CN111355899A - 一种太空全景成像系统及成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种太空全景成像系统及成像方法。本发明根据太空全景成像的特点，采用一个控制器去控制多个相机同步曝光；同时根据卫星的姿态确定主相机，根据卫星的速度、高度、以及主相机的焦距信息，控制主相机的最大曝光时间限制，利用主相机的曝光时间去控制其他相机的曝光时间，使得所有相机同步曝光，实现同步拍摄工作，最终重构天体目标的全景图像，解决了现有技术难以拼接成全景图像和图像模糊的问题。

Description

一种太空全景成像系统及成像方法
技术领域
本发明属于光学成像领域，具体涉及一种太空全景成像系统及成像方法。
背景技术
太空全景成像用于从太空中对地球进行全景成像，一般由多台相机组成，如图1所示为有多台相机组成的太空全景成像系统，分别安装于卫星的多个表面用于从太空中对地球进行全景成像
传统的全景相机曝光方法一般是每台相机按照内置的自动曝光算法进行各自曝光，然后输出各自的图像，通过对输出图像的对比度、亮度进行调整后将几个相机的图像拼成全景图像，从而获取目标场景的全景照片或视频。这种方法用于地面应用，针对场景与相机相对静止的场景可以取得较好的效果，但对太空全景成像不太适用，主要原因包括：
a、卫星相对地球是高速运动的，如果多台相机的曝光不同步，会导致每台相机拍摄的图像不是同一时刻的图像，难以拼接成全景图像；
b、由于卫星相对地球是高速运动的，拍照时，相机与地球之间存在相对移动，如果曝光时间过长，会造成图像的模糊；
c、每个相机指向不同，地球在图像中所占的比重不同，由于太空背景为暗背景，采用传统的各个相机自动曝光的方法会导致每个相机拍摄的图像亮度差异较大，后期难以拼接。
发明内容
为了解决现有太空全景成像方法所存在的难以拼接成全景图像、会造成图像的模糊问题，本发明根据太空全景成像的特点，提供了一种太空全景成像系统及成像方法。
本发明的基本原理是：
本发明根据太空全景成像的特点，采用一个控制器去控制多个相机同步曝光；同时根据卫星的姿态确定主相机，根据卫星的速度、高度、以及主相机的焦距信息，控制主相机的最大曝光时间限制，利用主相机的曝光时间去控制其他相机的曝光时间，使得所有相机同步曝光，实现同步拍摄工作，最终重构天体目标的全景图像。
本发明的具体技术方案是：
本发明提供了一种太空全景成像系统，包括卫星载荷管理器、相机控制器以及多台相机；
卫星载荷管理器用于向相机控制器发送曝光模式指令，曝光模式指令包括曝光模式、曝光时间、卫星时间信息、卫星的姿态参数以及卫星的速度和高度；
相机控制器分别与多个相机之间相互通信，相机控制器向多个相机发送同步信号和相机工作参数，相机向相机控制器反馈工作参数和状态信息；
多台相机分别用于同步地在不同角度对天体目标进行成像。
进一步地，上述相机工作参数包括曝光模式、曝光时间以及增益。
进一步地，上述同步信号为上升沿有效的脉冲信号。
进一步地，上述卫星载荷管理器与相机控制器之间通过RS422总线进行通信。
进一步地，上述相机控制器向多个相机发送相机工作参数以及相机向相机控制器反馈工作参数和状态信息均通过RS422总线进行通信。
基于上述成像系统，本发明提供了一种太空全景成像方法，包括以下步骤：
步骤1：成像系统上电初始化；
步骤2：相机控制器实时判断是否接收到卫星载荷管理器发送的曝光模式指令；
如果收到了曝光模式指令，则执行步骤3；
如果没有接收到曝光模式指令，则执行步骤5；
步骤3：相机控制器对指令解析，相机控制器判断是自动曝光模式还是指令曝光模式；
如果为指令曝光，则执行步骤4；
如果为自动曝光，则执行步骤5；
步骤4：相机控制器将指令中的曝光时间和增益分别发送给多个相机，然后跳转到至步骤2；
步骤5：相机控制器根据接收到的卫星的姿态参数确定多个相机中正对地球的相机，并设定正对地球的相机为主相机；
步骤6：相机控制器根据卫星的高度和速度计算主相机允许的最大曝光时间tmax，tmax计算方法为：
Figure BDA0002389696850000041
其中：d为相机图像探测器像元大小，单位μm；
H为卫星高度，单位为m；
V为卫星线速度，单位为m/s；
f为相机镜头焦距，单位为mm；
步骤7：相机控制器将计算出的主相机允许的最大曝光时间tmax以及自动曝光指令发送给主相机；
步骤8：相机控制器接收主相机返回的曝光值和增益值，并将其发给除主相机外的其余相机，同时向其余相机发送指令曝光模式；
步骤9：相机控制器向所有相机发送曝光同步信号，所有相机开始拍摄图像，并最终重构出天体目标的全景图像。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用由相机控制器向多个相机发送曝光同步信号，保证多个相机拍摄的为同一时刻的场景，便于后期重构全景图像。
2、本发明由相机控制器根据卫星的姿态参数在所有相机中确定出正对地球的相机，并将其作为主相机，设置其它相机的曝光参数与主相机一致，可以保持所有相机图像亮度的一致性，便于后期重构全景图像。
3、本发明由相机控制器根据卫星的高度、速度信息计算主相机允许的最大曝光时间，避免图像模糊，而且可以灵活适应不同的轨道高度的卫星。
附图说明
图1为本发明成像系统的具体组成示意图；
图2为本发明成像方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的介绍。
一种太空全景成像系统的具体实施结构，如图1所示，包括卫星载荷管理器、相机控制器以及5台相机，(相机1到相机5,代号分别为1、2、3、4、5)和一个相机控制器6组成(说明：为了便于理解和描述，本实施例采用5个相机对本发明进行说明，但本发明不限于5个相机)。
卫星载荷管理器通过RS422向相机控制器发送曝光模式指令，曝光模式指令包括曝光模式、曝光时间、卫星时间信息、卫星的姿态参数以及卫星的速度和高度；
相机控制器和5个相机之间的信号包括同步信号和RS422通信，同步信号是由相机控制器发送给相机的，为上升沿有效的脉冲信号，用于同步5个相机同时曝光，这样保证5个相机是在同一时刻拍照，避免由于卫星和地球存在相对运动，如果曝光不同步，会导致5个相机拍到的场景不是同一时刻的场景，后期难以重构出全景图像。
相机控制器和5个相机之间的RS422通信用于相机控制器向相机发送相机工作参数(包括曝光模式、曝光时间、增益等)控制指令，以及相机向相机控制器反馈工作参数和状态信息(包括曝光模式、曝光时间、增益等)。
5个相机分别用于同步地在不同角度对天体目标进行成像。
基于上述成像系统各组成部分描述，现对采用上述成像系统进行成像的具体实现流程进行描述，如图2所示：
1、成像系统上电初始化；
2、相机控制器实时判断是否接收到卫星载荷管理器发送的曝光模式指令；
如果收到了曝光模式指令，进行第3步；
如果没有接收到曝光模式指令，跳转到第6步；
3、对指令解析，进行第4步；
4、判断是自动曝光模式还是指令曝光模式；
如果为指令曝光，进行第5步；
如果为自动曝光，进行第6步；
5、将指令中的曝光时间和增益分别发送给5个相机，然后跳转到第2步；
6、根据接收到的卫星的姿态参数在5个相机中确定出正对地球的相机，设定正对地球的相机为主相机；
7、根据卫星的高度和速度计算主相机允许的最大曝光时间tmax，tmax计算方法为：
Figure BDA0002389696850000061
其中：d为相机图像探测器像元大小，单位μm；
H为卫星高度，单位为m；
V为卫星线速度，单位为m/s；
f为相机镜头焦距，单位为mm，
8、将计算出的主相机允许的最大曝光时间tmax以及自动曝光指令发送给主相机；
9、相机控制器接收主相机返回的曝光值和增益值，并将其发给除主相机外的另外4台相机，同时向这四台相机发送指令曝光模式；
10、相机控制器向5个相机发送曝光同步信号，5个相机开始拍摄图像，并最终重构出天体目标的全景图像。

