CN109803091B - 单一小视场相机钟摆式螺旋扫描成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

单一小视场相机钟摆式螺旋扫描成像系统及方法涉及空间遥感相机成像运动模式，克服传统相机的成像模式成像视场小的问题，实现了小载荷下实现大视场广域成像。本发明成像载荷模块上的小视场的成像相机，通过空间遥感平台、机械转动模块与成像载荷模块上的摆动装置运动及姿态的协调配合，来实现小视场成像相机的大视场成像。单一成像载荷模块本身质量与体积相对于现有的成像系统均很小，本发明的遥感平台的体积与质量也小于现有的遥感平台。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。在广域搜索中，大视场相机制造工艺复杂困难，本发明的成像载荷系统的结构与制作都相当简单。

Description

单一小视场相机钟摆式螺旋扫描成像系统及方法

技术领域

本发明涉及空间遥感相机成像的运动模式，具体涉及一种单一小视场相机钟摆式螺旋扫描成像系统及方法。

背景技术

空间遥感领域中的光学成像系统质量、分辨率、幅宽三者一直是相互掣肘的不能共同达到完美。在过去的研究设计思路上，一直是要想高分辨率和宽幅宽，那么相应的质量和体积一定会显著提升，进而导致遥感平台的体积增大，其他功能的减少。现如今需要用到广域搜索的场景越来越多，过去用到大视场相机来实现广域搜索，但是大视场相机的制造通常很复杂，且有很多困难。因此利用小视场相机来实现广域搜索的方法设计的研究是很有必要的。

目前现有的空间遥感成像模式有针对航天平台的星下点成像、大角度侧摆成像、多轨条带成像、单轨条带成像、单轨立体成像、推扫成像、摆扫成像、环扫成像模式等，均是采用了遥感平台和相机系统之间的高精度的协调姿态配合来达到特殊的成像目的。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种单一小视场相机钟摆式螺旋扫描成像系统及方法，利用小视场相机实现大视场广域搜索并减轻航天平台的载荷重量和简化结构，克服传统的相机的成像模式成像视场小的问题，实现了较小载荷下实现大视场广域成像。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

单一小视场相机钟摆式螺旋扫描成像系统，该系统包括：

控制模块；

空间遥感平台，所述空间遥感平台通过所述控制模块控制调整姿态；

机械转动模块，所述机械转动模块安装在所述空间遥感平台上，通过所述控制模块控制，以与所述空间遥感平台的连接处为转轴自转；

成像载荷模块，所述成像载荷模块安装在所述机械转动模块上，通过所述控制模块控制，沿着所述机械转动模块往复运动，并进行摆扫运动。

单一小视场相机钟摆式螺旋扫描成像方法，该扫描方法包括如下步骤：

步骤一：控制模块接收本次成像任务，根据空间遥感平台的速度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K和前向帧间重叠率η，计算机械转动机构的角速度ω_s，保证了成像相机摆动到内侧或外侧时远视场点的拼接；

步骤二：控制模块由成像相机延轨向视场角F_{OV_x}、摆动角度θ、卫星遥感平台的轨道高度H和步骤一中计算得出的机械转动机构的角速度ω_s计算机械转动机构转动360°所需的成像帧数N，机械转动机构摆动最外侧所需的成像帧数N_o；

步骤三：控制模块计算成像载荷相机的复合钟摆扫和螺旋扫成像帧的最大时间间隔T并确定成像载荷相机的成像帧间隔I，要求成像帧间隔I不能大于最大时间间隔T；

步骤四：控制模块通过卫星相对地面飞行所引起的像移v_f1，成像载荷相机环扫旋转引起的像移v_f2以及地球自转引起的像移v_f3，计算得到沿轨方向的像移速度V_p1和垂轨方向的像移速度V_p2；

步骤五：控制模块根据沿轨方向的像移速度为V_p1、垂轨方向的像移速度V_p2和水平像素值a，垂直像素值b，得到成像载荷相机曝光时间t；

步骤六：控制模块由成像载荷相机成像曝光时间t、摆动一个周期的成像次数n和成像帧间隔I，计算成像载荷模块的摆动装置的摆动速度β：

步骤七：控制模块将步骤一计算的机械转动机构的角速度ω_s发送至机械转动机构进行自转运动并控制成像载荷相机根据步骤五得到的曝光时间t和摆动装置的摆动速度β进行成像，成像载荷相机初始位置成像，曝光时间结束后，成像载荷相机的摆动装置以β的速度进行运动，在下一位置处停止，成像曝光，曝光时间结束后，成像载荷相机的摆动装置以β的速度进行运动，在下一位置处停止……直至无缝隙覆盖预计采集的区域，实现单一小视场相机钟摆式螺旋的扫描方法。

