CN111324857A - 一种基于tdiccd推扫特性的快速反变换计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于TDICCD推扫特性的快速反变换计算方法，针对TDICCD推扫影像的延迟积分成像特征，提出了基于视场中心视轴地表轨迹与CCD阵列“近似垂直”约束的反变换算法。TDICCD正常成像条件下其视场中心视轴在地面的轨迹与CCD方向应该近似垂直的工作原理，推算出近似成像时间t，然后通过纠正镜头畸变和补偿偏流角残差，得到成像时刻，完成反算。可以达到提高计算效率和精度的技术效果。

Description

一种基于TDICCD推扫特性的快速反变换计算方法

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，具体涉及一种基于TDICCD推扫特性的快速反变换计算方法。

背景技术

光学遥感卫星能够长时间、周期性地对地球成像，具备数据获取快速、不受区域限制的优势，已经成为对地观测的重要手段。目前，国内外光学遥感卫星主要采用TDICCD推扫成像体制来获取高分辨率和高信噪比的遥感影像，并通过对遥感影像进行几何校正来求解像素点的地理位置，且通过实现精确的偏流角调整来保障成像像质。当用TDICCD成像模式进行成像时，由地面坐标计算影像坐标的反变换需采用迭代求解算法来实现，过程复杂耗时，且存在不收敛情况。

本申请发明人在实施本发明的过程中，发现现有技术的方法，至少存在如下技术问题：

目前，反变换主要基于严格几何模型和有理多项式模型实现。张过等人在SPOT反变换算法基础上，依据稳态推扫成像特征将3次多项式简化为仿射模型，降低反变换计算量以提升效率。但该类算法由于求解格网多项式或仿射模型过程均涉及到大量的正变换计算，效率均较低。赵双明等人针对ADS40影像的几何预处理开展了研究，提出了一种基于共线方程的扫描行搜索算法来实现反变换。王密等、耿迅等学者针对基于共线方程的扫描行搜索算法计算量大的问题，研究并提出了基于物方的扫描行快速搜索算法。该算法可适用于稳态推扫成像的卫星，但对动中成像(尤其是曲线成像)卫星会因假设条件不成立而难以适用。基于有理多项式模型的反变换可直接根据定义式计算像方坐标，但要求首先生成能精确替代严格几何模型的RFM。金淑英等人分析了积分时间跳变对RFM替代精度的影响，提出积分时间相等的虚拟扫描行方法生成高替代精度的RFM，进而完成反变换。但该方法仅考虑了积分时间，忽略了姿态抖动对RFM替代精度的影响，适用性较低。

由此可知，现有的反变换方法存在计算复杂且耗时较长的技术问题。

发明内容

本发明提出一种基于TDICCD推扫特性的快速反变换计算方法，用于解决或者至少部分解决现有的反变换方法存在计算复杂且耗时较长的技术问题。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

一种基于TDICCD推扫特性的快速反算计算方法，根据TDICCD正常成像条件下其视场中心视轴在地面的轨迹与CCD方向应该近似垂直的工作原理，推算出近似成像时间t，然后通过纠正镜头畸变和补偿偏流角残差，得到成像时刻，完成反算，得到影像坐标。

结合图1～图4，本发明提供的一种基于TDICCD推扫特性的快速反算计算方法，包括如下步骤：

S1：利用卫星下传的姿态、轨道数据、成像时间数据和相机参数，建立几何定位模型正变换；

S2：基于建立的几何定位模型的正变换计算CCD中心视轴的地表轨迹，其中，CCD中心视轴的地表轨迹与时间t具有函数关系；

S3：对于给定的地物点坐标，根据CCD中心视轴的地表轨迹与CCD方向之间关系、CCD中心视轴的地表轨迹与时间t具有的函数关系，获取地物点的近似成像时刻T0；

S4：根据S3中计算的成像时刻T0内插卫星成像位置、姿态，对于线阵CCD上的探元S，将相机内的成像指向分解为沿轨方向指向角和垂轨方向指向角，计算成像像点指向角

根据设置的成像时刻增量计算沿轨指向角随成像时刻的增量关系；根据成像像点指向角

计算T0时刻对应的成像像点的理论沿轨方向指向角

根据沿轨指向角随成像时刻的增量关系以及

更新成像时刻T0；

S5：重复执行步骤S4，直到满足预设条件，将此时更新后的时刻作为真实成像时刻；

S6：根据真实成像时刻内插影响行，根据T0时刻对应的成像像点的理论沿轨方向指向角和垂轨方向指向角内插影像列，进行反变换计算。

在一种实施方式中，S1包括建立几何定位模型正变换f，如下式所示：

其中，(X_S Y_S Z_S)^T表示成像时卫星GPS测量的WGS84坐标系下的位置矢量，

表示相机坐标系与卫星本体坐标系的转换矩阵，

表示卫星本体坐标系与J2000坐标系的转换矩阵，

表示J2000坐标系与WGS84坐标系的转换矩阵，m为卫星的成像比例，(ψ_x,ψ_y)为探元指向角，是相机内方位元素的综合表示，A＝6378137.0m，B＝6356752.3m，h为卫星成像时高度，(X Y Z)^T为地面坐标，(x y)^T为影像坐标。