Claims (6)

1.一种太空全景成像系统，其特征在于：包括卫星载荷管理器、相机控制器以及多台相机；
卫星载荷管理器用于向相机控制器发送曝光模式指令，曝光模式指令包括曝光模式、曝光时间、卫星时间信息、卫星的姿态参数以及卫星的速度和高度；
相机控制器分别与多个相机之间相互通信，相机控制器向多个相机发送同步信号和相机工作参数，相机向相机控制器反馈工作参数和状态信息；
多台相机分别用于同步地在不同角度对天体目标进行成像。
2.根据权利要求1所述的太空全景成像系统，其特征在于：所述相机工作参数包括曝光模式、曝光时间以及增益。
3.根据权利要求1所述的太空全景成像系统，其特征在于：所述同步信号为上升沿有效的脉冲信号。
4.根据权利要求1所述的太空全景成像系统，其特征在于：所述卫星载荷管理器与相机控制器之间通过RS422总线进行通信。
5.根据权利要求1所述的太空全景成像系统，其特征在于：所述相机控制器向多个相机发送相机工作参数以及相机向相机控制器反馈工作参数和状态信息均通过RS422总线进行通信。
6.一种太空全景成像方法，其特征在于，采用了如权利要求1-5所述的成像系统，成像步骤具体如下：
步骤1：成像系统上电初始化；
步骤2：相机控制器实时判断是否接收到卫星载荷管理器发送的曝光模式指令；
如果收到了曝光模式指令，则执行步骤3；
如果没有接收到曝光模式指令，则执行步骤5；
步骤3：相机控制器对指令解析，相机控制器判断是自动曝光模式还是指令曝光模式；
如果为指令曝光，则执行步骤4；
如果为自动曝光，则执行步骤5；
步骤4：相机控制器将指令中的曝光时间和增益分别发送给多个相机，然后跳转至步骤2；
步骤5：相机控制器根据接收到的卫星的姿态参数确定多个相机中正对地球的相机，并设定正对地球的相机为主相机；
步骤6：相机控制器根据卫星的高度和速度计算主相机允许的最大曝光时间tmax，tmax计算方法为：
Figure FDA0002389696840000021
其中：d为相机图像探测器像元大小，单位μm；
H为卫星高度，单位为m；
V为卫星线速度，单位为m/s；
f为相机镜头焦距，单位为mm；
步骤7：相机控制器将计算出的主相机允许的最大曝光时间tmax以及自动曝光指令发送给主相机；
步骤8：相机控制器接收主相机返回的曝光值和增益值，并将其发给除主相机外的其余相机，同时向其余相机发送指令曝光模式；
步骤9：相机控制器向所有相机发送曝光同步信号，所有相机开始拍摄图像，并最终重构出天体目标的全景图像。
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