CN109918724A - 星载遥感仪器光路组件位移变形对视向量影响的分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种遥感仪器技术领域的星载遥感仪器光路组件位移变形对视向量影响的分析方法，将仪器光路模型中的参数分为位移变形参数、旋转扫描角和其它结构参数，光路模型输出仪器指向探测目标的视向量簇，所述仪器指向探测目标的视向量簇，是从馈源出射波束‑3dB包络渐近面上等间隔的波束边界视线矢量和波束中心视向量，经天线各反射面反射作用后从主反射面出射的视线单位向量的集合。本发明的星载遥感仪器光路组件位移变形对视向量影响的分析方法，适用于含有旋转抛物面反射面、旋转双曲面反射面、平面反射面以及旋转扫描机构等多种光路组件的微波遥感仪器。可定量分析星载微波遥感仪器上述任意光路组件位移变形的对视向量的影响。

Description

星载遥感仪器光路组件位移变形对视向量影响的分析方法

技术领域

本发明涉及遥感仪器技术领域，具体涉及一种星载遥感仪器光路组件位移变形对视向量影响的分析方法。

背景技术

图像导航配准是影响气象卫星遥感图像产品质量的关键指标，直接反映了遥感图像信息与目标之间的空间对应关系。对气象卫星业务图像产品定位的定量应用有着重要作用，如对区域复杂情况精确定位，准确跟踪恶劣天气以及生成云图动画等。

卫星平台姿态指向、轨道定点位置和热环境、力学环境存在长周期和短周期变化，使得仪器视线偏离标称方向，导致图像像素与地理位置的对应关系产生偏差。卫星平台的姿态指向变化可由星上姿态敏感器精确测量后进行补偿或校正；轨道定点位置变化可由地面站测定后进行补偿或校正。而热环境、力学环境等因素引起的卫星平台、仪器在轨变形机理复杂，难以直接精确测量每个部件的变形，且不同组件变形对图像的影响各不相同。因此各国遥感卫星制造商均针对遥感仪器的成像特性设计相应的补偿方案，如美国的GOES系列、俄罗斯的Electro-L、日本的Himawari-8、欧洲的MTG中国的风云四号气象卫星。

但是，上述卫星有效载荷中均没有微波遥感仪器。作为我国乃至全球未来气象预报体系的重要组成部分，我国率先部署静止轨道微波遥感卫星。其中微波探测仪是主载荷。由于静止轨道微波探测频段向高频扩展，为满足空间分辨率要求，其天线反射面口径远大于常规天线口径，受限于火箭整流罩尺寸，需要将天线先折叠起来，入轨后再展开完成部署。展开动作可能造成微波各反射面的相对角度和位置偏离标称值。其次，卫星在轨运行时，展开机构的挠性振动导致反射面的角度和位置偏离标称值。与光学遥感卫星不同的是，微波遥感天线反射面不仅由平面反射面还由曲面反射面构成。平面反射面的位移不改变光路反射方向，因此光学遥感星不需要对反射面位移误差建模。而曲面反射面位移直接导致光路方向变化，进而改变对地观测视向量指向，因此在微波遥感卫星光路建模中，不可忽略反射面位移误差。最后，相比于光学遥感卫星，微波遥感卫星反射面数量更多，视向量需要经过多重反射后才进入成像系统。

综上各种因素可知，当前的考虑仪器变形的卫星图像定位配准研究的研究对象多为光学遥感仪器。而微波遥感仪器比光学遥感仪器的光路建模更加复杂，具有一定特殊性。为实现微波遥感仪器的高精度图像定位，有必要针对微波遥感仪器的结构特性，分析光路组件位移变形对观测视向量的影响模式和大小。

经对现有技术的检索，J.L.Fiorello等人编写的NOAA研究报告(0989年，编号N90-13422)介绍了图像导航定位概念和原理，提出了通过光学仪器观测恒星获取仪器变形参数的方法，但该方法不适用于微波遥感仪器。

吕旺的博士学位论文《静止气象卫星成像导航配准研究》(2017年)以风云四号辐射成像仪作为研究对象，进行了图像导航配准研究。针对由热环境、应力等因素引起的遥感仪器在轨变形问题，提出双模型建模方法。用物理模型详细描述机械变形对视向量的影响，用等效模型作为补偿算法。但该方法仅对带平面镜扫描反射成像的光学遥感仪器有效。

