CN111093015A - 一种静止轨道高分辨率监视成像卫星系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种静止轨道高分辨率监视成像卫星系统及方法，采用较大遮拦的环形反射光学系统，以相对较小的代价和较高的成熟度实现高分辨率，弥补单一视场固定焦距成像系统的不足，突破高分辨率与大视场难以同时兼顾的瓶颈问题。同时具备大范围高分辨率主动搜索发现、小范围甚高分辨率长时间持续跟踪监视的能力，实现在轨闭环式监视成像。利用相机内部的伸缩光阑实现两种模式快速切换，在卫星姿态粗略指向调整和相机内部精细指向调整的配合下，实现“主动搜素发现即持续跟踪监视”的独特功能。

Description

一种静止轨道高分辨率监视成像卫星系统及方法

技术领域

本发明涉及一种静止轨道高分辨率监视成像卫星系统及方法，属于光学遥感卫星的技术领域，特别适用于静止轨道高分辨率卫星的优化设计与工程实现。

背景技术

静止轨道卫星非常适合进行长时间持续监视成像。但是，相对于500km左右的低轨道卫星而言，以静止轨道高度约为36000km为例，成像物距要高72倍以上，若想获得优于1m空间分辨率，并进行连续的监视成像，对光学成像卫星系统而言存在众多的挑战，主要表现在：(1)高空间分辨率带来的长焦距大口径光学系统研制难度大；(2)大幅宽监视成像带来的高性能探测器大面阵拼接和输出的数据量大；(3)高分辨率与大视场难以同时兼顾，从目标搜索发现到跟踪监视的滞后时间长等一系列难题。

以采用5.5μm探测器为例，在静止轨道实现1m分辨率可见光成像，需要的焦距为200m以上。由于轨道高度高需要特长焦距的高分辨率相机，为满足成像质量(MTF和信噪比等)的需求，按照现有卫星系统的指标要求为例，光学系统口径至少大于25m，按经验和统计规律，光学系统的制造成本大约与口径的2.76次方成正比，光学系统口径的增大还意味着尺寸和重量的增加以及发射成本的增大，受光学系统材料制备与加工能力的限制，难以在短周期内研制出高分辨率相机和卫星系统，同时还会远远超出运载火箭包络尺寸和承载重量的限制，难以发射入轨。

对于静止轨道监视成像，通常要采用面阵探测器，以实现100km×100km幅宽1m空间分辨率为例，需要的像元数超过100K×100K，假定每片的像元数为20K×20K，至少需要5×5接近25片大面阵探测器的拼接。考虑到1Hz以上的帧频，10bits量化，数据量在100Gbps以上。由于需要高信噪比，对探测器和成像电路有非常苛刻的要求，加上超大的数据量，星上的数据处理也面临重大的挑战。另外要进行运动目标的快速可靠识别与高精度矢量指示，背景数据冗余过大，高效率近实时处理难度很大。

为了实现静止轨道高分辨率光学监视成像，相机一般都采用单一视场的反射式光学系统，高分辨率成像系统的视场/幅宽一般都比较小，单台相机难以同时兼顾高分辨率与大视场，同时兼顾实现高分辨率和大视场研制难度和代价极大。通常开环式的高分辨率卫星系统，需要在其他系统的辅助配合引导下，完成大范围内被动搜索发现之后，接下来才能由高分辨率成像系统执行局部区域的跟踪监视任务，存在较长时间滞后效应(通常在数十分钟甚至数小时级)，单颗卫星难以实现快速精确反馈指向控制，成像对运动目标难以实现闭环式的长时间持续跟踪监视。