在一种实施方式中，每片CCD像元数为Wid，影像总行数为Hei，计算各片CCD中心视轴的地表轨迹，S2包括：

S2.1：CCD按行间隔L，取总共

行；对第i个样本行，计算该行中间像元对应的地面坐标

S2.2：利用N个样本

基于最小二乘原理拟合下式所示视轴轨迹函数P(t)，计算得到6个系数x₀,x₁,y₀,y₁,z₀,z₁；

在一种实施方式中，CCD中心视轴的地表轨迹与CCD方向之间关系为垂直关系，S3包括：

对于给定的地物点坐标

根据视场中心视轴在地面的轨迹与CCD方向垂直的关系以及函数P(t)，获取地物点的近似成像时刻，得到下式：

其中，式3表示矢量相乘，式4表示地物点的近似成像时刻的计算公式。

在一种实施方式中，S4包括：

S4.1：根据步骤S3中计算的成像时刻T0内插卫星成像位置、姿态，对于线阵CCD上的探元S，将其相机内的成像指向分解为沿轨方向和垂轨方向的两个指向角ψ_x和ψ_y，基于下式5计算成像像点指向角

式中，

为内插的卫星成像位置和姿态；

S4.2：设定成像时刻增量为ΔT，内插T₀+ΔT时刻卫星成像位置、姿态，基于式(5)计算对应的成像像点指向角

S4.3：计算沿轨指向角随成像时刻的增量关系：

S4.4：对于步骤S4.1中计算的

根据ψ_y计算对应的理论

S4.5：根据步骤S4.3计算的指向角增量式以及S4.4中的

将步骤S3中的成像时间T₀更新为T：

在一种实施方式中，S5包括重复执行S4，直至

其中，I_t为CCD积分时间，此时的T₀为地面点的真实成像时刻，

为成像真实指向角。

本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：

首先，利用卫星下传的姿态、轨道数据、成像时间数据和相机参数，建立几何定位模型正变换；然后基于建立的几何定位模型的正变换计算CCD中心视轴的地表轨迹，其中，CCD中心视轴的地表轨迹与时间t具有函数关系；接着对于给定的地物点坐标，根据CCD中心视轴的地表轨迹与CCD方向之间关系、CCD中心视轴的地表轨迹与时间t具有的函数关系，获取地物点的近似成像时刻T0；然后计算沿轨指向角随成像时刻的增量，根据ψ_y计算对应的理论

更新步骤3中的成像时间，最后根据真实成像时刻内插影响行，根据T0时刻对应的成像像点的理论沿轨方向指向角和垂轨方向指向角内插影像列，进行反变换计算。

由于本发明提供的快速反变换计算方法针对TDICCD推扫影像的延迟积分成像特征，根据TDICCD正常成像条件下其视场中心视轴在地面的轨迹与CCD方向应之间的关系以及计算出的函数关系，推算出近似成像时间，然后通过纠正镜头畸变和补偿偏流角残差，得到真实成像时刻，完成反算，不需要进行反复迭代计算，可以解决现有技术中心计算复杂且耗时的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中TDICCD工作原理图；

图2为本发明的具体实施方案步骤S2中基于垂直关系的成像行求解原理图，其中，O为地面点，P(t)为视轴的地表轨迹，通过O点做P(t)的垂线，垂足为S。

图3为本发明具体实施方案步骤S4中由时间误差引起的沿轨指向角偏差示意图，其中T₀为成像时卫星所在的真实位置，T₁为时间误差导致卫星所在的位置，ψ_x为T₀时刻沿轨向指向角，ψ_y为T₀时刻垂轨向指向角，ψ_x，为T₁时刻沿轨向指向角，ψ_y，为T₁时刻垂轨向指向角。则探元S的沿轨指向角会因成像时刻错误而造成偏差(ψ_x-ψ'_x)。

图4为本发明具体实施方案中步骤1线阵推扫CCD排列特征示意图。

具体实施方式

本发明提出了一种基于TDICCD推扫特性的快速反算算法，是基于严格几何成像模型，从TDICCD推扫成像的本质特征出发，提出“近似垂直约束”的快速反投影算法，可以解决传统反变换算法计算复杂耗时，且不收敛的情况。为了实现上述目的，本发明的主要构思如下：

