CN111079291B - 一种小卫星拼接成像地面模拟系统 - Google Patents

Abstract

一种小卫星拼接成像地面模拟系统涉及小卫星遥感仿真成像技术领域，解决了亟需小卫星在轨拼接成像通用的地面仿真测试设备的问题，地面模拟系统包括气浮平台、相机成像单元、移动导轨和靶标单元；相机成像单元设置在气浮平台上，靶标单元设置在移动导轨上；气浮平台模拟小卫星相机成像单元太空工作环境，靶标单元能够在移动导轨上上下左右移动，靶标单元上能够显示图像，且显示的图像可左右移动，相机成像单元对靶标单元进行成像。本发明易于操作、准确性高、可靠性强、灵活性高，实现了小卫星拼接成像地面仿真，对于小卫星在轨拼接成像地面仿真具有普适性，同时扩展了气浮平台的应用领域。

Description

一种小卫星拼接成像地面模拟系统

技术领域

本发明涉及小卫星遥感仿真成像技术领域，具体涉及一种小卫星拼接成像地面模拟系统。

背景技术

在轨遥感卫星通过星载相机获取地面观测目标信息，具有对地观测时间长、成像稳定等优势，在气象预报、环境保护、资源勘探、近地观测、军事侦察等很多领域应用广泛。遥感卫星对地面目标成像的观测范围与成像模式有很大的关系，一般的静态成像，只进行一次沿轨推扫，获得一定幅宽图像，而有时小卫星空间任务需要在垂轨方向有较大的观测范围，因此，为获取垂轨方向较大目标区域遥感图像，可在经过目标区域上方时，对目标区域进行多次反复推扫成像，将成像条带进行事后拼接，形成一幅完整图像。

该拼接成像模式要求卫星完成一个条带推扫后，在卫星继续飞行过程中立即进行俯仰方向的反向机动，同时通过一定角度的侧摆将卫星指向平移约一个幅宽的距离，使得后一次推扫的起始条带与前一次推扫的终点条带相邻。这种模式可以得到若干条幅宽和条带长度相同的影像，根据观测目标的不同，可设计有两次甚至多次推扫拼接的模式。

为保障小卫星在轨拼接成像的正确执行，需通过有效的地面仿真手段来完成原理及技术验证，实现小卫星拼接成像地面模拟验证，为在轨成像任务的执行和功能的实现奠定原理及技术基础。小卫星拼接成像作为一种较为新颖的成像方式，具体实现过程多表现为数学仿真分析，并未有通用的地面仿真测试设备。

发明内容

为了解决现有亟需小卫星在轨拼接成像通用的地面仿真测试设备的问题，本发明提供一种小卫星拼接成像地面模拟系统。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种小卫星拼接成像地面模拟系统，包括气浮平台、相机成像单元、移动导轨和靶标单元；相机成像单元设置在气浮平台上，靶标单元设置在移动导轨上；气浮平台模拟相机成像单元太空工作环境，靶标单元能够在移动导轨上上下左右移动、能够显示图像，且其显示的图像能左右移动，相机成像单元对靶标单元进行成像。

一种小卫星拼接成像地面模拟系统，其模拟成像过程为：

步骤一、对一种小卫星拼接成像地面模拟系统进行调整校准；

步骤二、设置靶标单元上目标图像的循环尺寸和移动速度，规划拼接成像的时间间隔，使得后一次推扫的起始条带与前一次推扫的终点条带相邻；

步骤三、控制气浮平台使相机成像单元的相机向靶标单元的起始位置方向旋转一定摆角，根据该摆角、相机像元尺寸、靶标单元目标图像移动速度，计算成像实际物距一、行转移时间一和行转移频率一，按行转移时间一和行转移频率一设置相机参数，启动相机对靶标单元成像，并在成像5s后关闭相机；