本发明的有益效果是：本发明成像载荷模块上的小视场的相机，通过空间遥感平台、机械转动模块与成像载荷模块上的摆动装置运动及姿态的协调配合，来实现小视场成像相机的大视场成像。单一成像载荷模块本身质量与体积相对于现有的成像系统均很小，进而本发明的遥感平台的体积与质量也小于现有的遥感平台。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。进一步减小空天遥感平台成像系统的质量和体积。在广域搜索中，大视场相机制造工艺复杂困难，本发明的成像载荷系统的结构与制作都相当简单。

附图说明

图1本发明单一小视场相机钟摆式螺旋扫描成像系统结构示意图。

图2本发明空间遥感平台运动轨迹和转动机构轨迹图

图3本发明成像载荷模块的半圆周成像地面覆盖图和一个成像周期中的放大顺序图。

图中：1、空间遥感平台，2、控制模块，3、机械转动模块，3-1、固定轴，3-2、转动轴，3-3、转动杆，4、成像载荷模块，4-1、摆动装置，4-2、成像相机。

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。

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。

单一小视场相机钟摆式螺旋扫描成像系统，如图1所示，包括空间遥感平台1、控制模块2、机械转动模块3和成像载荷模块4。机械转动模块3安装在空间遥感平台1上，机械转动模块3能够绕空间遥感平台1旋转。成像载荷模块4安装在机械转动模块3上，能沿着机械转动模块3往复运动，而且可以被机械转动模块3带动，绕空间遥感平台1转动。控制模块2安装在空间遥感平台1上，分别与空间遥感平台1、机械转动模块3、以及成像载荷模块4连接，控制空间遥感平台1的姿态调整、机械转动模块3绕空间遥感平台1转动、以及成像载荷模块4的侧摆角度和成像。

机械转动模块3的具体结构包括：固定轴3-1、转动轴3-2和转动杆3-3。固定轴3-1在固定空间遥感平台1上，转动轴3-2安装在固定轴3-1上，并绕固定轴3-1实现转动，转动杆3-3固定在转动轴3-2上，通过转动轴3-2的转动带动转动杆3-3绕空间遥感平台1转动。

成像载荷模块4具体结构包括：摆动装置4-1和成像相机4-2；所述摆动装置4-1装配在所述转动杆3-3上，沿转动杆3-3往复运动的，成像相机4-2安装在所述摆动装置4-1上并通过摆动装置4-1实现复合式摆扫和螺旋扫运动。

遥感卫星地面站预先设定卫星轨迹和地面覆盖任务参数，地面站将数据发送到控制模块2。控制模块2根据地面站上传的卫星轨迹参数和实时空间遥感平台1的姿轨信息，计算空间遥感平台1在当下任务中的姿轨，计算得出姿轨调整数据，传输至空间遥感平台1，空间遥感平台1根据姿轨调整数据进行姿轨调节。地面站发送的地面覆盖任务参数在控制模块2中解析，计算成像相机4-2需要的成像中心位置和初始成像姿态，传输数据分别给摆动装置4-1，摆动装置4-1将成像相机4-2摆动到初始成像位置。地面站发送到控制模块2工作开始指令，控制模块2分别发送指令给转动轴2-2开始转动，摆动装置4-1开始摆动和成像相机4-2开始/停止成像。

成像载荷模块4的摆动装置4-1的摆动角度根据实际工作任务的地面覆盖需求、曝光时间、侧摆最优能力(边缘分辨率是否符合工作任务)、成像帧频、成像系统的实际探测幅宽等因素确定。

本实施方式中，成像相机4-2在转动轴3-2、转动杆3-3和摆动装置4-2的带动下实现多维复合运动，来扩大视场。图2为空间遥感平台1的运动轨迹和转动杆3-3端部的转动轨迹，转动杆3-3在自身转动以及空间遥感平台1向前推进的基础上实现了螺旋状轨迹。在图3中A到B的轨迹中，以13帧图像组成一幅子图，拍出连续的图像。将一幅子图放大，每一帧图像是以Z字形拍摄，1和9帧图像上下拼合，5和13帧图像上下拼合，无缝隙完全覆盖。

单一小视场相机钟摆式螺旋扫描成像方法，步骤如下：步骤一、空间遥感平台1沿轨道运行，控制模块2接收成像任务，计算机械转动模块3转动杆3-3的转动角速度ω_s：控制模块2接收地面上传的本次成像任务，根据本次成像任务(轨迹参数)，空间遥感平台1的速度V_s、初始状态下远视场点到星下点的弧长r(只要保证远视场点拼接完整，近视场点也能拼接完整)、环扫临界系数K和轨道前向帧间重叠率η，计算转动杆3-3角速度ω_s，