专利号CN 104764443 A的发明专利《一种光学遥感卫星严密成像几何模型构建方法》介绍了一种利用卫星相机内外方位元素构建光学遥感卫星影像的的严密成像几何模型的方法。但该方法不适用于微波遥感仪器。

张过、祝彦敏、费文波、李德仁在《测绘通报》第五期(2009年)的文章《高分辨SAR-GEC影像严密成像几何模型及其应用研究》中，提出了构建SAR影像GEC产品严密成像几何模型的方法。但是该方法简化了仪器内部畸变的建模，无法充分描述扫描式微波成像仪器的变形。

因此，有必要设计一种能够针对微波遥感仪器的结构特性分析光路组件位移变形对观测视向量的影响模式和大小，实现微波遥感仪器的高精度图像定位的星载遥感仪器光路组件位移变形对视向量影响的分析方法。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种星载遥感仪器光路组件位移变形对视向量影响的分析方法，本发明的星载遥感仪器光路组件位移变形对视向量影响的分析方法，能够针对微波遥感仪器的结构特性分析光路组件位移变形对观测视向量的影响模式和大小，实现微波遥感仪器的高精度图像定位。

本发明涉及一种星载遥感仪器光路组件位移变形对视向量影响的分析方法，将仪器光路模型中的参数分为位移变形参数、旋转扫描角和其它结构参数，光路模型输出仪器指向探测目标的视向量簇。

进一步地，所述仪器指向探测目标的视向量簇，是从馈源出射波束-3dB包络渐近面上等间隔的波束边界视线矢量和波束中心视向量，经天线各反射面反射作用后从主反射面出射的视线单位向量的集合。

进一步地，令待分析位移变形参数为小量，其它变形参数为零，代入光路模型，求解仪器指向探测目标的视向量簇在卫星本体系的投影；计算视向量簇的X指向角和Y指向角，用以表征视向量簇在卫星本体系的指向。

进一步地，所述X指向角，是卫星本体系+Z轴与视向量在卫星本体系YZ面投影向量的夹角，令视向量沿+X轴方向时，X指向角为正；

所述Y指向角，是卫星本体系+Z轴与视向量在卫星本体系XZ面投影向量的夹角，视向量沿+Y轴方向时，Y指向角为正，计算公式如下所示：

其中，表示X指向角，θ表示Y指向角，X表示视向量，{·}表示集合。

进一步地，定义视向量关于位移变形的敏感度为中心视向量与标称中心视向量之间的Y指向角偏差(X指向角偏差)和位移变形量的比值，以位移变形敏感度随旋转扫描角的变化曲线表征位移变形对视向量指向的影响，

所述α表示扫描角；ΔΛ表示反射面位移变形量；Φ(α)表示X指向角敏感度；Θ(α)表示Y指向角敏感度；分别表示变形前后的X指向角；分别表示变形前后的Y指向角。

进一步地，以聚散度随旋转扫描角的变化曲线表征位移变形对微波能量聚焦程度的影响，定义聚散度为实际波束与标称波束之间的面积交并比，

本发明星载遥感仪器光路组件位移变形对视向量影响的分析方法，包括如下步骤：

步骤1，将星载微波遥感仪器的光路模型参数分为位移变形参数、旋转扫描角和其它结构参数；

步骤2，令待分析位移变形参数为小量，其余变形参数为零，代入光路模型，求解仪器最外端指向探测目标的视向量簇；

步骤3，改变旋转扫描角，代入光路模型，求解不同旋转扫描角下的视向量簇；

步骤4，将视向量簇转换到卫星本体系下，计算视向量簇在卫星本体的X指向角和Y指向角；

步骤5，计算关于位移变形参数的X指向角敏感度、Y指向角敏感度随旋转扫描角的变化曲线；

步骤6，计算波束和标称波束的交集面积、并集面积，解算聚散度随旋转扫描角的变化曲线。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明的星载遥感仪器光路组件位移变形对视向量影响的分析方法，适用于含有旋转抛物面反射面、旋转双曲面反射面、平面反射面以及旋转扫描机构等多种光路组件的微波遥感仪器；

2、本发明的星载遥感仪器光路组件位移变形对视向量影响的分析方法，能够定量分析星载微波遥感仪器上述任意光路组件位移变形的对视向量的影响；

3、本发明的星载遥感仪器光路组件位移变形对视向量影响的分析方法，能够针对微波遥感仪器的结构特性分析光路组件位移变形对观测视向量的影响模式和大小，实现微波遥感仪器的高精度图像定位；