步骤四、控制气浮平台使相机旋转至步骤一中的位置，根据该摆角、相机像元尺寸、靶标单元目标图像移动速度，计算此时的成像实际物距二、行转移时间二和行转移频率二，按行转移时间二和行转移频率二设置相机参数，启动相机对靶标单元成像，并在成像5s后关闭相机；

步骤五、控制气浮平台使相机向靶标单元的起始位置方向相反的方向旋转一定摆角，根据该摆角、相机像元尺寸、靶标单元目标图像移动速度，计算成像实际物距三、行转移时间三和行转移频率三，按行转移时间三和行转移频率三设置相机参数，启动相机对靶标单元成像，并在成像5s后关闭相机；

步骤六、将步骤三、步骤四和步骤五所成的图像顺序拼接，得到一幅连续图像。

本发明的有益效果是：

本发明一种小卫星拼接成像地面模拟系统，针对卫星拼接成像地面仿真验证的需求，提出了一种小卫星拼接成像地面模拟系统。以拼接成像原理及过程为依据，基于气浮平台、相机成像单元、移动导轨和靶标单元设计了地面拼接成像模拟系统，根据气浮平台转台机动能力、移动导轨运动速度、靶标单元目标图像移动速度，规划模拟系统的成像参数设置和工作流程，实现在地面对遥感卫星进行图像拼接技术的验证，满足了对卫星拼接成像地面仿真验证的需求。

本发明易于操作、准确性高、可靠性强、灵活性高，实现了小卫星拼接成像地面仿真，验证了拼接成像的原理可行性，对于小卫星在轨拼接成像地面仿真具有普适性，同时扩展了气浮平台的应用领域。相比于在小卫星上直接进行成像试验，气浮平台地面模拟更加易于操作，减小了在轨直接试验的危险性。

附图说明

图1为小卫星在轨成像拼接成像的示意图。

图2为本发明的一种小卫星拼接成像地面模拟系统的高精度气浮平台的结构图。

图3为本发明的一种小卫星拼接成像地面模拟系统的相机成像单元的示意图。

图4为本发明的一种小卫星拼接成像地面模拟系统的移动导轨和靶标单元组合示意图。

图5为本发明的一种小卫星拼接成像地面模拟系统的模拟成像过程示意图。

图6为本发明的一种小卫星拼接成像地面模拟系统的第一次成像效果图。

图7为本发明的一种小卫星拼接成像地面模拟系统的第二次成像效果图。

图8为本发明的一种小卫星拼接成像地面模拟系统的第三次成像效果图。

图9为本发明的一种小卫星拼接成像地面模拟系统三次成像拼接示意图。

图中：1、TDICCD相机，1.1、定焦镜头，2、数据转换器，3、无线路由器，4、气浮平台，5、水平方向电动调整组件，6、高度方向电动调整组件，7、托台，8、靶标单元。

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。

本发明一种小卫星拼接成像地面模拟系统，根据小卫星在轨成像过程，对成像物理量进行相应比例映射，搭建地面仿真成像模拟系统。小卫星在轨成像拼接成像的过程如图1所示，小卫星沿着飞行轨迹对星下点轨迹成像，将前视、正视和后视成像图像拼接。一种小卫星拼接成像地面模拟系统，该系统包括气浮平台4、相机成像单元、移动导轨和靶标单元8。相机成像单元设置在高精度气浮平台4上，靶标单元8设置在移动导轨上。相机成像单元和靶标单元8对应设置，即相机成像单元能够拍摄靶标单元8上的图像。通过气浮平台4模拟成像时，高压气体从气浮平台4上的节流孔喷出，形成的压力和重力抵消，使气浮平台4可以模拟小卫星太空工作微重力环境，即模拟小卫星相机成像单元太空工作环境。靶标单元8上显示的图像以一定的速度左右移动，靶标单元8在移动导轨上能够上下移动和左右移动，以模拟地面目标与小卫星的相对运动。气浮平台4带着其上的相机成像单元转动实现相机成像单元不同角度的侧摆(水平转动)，在不同的位置对靶标单元8进行成像，获得不同位置处的单幅图像，拼接后得到完整图像。

