中动态扫描成像及多轨成像拼接功能。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种空间相机垂轨扫描拼接成像的地面半物理仿真平台，该平台包括：高速旋转成像系统、地球动态靶标模拟系统和控制显示终端；所述高速旋转成像系统沿着轨迹运动并以垂直轨迹的方向扫描，将采集所述地球动态靶标模拟系统的信息拼接后通过所述控制显示终端显示出来；
所述高速旋转成像系统包括：TDI探测器相机、高精度单轴控制转台和转台控制器；所述TDI探测器相机和转台控制器分别安装在高精度单轴控制转台上；所述地球动态靶标模拟系统包括：P4型曲面LED大屏和控制P4型曲面LED大屏的控制计算机；所述控制显示终端包括：投影屏幕和控制投影屏幕显示的地面控制终端；
所述TDI探测器相机的靶面与水平面垂直，转台控制器控制高精度单轴控制转台在水平面内旋转，并对所述P4型曲面LED大屏上图像进行采集和处理；由P4型曲面LED大屏和控制计算机提供垂直方向运动的靶标，靶标与TDI探测器相机相对运动等效于卫星在轨飞行时地面靶标相对于卫星的运动。
本发明的有益效果是：本发明综合考虑了相机高速旋转过程中的成像体制，根据等比缩放的原理，设计了按照一定比例缩放的实验装置。通过使用等比缩放的TDI相机模拟空间相机，使用高精度单轴控制转台模拟空间相机的运动方式，使用LED大屏来模拟地面靶标的运动方式，计算机通过等比缩放的设备采集的图像进行实时拼接，从而验证这一理论的正确性。这些装置有效地模拟了在轨相机对靶标实时扫描拼接成像的原理，仿真了整个成像过程，从而可以对“垂轨扫描+沿轨拼接”这一成像理论进行全面而充分地研究。方法简单易行，有效的在地面测试了“垂轨扫描+沿轨拼接”的成像体制，本发明是首个用于空间相机高速旋转成像等效缩比测试装置。
附图说明
图1本发明一种空间相机垂轨扫描拼接成像的地面半物理仿真平台结构示意图。
图2本发明拼接原理图。
图3本发明P4型曲面LED大屏尺寸示意图。
图4本发明P4型曲面LED大屏长与宽方向中心与边缘尺寸差别。
图5本发明P4型曲面LED大屏的立体示意图。
图6均匀靶标。
图7本发明垂轨扫描成像获取的图像。
表1地球目标动态模拟系统等比缩放设计参数表
表2TDI相机参数表
图中：1、高精度单轴控制转台，2、TDI探测器相机，3、镜头，4、转台控制器，5、P4型曲面LED大屏，6、控制计算机，7、地面控制终端，8、投影屏幕。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
一种空间相机垂轨扫描拼接成像的地面半物理仿真平台，如图1所示，该平台包括：高速旋转成像系统、地球动态靶标模拟系统和控制显示终端；所述高速旋转成像系统沿着轨迹运动，或者靶标沿着轨迹运动，高速旋转成像系统以垂直轨迹的方向扫描，将采集所述地球动态靶标模拟系统的信息拼接后通过所述控制显示终端显示出来；
所述高速旋转成像系统包括：TDI探测器相机2、镜头3、高精度单轴控制转台1、转台控制器4；所述镜头3安装在TDI探测器相机2上，所述镜头3为百万像素级4mm光学镜头，所述TDI探测器相机2、转台控制器4 分别安装在高精度单轴控制转台1上；所述地球动态靶标模拟系统包括：P4 型曲面LED大屏5和控制P4型曲面LED大屏的控制计算机6；所述控制显示终端包括：投影屏幕8和控制投影屏幕显示的地面控制终端7；
所述TDI探测器相机2的靶面与水平面垂直，转台控制器4控制高精度单轴控制转台1在水平面内旋转，并对所述P4型曲面LED大屏5上图像进行采集和处理；由P4型曲面LED大屏5和控制计算机6提供垂直方向运动的靶标，靶标与TDI探测器相机2相对运动等效于卫星在轨飞行时地面靶标相对于卫星的运动，由此构建垂轨扫描成像环境，获取垂轨扫描图像，并实现沿轨条带图像拼接，如图2所示。
为了模拟在轨对地新成像体制，采用P4型曲面LED大屏5模拟地球，地球半径约6400km，P4型曲面LED大屏5曲率半径为32m，等效缩比200000 倍。P4型曲面LED大屏5采用高刷新频率3000Hz，可移植性强，可动态显示目标模拟卫星与地球的相对运动。高分辨率成像卫星原始参数为：地球半径6378km、轨道高度500km、相机焦距2.25m、TDI探测器像元尺寸4.5μm、成像分辨率1m。根据地球动态目标模拟系统的曲率半径为32m的P4型曲面 LED大屏5，计算相机成像侧摆角度±35°、俯仰角度±25°满足的曲面大小。依据成像距离2.285m计算出成像侧摆范围为3.2m，俯仰范围为2.15m，LED 大屏尺寸3.9m×2.6m可以满足成像要求。其它具体参数见表1所示。