4、本发明的星载遥感仪器光路组件位移变形对视向量影响的分析方法，能够直接反映遥感图像信息与目标之间的空间对应关系，对于热环境、力学环境等因素引起的卫星平台、仪器在轨变形，能够直接精确测量每个部件的变形，测出不同组件变形对图像的影响。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1为星载微波遥感仪器光路建模方法的流程图；

图2为本发明的馈源出射波束、中心出射视线示意图；

图3为某星载微波遥感仪器内部光路示意图；

图4为本发明的视向量的X指向角、Y指向角示意图；

图5为某星载遥感仪器存在的位移变形时的波束在卫星本体系的指向示意图；

图6为某星载微波遥感仪器对地观测视向量关于某位移变形量的X指向角敏感度曲线和Y指向角敏感度曲线示意图；

图7为实际波束截面与标称波束截面交集示意图；

图8为实际波束截面与标称波束截面并集示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例

本实施例中，本发明的星载遥感仪器光路组件位移变形对视向量影响的分析方法，将仪器光路模型中的参数分为位移变形参数、旋转扫描角和其它结构参数，光路模型输出仪器指向探测目标的视向量簇，所述仪器指向探测目标的视向量簇，是从馈源出射波束-3dB包络渐近面上等间隔的波束边界视线矢量和波束中心视向量，经天线各反射面反射作用后从主反射面出射的视线单位向量的集合。

接下来对本发明进行详细的描述。

本发明的目的是提供一种星载遥感仪器光路组件位移变形对视向量影响的分析方法，本发明的星载遥感仪器光路组件位移变形对视向量影响的分析方法，能够针对微波遥感仪器的结构特性分析光路组件位移变形对观测视向量的影响模式和大小，实现微波遥感仪器的高精度图像定位。

如图1至图7所示，本发明一较佳实施例的某静止轨道星载微波遥感仪器光路部件位移变形对视向量的影响分析方法，包括如下步骤：

步骤1，将星载微波遥感仪器的光路模型参数分为位移变形参数、旋转扫描角和其它结构参数。

本实施例的某静止轨道星载微波遥感仪器结构如图1所示。

其中快扫镜一是平面反射面，标称快扫镜一固连坐标系按照XY转序旋转欧拉角然后沿旋转后的固连坐标系Zb轴平移z_b，得到实际快扫镜一固连坐标系。

快扫镜二是平面反射面，标称快扫镜二固连坐标系按照XY转序旋转欧拉角然后沿旋转后的固连坐标系Zc轴平移z_c，得到实际快扫镜二固连坐标系。

第二副反是平面反射面，标称第二副反固连坐标系按照XY转序旋转欧拉角然后沿旋转后的固连坐标系Zd平移z_d，得到实际第二副反固连坐标系。

第一副反是旋转双曲面反射面，标称第一副反固连坐标系按照XY转序旋转欧拉角然后沿旋转后的固连坐标系平移x_e,y_e,z_e，得到实际第一副反固连坐标系。

主反射面是旋转抛物面反射面，标称主反固连坐标系按照XY转序旋转欧拉角然后沿旋转后的固连坐标系平移x_f,y_f,z_f，得到实际第一副反固连坐标系。

将光路模型中的参数分为：

1)位移变形参数，包括z_b,z_c,z_d,x_e,y_e,z_e,x_f,y_f,z_f；

2)旋转扫描角α；

3)其它结构参数。

步骤2，令待分析位移变形参数为小量，其余变形参数为零，代入光路模型，求解仪器最外端指向探测目标的视向量簇。

不妨假设待分析位移变形参数是θ_f，令z_f＝ε(ε是小量)，其它变形参数为零。代入光路模型f(z_f＝ε)，求解仪器最外端指向探测目标的视向量簇{X}。

步骤3，改变旋转扫描角，代入光路模型，求解不同旋转扫描角下的视向量簇。

对于本实施例，旋转扫描角有效观测范围是0到120°，在该范围内改变旋转扫描角的大小，代入光路模型f(z_f＝ε，α)，求解不同旋转扫描角下的视向量簇{X(α)},0≤α≤120°。