发明内容

本发明的技术解决问题是：发明一种基于单台反射式相机同时实现双分辨率/双视场的静止轨道高分辨率监视成像卫星系统。采用较大遮拦的环形反射光学系统，以相对较小的代价和较高的成熟度实现高分辨率，弥补单一视场固定焦距成像系统的不足，突破高分辨率与大视场难以同时兼顾的瓶颈问题。同时具备大范围高分辨率实现主动搜索发现、小范围甚高分辨率实现长时间持续跟踪监视的能力。利用相机内部的伸缩光阑实现两种模式快速切换，并在卫星姿态粗略指向调整和相机内部精细指向调整的配合下，实现“主动搜素发现即持续跟踪监视”的独特功能。

本发明的技术方案是：一种静止轨道高分辨率监视成像卫星系统，包括内光学子系统、外光学子系统、模式切换子系统、探测器及成像电子学子系统、星上计算分析子系统、粗略指向调整子系统和精细指向调整子系统；内光学子系统和外光学子系统用于汇聚成像光线，模式切换子系统用于两种不同焦距的快速切换，探测器及成像电子学子系统用于光电转换量化形成数字图像，星上计算分析子系统用于在轨近实时图像分析，粗略指向调整子系统用于对目标的大范围搜索发现，精细指向调整子系统用于对目标的长时间跟踪监视。

所述内光学子系统采用TMA三反同轴光学系统，由主镜、次镜、三镜和平面镜组成，用于实现长焦距大视场成像。

所述外光学子系统采用两反同轴环形光学系统，由大口径的环形主镜和次镜组成，分别由多块环形小口径首尾拼接而成，与内光学系统配合成像，用于实现甚长焦距小视场成像。

所述模式切换子系统采用可以伸缩的光阑，实现两种不同焦距的成像模式切换；遮挡住外光学系统聚焦的光线进入成像焦面，内光学系统独立成像；允许外光学系统聚焦的光线进入成像焦面，内外光学系统相互嵌套成像。

所述探测器及成像电子学子系统采用同一套大面阵CMOS探测器及成像电路；由多片探测器光学拼接而成更大的面阵，在成像电路作用下以不同的帧频进行成像。

所述星上计算分析子系统由星上计算机和图像分析软件组成，用于对目标的近实时提取分析，成像模式指令的控制和指向控制。

所述粗略指向调整子系统由卫星姿态测量和控制组成，用于卫星姿态的指向控制，在大的区域范围内分幅成像。

所述精细指向调整子系统由内光学系统的平面反射镜和精细调整部件组成，用于视场范围内的细微调整使尽可能在视场中心附近成像。

一种静止轨道高分辨率卫星在轨闭环监视成像方法，步骤如下：

1)粗略指向调整，主动引导到关注区域

利用粗略指向调整子系统的姿态测量与控制能力，在任务指令的控制下，主动引导到目标的关注区域；

2)大范围搜索发现，在轨快速提取目标

利用内光学子系统和大面阵探测器，进行长焦距大视场的高分辨率视频成像，通过在轨计算分析系统，利用视觉背景提取算法，快速提取目标群体；如果没有发现目标，则返回到第一步继续指向到另外区域；如果发现目标，进入步骤3)；

3)精细指向调整，引导到成像的中心区域

利用精细调整子系统快速的反馈精细控制，把目标群体调整到光学系统的视场和探测器成像的中心区域；

4)快速模式切换，从搜素发现转到跟踪监视

利用模式切换子系统内部光阑的伸缩控制，从高分辨率大视场视频成像模式，快速切换到甚高分辨率小视场视频成像模式；

5)小视场甚高分辨率成像，长时间持续跟踪监视

利用外光学系统与内光学系统的相互嵌套，在小范围内对关注目标区域精细观测，对运动目标甚高分辨率长时间跟踪监视成像；根据需要选择性地下传背景和前景图像以及目标的运动矢量信息。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)现有技术的静止轨道高分辨率卫星监视成像系统，通常为单一视场固定焦距的实体口径反射式光学成像系统，高分辨率与大视场难以同时兼顾。本发明采用较大遮拦的环形反射光学系统，内外光学系统相互嵌套，利用一套探测器和成像电路，单台反射式相机同时实现双分辨率/双视场的监视成像，两种视场和分辨率可以灵活快速切换，实现10倍以上的变焦距变视场成像，弥补单一视场定焦成像系统的不足，突破高分辨率与大视场难以同时兼顾的瓶颈问题。

