CN111609935B - 一种光学微小卫星可见光与红外双波段微扫描成像装置 - Google Patents
一种光学微小卫星可见光与红外双波段微扫描成像装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及卫星有效载荷技术领域，更具体地，涉及一种光学微小卫星可见光与红外双波段微扫描成像装置。本发明包括：微扫描系统，进行微扫描成像；图像处理算法，高分辨率图像重建；验证装置，演示技术原理、进行评估，克服了现有技术中光学微小卫星空间分辨率不高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及卫星有效载荷技术领域，更具体地，涉及一种光学微小卫星可见光与红外双波段微扫描成像装置。
背景技术
遥感卫星是现代社会获取信息的重要工具，具有观测范围大、获取信息高效、快速的特点，在五十多年的时间内得到了快速发展，尤其是在灾害监测、资源勘探、大气气象预报、军事侦察、对地观测等领域，遥感卫星都得到了广泛的应用。为解决传统卫星可靠性和平台资源利用率低等问题，美国科学家于20世纪80年代提出了结构一体化、质量轻量化、电路集成化的微小卫星设计理念。按照国际通用的分类方法，把质量在10~1000kg的卫星统称为微小卫星（童兴. 小卫星如何按重量分类[J]. 国际太空, 2001(8): 7.），微小卫星拥有体积小、重量轻、生产周期短、研制和发射成本低、设计功能密度高、机动性强等特点（何嘉，王成良，张松芝，等. 光学微小卫星参数统计分析[J]. 红外, 2017, 38(9): 1-7）。与大型空间光学载荷相比，搭载在微小卫星上的光学微小载荷在低成本对地观测及商业开发等方面具有更大的应用前景（付联校，徐松，焦彤，等. 空间光学载荷发展现状及趋势[C]. 红外、遥感技术与应用研讨会暨交叉学科论坛. 2015）。通过对近二十年来国内外部分光学微小卫星的轨道、尺寸、质量等主要参数的统计和分析，发现：现代光学微小卫星的质量、尺寸以及功耗呈逐年下降的趋势，光学微小卫星已经进入了高速发展阶段，即将成为光学卫星的中坚力量，常规卫星小型化、小型卫星微纳化的趋势非常明显。
微扫描技术多用于面阵相机，该技术是利用微扫描装置将光电成像系统所成图像在X，Y两个方向进行1/N(N为整数)倍像素大小的移动，得到N×N幅微扫描图像]，再由图像重建算法将这些低分辨率图像按获取顺序交叉重建为一幅更高分辨率的图像]。从目前国外发展情况来看，实现微扫描的主要途径包括：微转动反射平面镜微扫描、旋转透射平面镜微扫描以及微动透镜微扫描等，根据扫描级数的不同，微扫描又可以被分为1×1，2×2，3×3等工作模式。
国外从20世纪70年代开始了对微扫描技术的理论研究，2004年，Wiltse. J M和Miller. John L详细阐述和分析了微扫描技术的原理和优势，2005年，他们通过焦平面红外微扫描成像设备进行了微扫描实测实验，文献[36]的实验数据显示，该系统的最小可分辨温度MRT（Minimum Resovable Temperatures）、探测和识别（Detection，Recognitionand Identification）范围都有所改善，并且微扫描硬件能够减少红外成像系统中35%到50%的随机抖动，提升了系统的稳定性。
2011年，Crabtree P N和Murraykrezan J通过傅氏变换实现了一种简单快速的图像配准方法，并基于此配准方法提出了一种可变像素的重建算法，对微扫描图像序列进行了图像重建，并使用Lucy-Richardson反卷积算法减少了重建图像的模糊效应。