步骤4，将视向量簇转换到卫星本体系下，计算视向量簇在卫星本体的X指向角和Y指向角。

其中：表示X指向角；θ表示Y指向角。结果如图4所示。

步骤5，计算关于位移变形参数的X指向角敏感度、Y指向角敏感度随旋转扫描角的变化曲线。

中心视向量X指向角除以位移变形量z_f＝ε，得到关于变形参数z_f的X指向角敏感度如图5所示。

中心视向量Y指向角θ(α)除以位移变形量z_f＝ε，得到关于变形参数z_f的X指向角敏感度Θ(α)＝θ(α)/ε。如图5所示。

步骤6，计算波束和标称波束的交集面积、并集面积，解算聚散度随旋转扫描角的变化曲线。

如图6、图7所示，分别统计波束和标称波束的交集面积波束和标称波束的并集面积从而获得对应于位移变形参数θ_f的聚散度曲线V(α)＝s_I(α)/s_J(α)。如图8所示。

综上所述，本发明的星载遥感仪器光路组件位移变形对视向量影响的分析方法，适用于含有旋转抛物面反射面、旋转双曲面反射面、平面反射面以及旋转扫描机构等多种光路组件的微波遥感仪器；能够定量分析星载微波遥感仪器上述任意光路组件位移变形的对视向量的影响；能够针对微波遥感仪器的结构特性分析光路组件位移变形对观测视向量的影响模式和大小，实现微波遥感仪器的高精度图像定位；能够直接反映遥感图像信息与目标之间的空间对应关系，对于热环境、力学环境等因素引起的卫星平台、仪器在轨变形，能够直接精确测量每个部件的变形，测出不同组件变形对图像的影响。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种星载遥感仪器光路组件位移变形对视向量影响的分析方法，其特征在于，将仪器光路模型中的参数分为位移变形参数、旋转扫描角和其它结构参数，光路模型输出仪器指向探测目标的视向量簇。

2.根据权利要求1所述的星载遥感仪器光路组件位移变形对视向量影响的分析方法，其特征在于，所述仪器指向探测目标的视向量簇，是从馈源出射波束-3dB包络渐近面上等间隔的波束边界视线矢量和波束中心视向量，经天线各反射面反射作用后从主反射面出射的视线单位向量的集合。

3.根据权利要求2所述的星载遥感仪器光路组件位移变形对视向量影响的分析方法，其特征在于，令待分析位移变形参数为小量，其它变形参数为零，代入光路模型，求解仪器指向探测目标的视向量簇在卫星本体系的投影；计算视向量簇的X指向角和Y指向角，用以表征视向量簇在卫星本体系的指向。

4.根据权利要求3所述的星载遥感仪器光路组件位移变形对视向量影响的分析方法，其特征在于，

所述X指向角，是卫星本体系+Z轴与视向量在卫星本体系YZ面投影向量的夹角，令视向量沿+X轴方向时，X指向角为正；

所述Y指向角，是卫星本体系+Z轴与视向量在卫星本体系XZ面投影向量的夹角，视向量沿+Y轴方向时，Y指向角为正，计算公式如下所示：

其中，表示X指向角，θ表示Y指向角，X表示视向量，{·}表示集合。

5.根据权利要求3所述的星载遥感仪器光路组件位移变形对视向量影响的分析方法，其特征在于，定义视向量关于位移变形的敏感度为中心视向量与标称中心视向量之间的Y指向角偏差和位移变形量的比值，以位移变形敏感度随旋转扫描角的变化曲线表征位移变形对视向量指向的影响，

α表示扫描角；ΔΛ表示反射面位移变形量；Φ(α)表示X指向角敏感度；Θ(α)表示Y指向角敏感度；分别表示变形前后的X指向角；θ(α)分别表示变形前后的Y指向角。

6.根据权利要求5所述的星载遥感仪器光路组件位移变形对视向量影响的分析方法，其特征在于，以聚散度随旋转扫描角的变化曲线表征位移变形对微波能量聚焦程度的影响，定义聚散度为实际波束与标称波束之间的面积交并比，

7.根据权利要求6所述的星载遥感仪器光路组件位移变形对视向量影响的分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，将星载微波遥感仪器的光路模型参数分为位移变形参数、旋转扫描角和其它结构参数；

步骤2，令待分析位移变形参数为小量，其余变形参数为零，代入光路模型，求解仪器最外端指向探测目标的视向量簇；

步骤3，改变旋转扫描角，代入光路模型，求解不同旋转扫描角下的视向量簇；

步骤4，将视向量簇转换到卫星本体系下，计算视向量簇在卫星本体的X指向角和Y指向角；

步骤5，计算关于位移变形参数的X指向角敏感度、Y指向角敏感度随旋转扫描角的变化曲线；

步骤6，计算波束和标称波束的交集面积、并集面积，解算聚散度随旋转扫描角的变化曲线。