上述气浮平台4采用现有技术中的高精度气浮平台4，包括气浮转台及附属结构件、电子学系统、姿态部件。气浮转台模拟小卫星本体，高压气体浮力使气浮平台4的轴承摩擦力很小，可以模拟小卫星在太空中的微重力工作环境。高精度气浮平台4如附图2所示。其中姿态部件选取光纤陀螺、反作用飞轮、数显表。气浮转台及附属结构件包括工作台、调平机构、机械锁紧机构、基座和气浮球轴承。电子学系统包括转台和相机外部控制计算机(计算机一)、PC104计算机(计算机二)、无线通讯网络、CAN总线通讯网络。电子学系统中计算机二与转台上各安装部件直接连通，计算机一与计算机二通过无线交互，完成转台控制、传感器数据采集、算法实现、控制指令发送、工作模式管理、遥控指令接收和台上信息下传等功能，即通过计算机一和计算机二控制气浮平台4的工作。

相机成像单元采用TDICCD相机1进行多级积分推扫成像，相机成像单元包括具有定焦镜头1.1的TDICCD相机1、数据转换器2和无线路由器3。数据转换器2连接TDICCD相机1，数据转换器2连接无线路由器3，TDICCD相机1通过定焦镜头1.1对靶标单元8成像得到的图像经数据转换器2进行数据转换并经由无线路由器3无线传输至计算机一上。实际工作时，相机成像单元置于气浮平台4上对靶标单元8实时成像。相机成像单元如附图3所示。其中，TDICCD相机1像元数为8196，像元尺寸为7μm×7μm，控制接口为cameralink。相机镜头为4mm定焦镜头1.1；数据转换器2可支持cameralink模式图像信号转换成千兆以太网口。无线路由器3传输速率为150Mbps。本实施方式中计算机一采用笔记本电脑，笔记本电脑通过无线路由器3经数据转换器2对TDICCD相机1进行控制，控制TDICCD相机1进行不同角度的侧摆；笔记本电脑连接TDICCD相机1，笔记本电脑安装相机控制软件，通过相机控制软件对TDICCD相机1进行行频、模式、行数等相机参数设置，也通过相机控制软件控制TDICCD相机1拍摄；笔记本电脑通过无线路由器3经数据转换器2对TDICCD相机1的图像进行采集，笔记本电脑对接收到的图像数据进行拼接等图像处理。

移动导轨是一个带有水平和竖直方向调整功能的导轨，移动导轨包括高度方向电动调整组件6、水平方向电动调整组件5和托台7，水平方向电动调整组件5为水平导轨和电机一，高度方向电动调整组件6为竖直导轨和电机二，托台7安装在竖直导轨上，托台7在电机二的驱动下能够沿竖直导轨上下移动，竖直导轨安装在水平导轨上，竖直导轨在电机一的驱动下能够沿水平导轨移动，即所述的左右移动。托台7采用方形平台，方形平台上放置靶标单元8。在电机(电机一和电机二)驱动下，方形平台及其上放置的设备均可在水平面内左右移动，竖直导轨为在水平导轨的竖直方向设置滑动链，可带动其上设备在竖直方向上下移动。移动导轨长度5m、高度2.8m，可运动范围在水平方向约3.6m、在高度方向约1.5m。移动导轨主要用于气浮平台4的气浮转台机动至不同位置时，通过调节靶标单元8在移动导轨上的位置，使相机成像单元对准靶标成像。移动导轨通过手动遥控器控制移动导轨的工作，控制托台7和其上靶标单元8的沿竖直导轨的上下移动和沿水平导轨左右移动。