表1
基于等效缩比原理分析，将TDI探测器相机2及镜头3、转台控制器和电子学硬件4固定在高精度单轴控制转台1上，组成高精度单轴控制平台，如图1所示。高精度单轴控制转台1模拟卫星平台，以13.2°/s匀速旋转为相机提供动态扫描环境。
依据物理演示验证方案参数设计，考虑相机成像横滚角度±35°，俯仰角度±25°后，LED大屏5的曲率半径：32m，设计尺寸选取3.9m×2.6m，相应的尺寸图如图3所示。
为了真实仿真TDI探测器相机2在轨垂轨动态成像与沿轨拼接过程，将靶标垂直于地面向下运动。高精度单轴控制转台1垂直于地面，转动平面与地面平行，模拟卫星沿垂直于地面方向飞行。卫星轨道高度500km，星地相对运动为7.616km/s，地面等效缩比实验过程中，TDI探测器相机2焦距是 4mm，像元尺寸为7um，靶标分辨率为4mm，物距为2.285m，高精度单轴控制转台1水平转速为13.2°/s，TDI探测器相机2线推扫方向与高精度单轴控制转台1转速方向相同，因此靶标上下移动，模拟星地运动速度为11个像元/秒。
根据P4型曲面LED大屏5曲率半径和各边上的弧长，计算出P4型曲面 LED大屏5宽度方向中心与边缘尺寸图差别和P4型曲面LED大屏5长度方向中心与边缘尺寸差别，如图6所示。对应的LED屏幕立体图如图7所示。
成像系统采用TDI探测器相机2进行多级积分推扫成像，TDI探测器相机2采用加拿大DALSA公司生产的HN-80-08K40-00-R线阵相机，该相机参数如表2所示。
| 参数 | 大小 | 参数 | 大小 |
| 像元数 | 8196 | 像元尺寸 | 7μm×7μm |
| 积分级数 | 16,64,128,192,240,256 | 重量 | 650g |
| 电源 | 12V-15V | 功耗 | 18.5W |
| 数据格式 | 8bit/12bit | 线速率 | 34kHz |
| 数据率 | 320/640megapixels/second | 工作温度 | 0℃-50℃ |
| 控制接口 | MDR26cameralink | 电源接口 | Hirose HR10 6pin |
镜头3使用百万像素级4mm镜头，镜头3标准接口为C口，后截距为 17.5mm。
垂轨扫描成像过程中相机垂直于卫星飞行方向，以13.2°/s恒定速度旋转成像。为了真实仿真旋转成像过程，地面实验采用单轴电动转台模拟卫星为相机提供的旋转平台。该转台采用电动控制，转动稳定，控制精度高，转动速度范围可达0°～100°/s，转速精度0.001°/s(转速13.2°/s)。
垂轨扫描成像过程中，相机始终处于大侧摆角→星下点→大侧摆角的动态成像过程中，星下点分辨率高，大侧摆角成像时分辨率低，对于均匀靶标而言，拍摄图像也将明显体现出像面中心分辨率高，像面两侧边缘分辨率低的特点。图6为均匀靶标，图7为垂轨扫描成像获取的图像，图像特性与分析结果一致，初步验证了垂轨扫描动态成像原理。
Claims (4)
1.一种空间相机垂轨扫描拼接成像的地面半物理仿真平台，其特征在于，该平台包括：高速旋转成像系统、地球动态靶标模拟系统和控制显示终端；所述高速旋转成像系统沿着轨迹运动并以垂直轨迹的方向扫描，将采集所述地球动态靶标模拟系统的信息拼接后通过所述控制显示终端显示出来；
所述高速旋转成像系统包括：TDI探测器相机、高精度单轴控制转台、转台控制器；所述TDI探测器相机、转台控制器分别安装在高精度单轴控制转台上；所述地球动态靶标模拟系统包括：P4型曲面LED大屏和控制P4型曲面LED大屏的控制计算机；所述控制显示终端包括：投影屏幕和控制投影屏幕显示的地面控制终端；
所述TDI探测器相机的靶面与水平面垂直，转台控制器控制高精度单轴控制转台在水平面内旋转，并对所述P4型曲面LED大屏上图像进行采集和处理；由P4型曲面LED大屏和控制计算机提供垂直方向运动的靶标，靶标与TDI探测器相机相对运动等效于卫星在轨飞行时地面靶标相对于卫星的运动。
2.根据权利要求1所述的一种空间相机垂轨扫描拼接成像的地面半物理仿真平台，其特征在于，该平台还包括与所述TDI探测器相机相匹配的镜头。
3.根据权利要求1所述的一种空间相机垂轨扫描拼接成像的地面半物理仿真平台，其特征在于，地面半物理仿真平台的等效缩比为200000倍。
4.根据权利要求1所述的一种空间相机垂轨扫描拼接成像的地面半物理仿真平台，其特征在于，所述靶标垂直于地面向下运动。
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