其中，R为地球半径，H为空间遥感平台1的轨道高度，F_OV__y为成像相机4-2垂轨向视场角，θ为成像相机4-2侧摆角度；

在该角速度下，保证了成像相机4-2摆动到外侧时远视场点的拼接，则成像相机4-2摆动到内侧时，仍可拼接。

步骤二、控制模块2由成像相机4-2延轨向视场角F_OV__x、侧摆角度θ、空间遥感平台1的轨道高度H和步骤一中计算得出的转动杆3-3角速度ω_s，计算机械转动模块3转动360°所需的成像帧数N，成像相机4-2摆动最外侧所需的成像帧数N_o

其中的t_n表示自转360度时的某一时刻，F_OV__x表示成像相机4-2延轨向视场角，再计算转动机构3转动360°所需的总的成像帧数N

N＝n·N_o

n表示成像相机4-2摆动一个周期的成像次数。

步骤三、控制模块2计算成像相机4-2的钟摆扫成像帧的最大时间间隔T

并确定成像相机4-2的成像帧间隔I，要求成像帧间隔I不能大于最大时间间隔T，本实施例中，选择I＝T。

步骤四、控制模块2计算像移速度：像移由三部分组成，分别为由卫星相对地面飞行所引起的像移

由成像相机4-2环扫旋转引起的像移

以及由于地球自转引起的像移

首先，求由卫星相对地面飞行所引起的像移

其中f是成像相机4-2的焦距，其方向是沿轨方向。

然后求由成像相机4-2螺旋扫旋转引起的像移

其中v_r是远视场点的对应像元的线速度：

v_r＝ω_s·Htan(θ+Fov_{_y})

的方向可以分成沿轨和垂轨方向，沿轨像移

垂轨像移

最后是地球自转引起的像移

其中v_e是地球自转线速度，方向是垂轨。

所以沿轨方向的像移速度为V_p1

垂轨方向的像移速度V_p2

步骤五、控制模块2计算成像相机4-2的曝光时间t，根据沿轨方向的像移速度为V_p1、垂轨方向的像移速度V_p2为和像素尺寸为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)

步骤六、控制模块2由成像曝光时间t、成像载荷相机摆动一个周期的成像次数n和成像帧间隔I，计算成像载荷的摆动装置的摆动速度β：

步骤七、控制模块2将步骤一计算的转动杆3-3的角速度ω_s传至机械转动模块3，转动轴3-2带动转动杆3-3自转运动。控制模块2控制成像相机4-2进行成像。控制模块2根据步骤五得到的成像曝光时间t、摆动装置4-1的摆动速度β进行成像。成像相机4-2初始位置成像，曝光时间结束后，成像相机4-2的摆动装置以β的速度进行运动，在下一位置处停止，成像曝光，曝光时间结束后成像相机4-2的摆动装置以β的速度进行运动，在下一位置处停止……直至无缝隙覆盖预计采集的区域，实现单一小视场相机钟摆式螺旋的扫描成像方法并复位。

空间遥感平台1提供的空间遥感平台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、空间遥感平台1高度H、空间遥感平台1速度V_s。其他参数均为地面上注参数。

利用本发明提出的空间遥感平台1通过机械转动模块3的螺旋式运动和成像载荷模块4钟摆式运动实现成像视场的扩宽，提升小视场成像系统的探测能力，由于加入了侧摆，同时也使成像系统的立体成像和平面成像同时实现，并且在保障视场要求和分辨率要求的前提下缩小了整个成像系统的体积，减轻了整个成像系统的重量，减小了成像系统口径等目标。在广域搜索中，原有的成像系统的硬件制造往往复杂困难，本发明的成像系统结构简单，将硬件的难度转化为软件的难度，大大降低成本与工艺难度。

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 (5)

1.单一小视场相机钟摆式螺旋扫描成像系统，其特征在于，该系统包括：

控制模块；

空间遥感平台，所述空间遥感平台通过所述控制模块控制调整姿态；

机械转动模块，所述机械转动模块安装在所述空间遥感平台上，通过所述控制模块控制，以与所述空间遥感平台的连接处为转轴自转；

成像载荷模块，所述成像载荷模块安装在所述机械转动模块上，通过所述控制模块控制，沿着所述机械转动模块往复运动，并进行摆扫运动；

单一小视场相机钟摆式螺旋扫描成像系统的扫描方法包括如下步骤：

步骤一：控制模块接收成像任务，根据空间遥感平台的速度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K、轨道前向帧间重叠率η、地球半径R、空间遥感平台的轨道高度H、成像相机垂轨向视场角F_{OV_y}和成像相机摆动角度θ，计算转动杆的角速度ω_s，保证了成像相机摆动到内侧或外侧时远视场点的拼接；