移动导轨和靶标单元8组合情况如附图4所示。靶标单元8包含1m²LED电子显示屏(LED屏)和显示控制计算机(计算机三)，计算机三可生成不同的目标图像，LED屏用于显示图像，分辨率为4mm，在移动导轨的方形平台上放置，可随着方形平台的移动进行上下左右方向位置变化。在成像实验中，气浮转台需要机动一定的角度，气浮转台上相机成像位置和高度均会随之发生改变，因此需要靶标单元8LED屏的位置和高度能够自由调节，进而设计了移动导轨，通过移动导轨实现靶标单元8高度方向和水平方向调节。本发明的模拟系统中高度方向电动调整组件6通过滑动链和连接托台7的后置配重块实现LED屏上下高度的调节，用以配合TDICCD相机1和气浮转台的高度变化；水平方向电动调整组件5通过皮带轮传动和水平直线导轨实现LED屏水平位置的调节，用以配合相机和转台的指向和位置。高度方向和水平方向的调整均采用电机驱动方式，电机一和电机二的动作由外部外连接无线控制器遥控实现，且电机驱动速度可调节，托台7移动的最大速度可达到0.164m/s(托台7从移动导轨左侧到右侧时间最短22s，以活动距离3.6m计算得到的速度为0.164m/s)；LED屏通过其自身后端显卡组件和网络配置连接计算机三，计算机三的显示内容可复制显现在LED屏上，显示内容能左右移动，即实现了靶标单元8上能够显示图像且显示的图像能左右移动。

本发明一种小卫星拼接成像地面模拟系统的工作流程如附图5所示。在地面进行拼接成像实验，用LED屏显示图像，TDICCD相机1和LED屏正对位置，微调焦距，采用相机中间极少数像元进行成像，基本可认为像面上同一幅图像是均匀的，分辨率相同。设置目标图像是200像元循环滚动，按照LED屏的大小、图像尺寸、目标图像移动速度，规划3次拼接成像的时间间隔，使得后一次推扫的起始条带与前一次推扫的终点条带相邻，确保可拼接性，最后按照成像顺序进行拼接，得到一幅连续图像。具体流程如下：

步骤一、对一种小卫星拼接成像地面模拟系统进行调整校准即位置标定；

根据相机像元尺寸、相机焦距、靶标单元8分辨率，参照公式a/s＝f/h，其中，a为相机像元尺寸，s为靶标单元分辨率，f为相机焦距，h为成像物距，可计算得到成像物距，根据成像物距将靶标单元8放置于气浮平台4和相机的前方，图5中的靶标位置二处，成像物距为2286mm，成像物距即相机成像单元的相机与靶标单元8的距离。调整气浮平台4和相机成像单元使得相机靶面与推扫方向垂直，且相机获取靶标单元8静态清晰图像(可以人眼判定也可以为清晰度满足一定值)，此时LED电子显示屏上的靶标图像为静态图像，确保相机能获取靶标单元8静态清晰图像。

步骤二、设置靶标单元8目标图像以每秒20个像元(80mm/s)的速度向右移动，设置靶标单元8目标图像的循环尺寸是200像元循环滚动。按照靶标单元8的大小、图像尺寸、目标图像移动速度，规划拼接成像的时间间隔，使得后一次推扫的起始条带与前一次推扫的终点条带相邻。

步骤三、控制气浮平台4的气浮转台使相机成像单元的相机向靶标单元8的旋转到图5中靶标位置一并稳定，即向左旋转一定角度，称为摆角一，托板带动靶标单元8从左向右运动，因此靶标单元8起始位置方向在靶标位置二左侧，本实施方式中为30°，旋转时间15s。根据30°的左侧摆角、相机像元尺寸、靶标单元8目标图像移动速度，计算成像实际物距一、行转移时间一和行转移频率一，行转移时间一为57.75ms，行转移频率一为17Hz。启动相机控制软件，按计算的结果(成像实际物距一、行转移时间一和行转移频率一)通过相机控制软件设置相机参数，相机控制软件控制启动拍照，对“图像1”成像，并在成像Ns(N＞0)后关闭相机，成像效果如图6所示；