除理论研究外，在国外，微扫描技术已经被成功应用于工程之中，20世纪90年代，加拿大国防研究组织成功研发了世界上首套带有微扫描装置的红外成像系统，该系统能够完成多种模式的微扫描成像，实测数据表明，采用微扫描技术后，该系统的最小可分辨温差MRTD（Minimum Resolvable Temperature Difference）和调制传递函数MTF(ModulationTransfer Function)等关键指标均有较大改善。
2014年，加拿大国家光学研究所（INO）研制的16348×12288超高分辨率热红外相机核心部件HRXCAM-16K采用了其专利微扫描系统，该微扫描系统可以实现超小的有效像元间距（1.0625µm），使得HRXCAM-16K的分辨率达到了同类产品的16倍，由于拥有超高的分辨率，HRXCAM-16K能够在1km以外的距离对目标的红外特征进行分辨。
HRXCAM-16K采用了基于轻型材料的可折叠式折反射光学器具，其尺寸仅为11.4cm(Φ)×27.6cm，质量仅有1.6kg，这些特点使其在国防、航天遥感等需要高分辨率红外成像能力的领域具备很大的应用前景。
2003年，左月萍、张建奇在前人的基础上，给出了1×1，2×2，3×3，4×4几种微扫描模式的像素传递函数表达式，通过仿真验证了微扫描技术改善光电成像系统成像质量的可行性。2005年，金伟其、王春勇等人通过对垂直方向具有光学微扫描的288×4焦平面热成像过程的分析研究，提出了一种可实现亚像元成像处理算法，在垂直扫描的方向可使探测器传递函数的截止频率提高一倍，可明显改善系统成像质量和作用距离。2009年，高美静、金伟其等人利用光学平板旋转的原理设计实现了一种用于红外显微成像系统的微扫描器，并且实现了该扫描器与成像系统的一体化设计与加工，有效提高了红外显微系统的成像分辨率。2015年，高美静、李元明等人根据图像降采样模型，利用三次样条插值的方法针对微扫描显热成像系统中的微扫描误差进行了补偿，减少了由微扫描误差带来的影响，提升了系统的空间分辨率。2016年，刘薇、高慧婷等人根据“高分四号”（GF-4）卫星的成像特点，通过设计相位标靶对其面阵凝视相机的点扩散函数（Point Spread Function，PSF）进行了精确的测量，并用此PSF对凸集投影法进行了改进，对GF-4卫星高频拍摄的图像序列进行了重建，提高了GF-4卫星的在轨成像分辨率。
以上都是对单波段成像，对可见光和红外双波段成像，使用微扫描技术，还未查到相关公开资料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中光学微小卫星空间分辨率不高的问题，提供一种光学微小卫星可见光与红外双波段微扫描成像装置，提高低轨道对地遥感光学成像载荷空间分辨率。
为实现上述目的，本发明提供了一种光学微小卫星可见光与红外双波段微扫描成像装置，其特征在于，包括：微扫描系统，进行微扫描成像；图像处理算法，高分辨率图像重建；验证装置，演示技术原理、进行评估。
所述微扫描系统包括目标光线经二维指向镜反射进入光学系统后，由分光片分光，被两个波段的探测器接收；对于面阵探测器，卫星通常使用二维指向镜和面阵凝视相机相结合的探测方式，二维指向镜的两维转轴是相互正交的，方位轴和俯仰轴的交点位于指向镜面的中心，可以实现两维的旋转；由于卫星相对于地球时刻在运动，所以在需要对目标进行跟踪详查时，二维指向镜作也可用作运动补偿，以保持探测目标和卫星得相对静止关系，消除卫星因运动而产生的像移现象。
所述卫星在完成运动补偿的基础上，再控制二维指向镜作两个方向的微幅度旋转，实现探测器的2×2微扫描成像，所以要求对二维指向镜的旋转精度足够高：在光学系统焦距为625mm的前提下，若要满足红外相机2×2微扫描要求（扫描步长15μm），二维指向镜的旋转精度至少需要达到arctan(15μm/625mm)=24μrad；若要满足可见光相机2×2微扫描要求（扫描步长2.5μm），二维指向镜的旋转精度至少需要达到arctan(2.5μm/625mm)=4μrad；综上，二维指向镜的旋转精度至少需要达到4μrad才能满足系统设计要求。