(2)现有技术的静止轨道高分辨率卫星监视成像系统，在轨成像时通常为开环式的，需要在其他系统的引导下，才能实现跟踪监视成像，从目标搜素发现到跟踪监视的滞后时间长。本发明静止轨道高分辨率卫星采用闭环式的监视成像方法，单颗卫星同时具备大范围主动搜索发现和长时间持续跟踪监视能力，采用相机内部伸缩光阑实现两种模式快速切换，在卫星姿态粗略指向调整和相机内部精细指向调整的配合下，实现“主动搜素发现即持续跟踪监视”的独特功能，大幅度缩短从目标搜素发现到跟踪监视的滞后时间。

附图说明

图1是本发明静止轨道高分辨率监视成像卫星系统的功能组成示意图；

图2是本发明高分辨率监视成像卫星系统的主要在轨工作流程示意图；

图3是本发明外光学系统环形大口径首尾拼接组成的示意图；

图4是本发明大面阵CMOS探测器3*3拼接的示意图。

具体实施方式

本发明一种静止轨道高分辨率监视成像卫星系统及方法，卫星系统的主要功能组成如图1所示，在轨闭环式监视成像工作流程如图2所示，分别具体描述如下。

1、卫星系统的主要功能组成

卫星系统的主要功能由7大子系统组成，分别是：①内光学子系统、②外光学子系统、③模式切换子系统、④探测器及成像电子学子系统、⑤星上计算分析子系统、⑥粗略指向调整子系统、⑦精细指向调整子系统。

1.1、内光学子系统

内光学子系统采用一个相对较小口径的TMA三反同轴光学系统，由主镜、次镜、三镜和平面镜组成，用于实现长焦距大视场成像。

1.2、外光学子系统

外光学子系统采用两反同轴环形光学系统，由大口径的环形主镜和次镜组成，主次镜分别由多块环形小口径首尾拼接而成形成环形大口径，相比较实体口径的光学系统，将显著降低研制的难度；与内光学系统配合成像，实现甚长焦距小视场成像。

1.3、模式切换子系统

模式切换子系统采用可以伸缩的光阑，实现两种不同焦距的成像模式切换；遮挡住外光学系统聚焦的光线进入成像焦面，仅仅由内光学系统独立参与成像，实现高分辨率/大幅宽成像；允许外光学系统聚焦的光线进入成像焦面，与内外光学系统相互嵌套成像，实现甚高分辨率/小幅宽成像。

1.4、探测器及成像电子学子系统

探测器及成像电子学子系统采用同一套高性能的大面阵CMOS探测器及成像电路，由多片探测器光学拼接而成更大的面阵，在成像电路作用下根据需要，搜索发现模式以较高帧频高分辨率成像，跟踪监视模式以较低帧频甚高分辨率成像。

1.5、星上计算分析子系统

星上计算分析子系统由星上计算机和图像分析软件组成，用于对目标的近实时提取分析，成像模式指令的控制和指向控制等。

1.6、粗略指向调整子系统

粗略指向调整子系统由卫星姿态测量和控制组成，用于卫星姿态的指向控制，在大的区域范围内分幅成像。通过对卫星姿态的指向控制，使得目标在相机视场内，尽可能保证在大面阵探测器的中心，实现在更大范围内主动搜索发现，并为较长时间的跟踪监视提供保障。