步骤四、控制气浮平台4的气浮转台旋转到图5中靶标位置二并稳定，相机位置为步骤一中相机的位置，此时称为摆角二，摆角二为0°。靶标位置二和靶标位置一在水平方向上距离为1320mm，根据0°摆角、相机像元尺寸、靶标单元8目标图像移动速度(同上)计算成像实际物距二、行转移时间二和行转移频率二，成像实际物距二为2286mm，行转移时间二为50ms，行转移频率二为20Hz。启动相机控制软件，按计算的结果设置相机参数，启动拍照，对“图像2”成像，成像Ns后关闭相机，成像效果如图7所示。

步骤五、控制气浮平台4的气浮转台旋转到图5中靶标位置三并稳定，向靶标单元的起始位置方向相反的方向旋转即向右旋转一定角度，称为摆角三，本实施方式中为30°，靶标位置三和靶标位置二在水平方向上距离为1320mm、和靶标位置一在水平方向上距离为2640mm，根据30°的右侧摆角、相机像元尺寸、靶标单元8目标图像移动速度(同上)，计算成像实际物距三、行转移时间三和行转移频率三，行转移时间三为57.75ms，行转移频率三为17Hz。启动相机控制软件，按计算的结果设置相机参数，启动拍照，对“图像3”成像，成像Ns后关闭相机，成像效果如图8所示。这里N＝5，是由靶标单元8目标图像的移动速度和循环尺寸决定的。步骤三～步骤五的成像满足后一次推扫的起始条带与前一次推扫的终点条带相邻，即步骤四推扫的起始条带与步骤三推扫的终点条带相邻，步骤五推扫的起始条带与步骤四推扫的终点条带相邻。

步骤六、将三次成像的图像图6～图8截取并拼接，拼接效果如图9所示，三次拍照图像分辨率不同，图6、图7和图8三幅图像是分别在靶标位置一、靶标位置二和靶标位置三三个位置所成的图像，图6向左分辨率略低，图8向右分辨率略低，但每幅整体差别不大，两幅分辨率接近；中幅分辨率高；拼接是位置上的拼接，但是图像清晰度有变化。相机侧摆(左右运动)角度不大时，可认为分辨率相同。

小卫星拼接成像作为一种较为新颖的成像方式，具体实现过程多表现为数学仿真分析，并未有通用的地面仿真测试设备。本发明一种小卫星拼接成像地面模拟系统针对卫星拼接成像地面仿真验证的需求，提出了一种小卫星拼接成像地面模拟系统。气浮平台4模拟小卫星本体和小卫星本体上相机的太空环境，通过靶标单元8能够在移动导轨移动、气浮平台4带动相机成像单元转动模拟小卫星本体的运动，也就是小卫星的模拟通过气浮平台4、靶标单元8和移动导轨共同实现。以拼接成像原理及过程为依据，基于气浮平台4、相机成像单元、移动导轨和靶标单元8设计了地面拼接成像模拟系统，根据气浮平台4转台机动能力、移动导轨运动速度、靶标单元8目标图像移动速度，规划模拟系统的成像参数设置和工作流程，实现在地面对遥感卫星进行图像拼接技术的验证，满足了对卫星拼接成像地面仿真验证的需求。

本地面模拟系统易于操作、准确性高、可靠性强、灵活性高，实现了小卫星拼接成像地面仿真，验证了拼接成像的原理可行性，对于小卫星在轨拼接成像地面仿真具有普适性，同时扩展了气浮平台4的应用领域。

本发明采取气浮平台4仿真验证方式，既模拟了小卫星在轨成像微重力环境，同时也对拼接成像有一个直观的显示效果。相比于在小卫星上直接进行成像试验，气浮平台4地面模拟更加易于操作，减小了在轨直接试验的危险性。

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 (7)