针对TDICCD推扫影像的延迟积分成像特征，提出了基于视场中心视轴地表轨迹与CCD阵列“近似垂直”约束的反变换算法。TDICCD正常成像条件下其视场中心视轴在地面的轨迹与CCD方向应该近似垂直的工作原理，推算出近似成像时间t，然后通过纠正镜头畸变和补偿偏流角残差，得到成像时刻，完成反算。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供了一种基于TDICCD推扫特性的快速反算计算方法，该方法包括：

S1：利用卫星下传的姿态、轨道数据、成像时间数据和相机参数，建立几何定位模型正变换；

S2：基于建立的几何定位模型的正变换计算CCD中心视轴的地表轨迹，其中，CCD中心视轴的地表轨迹与时间t具有函数关系；

S3：对于给定的地物点坐标，根据CCD中心视轴的地表轨迹与CCD方向之间关系、CCD中心视轴的地表轨迹与时间t具有的函数关系，获取地物点的近似成像时刻T0；

S4：根据S3中计算的成像时刻T0内插卫星成像位置、姿态，对于线阵CCD上的探元S，将相机内的成像指向分解为沿轨方向指向角和垂轨方向指向角，计算成像像点指向角

根据设置的成像时刻增量计算沿轨指向角随成像时刻的增量关系；根据成像像点指向角

计算T0时刻对应的成像像点的理论沿轨方向指向角

根据沿轨指向角随成像时刻的增量关系以及

更新成像时刻T0；

S5：重复执行步骤S4，直到满足预设条件，将此时更新后的时刻作为真实成像时刻；

S6：根据真实成像时刻内插影响行，根据T0时刻对应的成像像点的理论沿轨方向指向角和垂轨方向指向角内插影像列，进行反变换计算。

在一种实施方式中，S1包括建立几何定位模型正变换f，如下式所示：

其中，(X_S Y_S Z_S)^T表示成像时卫星GPS测量的WGS84坐标系下的位置矢量，

表示相机坐标系与卫星本体坐标系的转换矩阵，

表示卫星本体坐标系与J2000坐标系的转换矩阵，

表示J2000坐标系与WGS84坐标系的转换矩阵，m为卫星的成像比例，(ψ_x,ψ_y)为探元指向角，是相机内方位元素的综合表示，A＝6378137.0m，B＝6356752.3m，h为卫星成像时高度，(X Y Z)^T为地面坐标，(x y)^T为影像坐标。

在一种实施方式中，每片CCD像元数为Wid，影像总行数为Hei，计算各片CCD中心视轴的地表轨迹，S2包括：

S2.1：CCD按行间隔L，取总共

行；对第i个样本行，计算该行中间像元对应的地面坐标

S2.2：利用N个样本

基于最小二乘原理拟合下式所示视轴轨迹函数P(t)，计算得到6个系数x₀,x₁,y₀,y₁,z₀,z₁；

具体地，当地面点O坐标已知的情况下，通过地面点O作视轴轨迹P(t)的垂线，垂足S对应的时刻即为地物点O的近似成像时间，通过上述步骤可以得出视轴轨迹函数P(t)以及对应的系数。

在一种实施方式中，CCD中心视轴的地表轨迹与CCD方向之间关系为垂直关系，S3包括：

对于给定的地物点坐标

根据视场中心视轴在地面的轨迹与CCD方向垂直的关系以及函数P(t)，获取地物点的近似成像时刻，得到下式：

其中，式3表示矢量相乘，式4表示地物点的近似成像时刻的计算公式。

具体来说，根据视场中心视轴在地面的轨迹与CCD方向垂直的工作原理，利用矢量相乘，可以计算出第五点的近似成像时刻，近似成像时刻是指估算出的与真实时刻相近的时刻。

在一种实施方式中，S4包括：

S4.1：根据步骤S3中计算的成像时刻T0内插卫星成像位置、姿态，对于线阵CCD上的探元S，将其相机内的成像指向分解为沿轨方向和垂轨方向的两个指向角ψ_x和ψ_y，基于下式5计算成像像点指向角

式中，

为内插的卫星成像位置和姿态；

S4.2：设定成像时刻增量为ΔT，内插T₀+ΔT时刻卫星成像位置、姿态，基于式(5)计算对应的成像像点指向角

S4.3：计算沿轨指向角随成像时刻的增量关系：

S4.4：对于步骤S4.1中计算的

根据ψ_y计算对应的理论

S4.5：根据步骤S4.3计算的指向角增量式以及S4.4中的

将步骤S3中的成像时间T₀更新为T：

具体来说，S4.1中，ψ_x即为

ψ_y即为

ψ_y是根据近似成像时刻内差出来的位置和姿态算出来的值，理论

是根据卫星的设计参数计算出来的理论值。

在一种实施方式中，S5包括重复执行S4，直至

其中，I_t为CCD积分时间，此时的T₀为地面点的真实成像时刻，

为成像真实指向角。

总体来说，本发明相对于现有技术来说，具有如下优点或者有益技术效果，

1、本发明公开一种基于TDICCD推扫特性的快速反算计算方法，基于TDICCD推扫影像的延迟积分成像特性，提出了基于视场中心视轴地表轨迹与CCD阵列“近似垂直”约束的反变换算法，解决了传统方法反变换算法的复杂耗时和结果不收敛的情况。