1.7、精细指向调整子系统

精细指向调整子系统由内光学系统的平面反射镜和精细调整部件组成，用于视场范围内的细微调整，把目标平移到尽可能在视场中心附近成像，用于长时间的跟踪监视成像。

2、卫星系统的在轨闭环式工作流程

卫星系统的在轨工作流程由5个步骤组成，分别是：①粗略指向调整、②大范围搜索发现、③精细指向调整、④快速模式切换、⑤小范围跟踪监视。

2.1、粗略指向调整，主动引导到关注区域

利用粗略指向调整子系统的姿态测量与控制能力，在任务指令的控制下，主动引导到目标的关注区域。

2.2、大范围搜索发现，在轨快速提取目标

利用内光学子系统和大面阵探测器，进行长焦距大视场的高分辨率视频成像，通过在轨计算分析系统，利用视觉背景提取算法，快速提取目标群体。如果没有发现目标，返回到第一步继续指向到另外区域。

2.3、精细指向调整，引导到成像的中心区域

利用精细调整子系统，通过快速的反馈精细控制，把目标群体调整到光学系统的视场和探测器成像的中心区域。

2.4、快速模式切换，从搜素发现转到跟踪监视

利用模式切换子系统内部光阑的伸缩控制，从高分辨率大视场视频成像模式，快速切换到甚高分辨率小视场视频成像模式。

2.5、小视场甚高分辨率成像，长时间持续跟踪监视

利用外光学系统与内光学系统的相互嵌套，在小范围内对关注目标区域精细观测，对运动目标甚高分辨率长时间跟踪监视成像。根据需要有选择性地下传背景和前景图像以及目标的运动矢量信息。

实施例

以下通过1m/20m双分辨率/双视场卫星系统设计的实施例，对本发明监视成像系统的可行性和适用性进行说明。

1、内光学子系统

内光学子系统实现长焦距较大视场，相对较小口径(主镜约Φ＝1.5m)的TMA三反同轴光学系统，焦距约为10m(对应相机分辨率约为20m)，视场角约为1.6°*1.6°(对应相机地面幅宽大小约为1000km*1000km)。

2、外光学子系统

外光学子系统实现特长焦距较小视场，前置一个大口径(主镜外径约Φ＝30m，内径约为Φ＝28m)的主次镜两反同轴环形光学系统，可以由多块首尾拼接而成形成环形口径(如图3所示)，相比较实体Φ＝30m口径的光学系统，将显著降低研制的难度。与内光学系统配合成像，焦距约为200m(对应相机分辨率约为1m)，视场角约为0.08°*0.08°(对应相机地面幅宽大小约为50km*50km)。

3、模式切换子系统

通过可以伸缩的光阑，实现快速的模式切换。遮挡住外光学系统聚焦的光线进入成像焦面，仅仅由内光学系统参与成像，实现20m分辨率/1000km*1000km幅宽成像；允许外光学系统聚焦的光线进入成像焦面，与内光学系统相互嵌套成像，实现1m分辨率/50km*50km幅宽成像。

4、探测器及成像电子学子系统

为实现较大幅宽的成像，采用同一套高性能的CMOS探测器及成像电路。可以由像素大小5.5μm*5.5μm像元数20K*20K的单片探测器，在部分重叠的基础上，通过3*3光学拼接而成(如图4所示)。根据需要，搜索发现模式可以10Hz以上较高帧频20m分辨率成像，跟踪监视模式可以1Hz以上较低帧频1m分辨率成像。

5、星上计算分析子系统

星上计算分析通过视觉背景提取算法，实现大范围的目标搜素发现，进行精细调整；对模式进行切换；对成像进行调整控制；控制卫星的姿态，进行粗略调整；进行背景和前景图像的提取以及运动矢量信息计算分析等。

6、粗略指向调整子系统

通过对卫星姿态的指向控制(精度优于0.5°*0.5°)，使得目标在相机视场内(1.6°*1.6°)，尽可能保证在大面阵探测器的中心，实现在更大范围内主动搜索发现，并为较长时间的跟踪监视提供保障。

7、精细指向调整子系统

通过对内光学系统平面反射镜的精细指向控制，把目标平移到视场中心附近(0.03°*0.03°)，成像在大面阵探测器(20k*20k左右)的中心附近，从而保证较长时间的跟踪监视。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (9)