步骤二：控制模块由成像相机延轨向视场角F_{OV_x}、摆动角度θ、空间遥感平台的轨道高度H和步骤一中计算得出的转动杆的角速度ω_s计算机械转动机构转动360°所需的成像帧数N，成像相机摆动最外侧所需的成像帧数N_o；

步骤三：控制模块计算成像相机的钟摆扫成像帧的最大时间间隔T并确定成像相机的成像帧间隔I，要求成像帧间隔I不能大于最大时间间隔T；

步骤四：控制模块通过卫星相对地面飞行所引起的像移

成像相机环扫旋转引起的像移

以及地球自转引起的像移

计算得到成像相机沿轨方向的像移速度V_p1和垂轨方向的像移速度V_p2；

步骤五：控制模块根据成像相机沿轨方向的像移速度为V_p1、垂轨方向的像移速度V_p2和水平像素值a，垂直像素值b，得到成像载荷相机曝光时间t；

步骤六：控制模块由成像相机成像曝光时间t、摆动一个周期的成像次数n和成像帧间隔I，计算成像载荷模块的摆动装置的摆动速度β；

步骤七：控制模块将步骤一计算的转动杆的角速度ω_s发送至机械转动机构进行自转运动并控制成像相机根据步骤五得到的曝光时间t和摆动装置的摆动速度β进行成像，成像相机初始位置成像，曝光时间结束后，成像相机的摆动装置以β的速度进行运动，在下一位置处停止，成像曝光，曝光时间结束后，成像相机的摆动装置以β的速度进行运动，在下一位置处停止……直至无缝隙覆盖预计采集的区域，实现单一小视场相机钟摆式螺旋的扫描成像方法。

2.根据权利要求1所述的单一小视场相机钟摆式螺旋扫描成像系统，其特征在于，所述机械转动模块包括：固定在所述空间遥感平台的固定轴、安装在所述固定轴并进行自转的转动轴和固定在所述转动轴，并随着转动轴自转的转动杆。

3.根据权利要求2所述的单一小视场相机钟摆式螺旋扫描成像系统，其特征在于，所述成像载荷模块包括：装配在所述转动杆，沿转动杆往复运动的摆动装置，和安装在所述摆动装置并沿摆动装置摆动的成像相机。

4.单一小视场相机钟摆式螺旋扫描成像系统的扫描方法，其特征在于，该扫描方法包括如下步骤：

步骤一：控制模块接收成像任务，根据空间遥感平台的速度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K、轨道前向帧间重叠率η、地球半径R、空间遥感平台的轨道高度H、成像相机垂轨向视场角F_{OV_y}和成像相机摆动角度θ，计算转动杆的角速度ω_s，保证了成像相机摆动到内侧或外侧时远视场点的拼接；

步骤二：控制模块由成像相机延轨向视场角F_{OV_x}、摆动角度θ、空间遥感平台的轨道高度H和步骤一中计算得出的转动杆的角速度ω_s计算机械转动机构转动360°所需的成像帧数N，成像相机摆动最外侧所需的成像帧数N_o；

步骤三：控制模块计算成像相机的钟摆扫成像帧的最大时间间隔T并确定成像相机的成像帧间隔I，要求成像帧间隔I不能大于最大时间间隔T；

步骤四：控制模块通过卫星相对地面飞行所引起的像移

成像相机环扫旋转引起的像移

以及地球自转引起的像移

计算得到成像相机沿轨方向的像移速度V_p1和垂轨方向的像移速度V_p2；

步骤五：控制模块根据成像相机沿轨方向的像移速度为V_p1、垂轨方向的像移速度V_p2和水平像素值a，垂直像素值b，得到成像载荷相机曝光时间t；

步骤六：控制模块由成像相机成像曝光时间t、摆动一个周期的成像次数n和成像帧间隔I，计算成像载荷模块的摆动装置的摆动速度β；

步骤七：控制模块将步骤一计算的转动杆的角速度ω_s发送至机械转动机构进行自转运动并控制成像相机根据步骤五得到的曝光时间t和摆动装置的摆动速度β进行成像，成像相机初始位置成像，曝光时间结束后，成像相机的摆动装置以β的速度进行运动，在下一位置处停止，成像曝光，曝光时间结束后，成像相机的摆动装置以β的速度进行运动，在下一位置处停止……直至无缝隙覆盖预计采集的区域，实现单一小视场相机钟摆式螺旋的扫描成像方法。

5.根据权利要求4所述的扫描方法，其特征在于，所述步骤三中，成像相机的钟摆扫成像帧的最大时间间隔T等于成像相机的成像帧间隔I。

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