1.一种小卫星拼接成像地面模拟系统，其特征在于，包括气浮平台、相机成像单元、移动导轨和靶标单元；相机成像单元设置在气浮平台上，靶标单元设置在移动导轨上；气浮平台模拟相机成像单元太空工作环境，靶标单元能够在移动导轨上上下左右移动、能够显示图像，且其显示的图像能左右移动，相机成像单元对靶标单元进行成像；

其模拟成像过程为：

步骤一、对一种小卫星拼接成像地面模拟系统进行调整校准；

步骤二、设置靶标单元上目标图像的循环尺寸和移动速度，规划拼接成像的时间间隔，使得后一次推扫的起始条带与前一次推扫的终点条带相邻；

步骤三、控制气浮平台使相机成像单元的相机向靶标单元的起始位置方向旋转一定摆角，根据该摆角、相机像元尺寸、靶标单元目标图像移动速度，计算成像实际物距一、行转移时间一和行转移频率一，按行转移时间一和行转移频率一设置相机参数，启动相机对靶标单元成像，并在成像Ns后关闭相机；

步骤四、控制气浮平台使相机旋转至步骤一中的位置，根据该摆角、相机像元尺寸、靶标单元目标图像移动速度，计算此时的成像实际物距二、行转移时间二和行转移频率二，按行转移时间二和行转移频率二设置相机参数，启动相机对靶标单元成像，并在成像Ns后关闭相机；

步骤五、控制气浮平台使相机向靶标单元的起始位置方向相反的方向旋转一定摆角，根据该摆角、相机像元尺寸、靶标单元目标图像移动速度，计算成像实际物距三、行转移时间三和行转移频率三，按行转移时间三和行转移频率三设置相机参数，启动相机对靶标单元成像，并在成像Ns后关闭相机，N＞0；

步骤六、将步骤三、步骤四和步骤五所成的图像顺序拼接，得到一幅连续图像。

2.如权利要求1所述的一种小卫星拼接成像地面模拟系统，其特征在于，所述移动导轨包括高度方向电动调整组件、水平方向电动调整组件和托台，靶标单元放置在托台上，托台安装在高度方向电动调整组件上，高度方向电动调整组件能控制托台在其上上下移动，高度方向电动调整组件安装在水平方向电动调整组件上，水平方向电动调整组件能控制高度方向电动调整组件在其上左右移动。

3.如权利要求1所述的一种小卫星拼接成像地面模拟系统，其特征在于，所述气浮平台能喷出高压气体，通过高压气体对相机成像单元形成的压力和相机成像单元重力相等模拟相机成像单元太空工作环境。

4.如权利要求1所述的一种小卫星拼接成像地面模拟系统，其特征在于，所述气浮平台能带动其上相机成像单元的水平转动。

5.如权利要求1所述的一种小卫星拼接成像地面模拟系统，其特征在于，所述气浮平台包括计算机一和计算机二，计算机一和计算机二控制气浮平台4的工作；计算机一连接相机成像单元，计算机一用于设置相机成像单元参数、用于控制相机成像单元成像、用于接收并拼接相机成像单元所成图像。

6.如权利要求1所述的一种小卫星拼接成像地面模拟系统，其特征在于，所述相机成像单元包括具有定焦镜头的TDICCD相机、数据转换器和无线路由器，数据转换器连接TDICCD相机和无线路由器，TDICCD相机通过定焦镜头对靶标单元成像得到的图像经数据转换器进行数据转换后由无线路由器传出。

7.如权利要求1所述的一种小卫星拼接成像地面模拟系统，其特征在于，所述步骤一的具体过程为：根据相机像元尺寸、相机焦距、靶标单元分辨率计算得到成像物距，根据成像物距将靶标单元放置于气浮平台和相机的前方，调整气浮平台和相机成像单元使得相机靶面与推扫方向垂直，且相机获取靶标单元静态清晰图像。

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