1.一种静止轨道高分辨率监视成像卫星系统，其特征在于：包括内光学子系统、外光学子系统、模式切换子系统、探测器及成像电子学子系统、星上计算分析子系统、粗略指向调整子系统和精细指向调整子系统；内光学子系统和外光学子系统用于汇聚成像光线，模式切换子系统用于两种不同焦距的快速切换，探测器及成像电子学子系统用于光电转换量化形成数字图像，星上计算分析子系统用于在轨近实时图像分析，粗略指向调整子系统用于对目标的大范围搜索发现，精细指向调整子系统用于对目标的长时间跟踪监视。

2.根据权利要求1所述的一种静止轨道高分辨率监视成像卫星系统，其特征在于：所述内光学子系统采用TMA三反同轴光学系统，由主镜、次镜、三镜和平面镜组成，用于实现长焦距大视场成像。

3.根据权利要求1所述的一种静止轨道高分辨率监视成像卫星系统，其特征在于：所述外光学子系统采用两反同轴环形光学系统，由大口径的环形主镜和次镜组成，分别由多块环形小口径首尾拼接而成，与内光学系统配合成像，用于实现甚长焦距小视场成像。

4.根据权利要求1所述的一种静止轨道高分辨率监视成像卫星系统，其特征在于：所述模式切换子系统采用可以伸缩的光阑，实现两种不同焦距的成像模式切换；遮挡住外光学系统聚焦的光线进入成像焦面，内光学系统独立成像；允许外光学系统聚焦的光线进入成像焦面，内外光学系统相互嵌套成像。

5.根据权利要求1所述的一种静止轨道高分辨率监视成像卫星系统，其特征在于：所述探测器及成像电子学子系统采用同一套大面阵CMOS探测器及成像电路；由多片探测器光学拼接而成更大的面阵，在成像电路作用下以不同的帧频进行成像。

6.根据权利要求1所述的一种静止轨道高分辨率监视成像卫星系统，其特征在于：所述星上计算分析子系统由星上计算机和图像分析软件组成，用于对目标的近实时提取分析，成像模式指令的控制和指向控制。

7.根据权利要求1所述的一种静止轨道高分辨率监视成像卫星系统，其特征在于：所述粗略指向调整子系统由卫星姿态测量和控制组成，用于卫星姿态的指向控制，在大的区域范围内分幅成像。

8.根据权利要求1所述的一种静止轨道高分辨率监视成像卫星系统，其特征在于：所述精细指向调整子系统由内光学系统的平面反射镜和精细调整部件组成，用于视场范围内的细微调整使尽可能在视场中心附近成像。

9.一种静止轨道高分辨率卫星在轨闭环监视成像方法，其特征在于步骤如下：

1)粗略指向调整，主动引导到关注区域

利用粗略指向调整子系统的姿态测量与控制能力，在任务指令的控制下，主动引导到目标的关注区域；

2)大范围搜索发现，在轨快速提取目标

利用内光学子系统和大面阵探测器，进行长焦距大视场的高分辨率视频成像，通过在轨计算分析系统，利用视觉背景提取算法，快速提取目标群体；如果没有发现目标，则返回到第一步继续指向到另外区域；如果发现目标，进入步骤3)；

3)精细指向调整，引导到成像的中心区域

利用精细调整子系统快速的反馈精细控制，把目标群体调整到光学系统的视场和探测器成像的中心区域；

4)快速模式切换，从搜素发现转到跟踪监视

利用模式切换子系统内部光阑的伸缩控制，从高分辨率大视场视频成像模式，快速切换到甚高分辨率小视场视频成像模式；

5)小视场甚高分辨率成像，长时间持续跟踪监视

利用外光学系统与内光学系统的相互嵌套，在小范围内对关注目标区域精细观测，对运动目标甚高分辨率长时间跟踪监视成像；根据需要选择性地下传背景和前景图像以及目标的运动矢量信息。

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