2、本发明公开的一种基于TDICCD推扫特性的快速反算计算方法，提出了基于视场中心视轴地表轨迹与CCD阵列“近似垂直”约束的反变换算法，实现反变换的精度高，相较现有反变换算法具有跟高效率。

3、本发明公开的一种基于TDICCD推扫特性的快速反算计算方法，不仅适用于稳态推扫成像卫星，也可推广应用于未来超敏捷卫星的曲线成像。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于TDICCD推扫特性的快速反变换计算方法，其特征在于，包括：

S1：利用卫星下传的姿态、轨道数据、成像时间数据和相机参数，建立几何定位模型正变换；

S2：基于建立的几何定位模型的正变换计算CCD中心视轴的地表轨迹，其中，CCD中心视轴的地表轨迹与时间t具有函数关系；

S3：对于给定的地物点坐标，根据CCD中心视轴的地表轨迹与CCD方向之间关系、CCD中心视轴的地表轨迹与时间t具有的函数关系，获取地物点的近似成像时刻T0；

S4：根据S3中计算的成像时刻T0内插卫星成像位置、姿态，对于线阵CCD上的探元S，将相机内的成像指向分解为沿轨方向指向角和垂轨方向指向角，计算成像像点指向角

根据设置的成像时刻增量计算沿轨指向角随成像时刻的增量关系；根据成像像点指向角

计算T0时刻对应的成像像点的理论沿轨方向指向角

根据沿轨指向角随成像时刻的增量关系以及

更新成像时刻T0；

S5：重复执行步骤S4，直到满足预设条件，将此时更新后的时刻作为真实成像时刻；

S6：根据真实成像时刻内插影响行，根据T0时刻对应的成像像点的理论沿轨方向指向角和垂轨方向指向角内插影像列，进行反变换计算。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，S1包括建立几何定位模型正变换f，如下式所示：

其中，(X_S Y_S Z_S)^T表示成像时卫星GPS测量的WGS84坐标系下的位置矢量，

表示相机坐标系与卫星本体坐标系的转换矩阵，

表示卫星本体坐标系与J2000坐标系的转换矩阵，

表示J2000坐标系与WGS84坐标系的转换矩阵，m为卫星的成像比例，(ψ_x,ψ_y)为探元指向角，是相机内方位元素的综合表示，A＝6378137.0m，B＝6356752.3m，h为卫星成像时高度，(X Y Z)^T为地面坐标，(x y)^T为影像坐标。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，每片CCD像元数为Wid，影像总行数为Hei，计算各片CCD中心视轴的地表轨迹，S2包括：

S2.1：CCD按行间隔L，取总共N＝int[Hei/L+0.5]行；对第i个样本行，计算该行中间像元对应的地面坐标

S2.2：利用N个样本

基于最小二乘原理拟合下式所示视轴轨迹函数P(t)，计算得到6个系数x₀,x₁,y₀,y₁,z₀,z₁；

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，CCD中心视轴的地表轨迹与CCD方向之间关系为垂直关系，S3包括：

对于给定的地物点坐标

根据视场中心视轴在地面的轨迹与CCD方向垂直的关系以及函数P(t)，获取地物点的近似成像时刻，得到下式：

其中，式3表示矢量相乘，式4表示地物点的近似成像时刻的计算公式。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，S4包括：

S4.1：根据步骤S3中计算的成像时刻T0内插卫星成像位置、姿态，对于线阵CCD上的探元S，将其相机内的成像指向分解为沿轨方向和垂轨方向的两个指向角ψ_x和ψ_y，基于下式5计算成像像点指向角

式中，

为内插的卫星成像位置和姿态；

S4.2：设定成像时刻增量为ΔT，内插T₀+ΔT时刻卫星成像位置、姿态，基于式(5)计算对应的成像像点指向角

S4.3：计算沿轨指向角随成像时刻的增量关系：

S4.4：对于步骤S4.1中计算的

根据ψ_y计算对应的理论

S4.5：根据步骤S4.3计算的指向角增量式以及S4.4中的

将步骤S3中的成像时间T₀更新为T：

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，S5包括重复执行S4，直至

其中，I_t为CCD积分时间，此时的T₀为地面点的真实成像时刻，

为成像真实指向角。

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