所述装置中的微扫描探测模式设置为兼容和非兼容两种模式。
所述兼容模式为可见光相机的像元大小为5μm，红外相机像元大小为30μm，当红外相机进行标准2×2微扫描时，二维指向镜每次旋转，实现了红外探测器像面0.5个像元即15μm的位移，但对于可见光相机而言，15μm等于3个像元的位移，不满足可见光相机标准2×2微扫描的要求；若要使可见光相机和红外相机同时实现微扫描探测，则每部相机的微扫描步长必须要包含亚像元的位移，即微扫描的步长必须为像元大小的非整数倍，因此，本发明将微扫描步长设置为可见光探测器像元大小的3.5倍，即17.5μm，此时红外相机对应的微扫描步长为17.5/30=0.58个像元，这样两部相机的微扫描步长都为各自探测器像元大小的非整数倍，可以保证二者同时实现微扫描探测，但该扫描步长对于两部相机而言都不是标准的微扫描，兼容模式会影响空间分辨率的提升程度。
所述在非兼容微扫描模式下，系统可以实现单部相机的标准2×2微扫描，对于可见光相机，微扫描步长设置为2.5μm（0.5个像元）；对于红外相机，微扫描步长则设置为15μm（0.5个像元）；在非兼容模式下，两个波段探测器能够进行标准的2×2微扫描，分辨率提升效果更好，但每次只能实现单部相机的微扫描探测。
本发明的优点在于：通过微扫描技术，获得了高分辨率遥感图像。因此，适合资源受限的低轨道对地光学遥感卫星。
附图说明
图1为本发明的光学微小卫星微扫描成像系统示意图；
图2为本发明的微扫描系统实测流程示意图；
图3为本发明的直接交错插值多幅图像的重建方法；
图4为本发明的迭代反投影多幅图像的重建算法；
图5为本发明的实验验证装置处理的图像。
具体实施方式
下面结合附图及实例对本发明做详细说明，一种光学微小卫星可见光与红外双波段微扫描成像装置，如下：
本发明提供了一种光学微小卫星可见光与红外双波段微扫描成像装置，其特征在于，包括：微扫描系统，进行微扫描成像；图像处理算法，高分辨率图像重建；验证装置，演示技术原理、进行评估。
微扫描成像系统如附图1所示，目标光线经二维指向镜反射进入光学系统后，由分光片分光，被两个波段的探测器接收。对于面阵探测器，卫星通常使用二维指向镜和面阵凝视相机相结合的探测方式，二维指向镜的两维转轴是相互正交的，方位轴和俯仰轴的交点位于指向镜面的中心，可以实现两维的旋转；由于卫星相对于地球时刻在运动，所以在需要对目标进行跟踪详查时，二维指向镜作也可用作运动补偿，以保持探测目标和卫星得相对静止关系，消除卫星因运动而产生的像移现象。本发明要求卫星在完成运动补偿的基础上，再控制二维指向镜作两个方向的微幅度旋转，实现探测器的2×2微扫描成像，所以要求对二维指向镜的旋转精度足够高：在光学系统焦距为625mm的前提下，若要满足红外相机2×2微扫描要求（扫描步长15μm），二维指向镜的旋转精度至少需要达到arctan(15μm/625mm)=24μrad；若要满足可见光相机2×2微扫描要求（扫描步长2.5μm），二维指向镜的旋转精度至少需要达到arctan(2.5μm/625mm)=4μrad；综上，二维指向镜的旋转精度至少需要达到4μrad才能满足系统设计要求；针对红外相机和可见光相机微扫描步长不同的问题，本发明将系统的微扫描探测模式设置为兼容和非兼容两种模式。
兼容模式可见光相机的像元大小为5μm，红外相机像元大小为30μm，当红外相机进行标准2×2微扫描时，二维指向镜每次旋转，实现了红外探测器像面0.5个像元即15μm的位移，但对于可见光相机而言，15μm等于3个像元的位移，不满足可见光相机标准2×2微扫描的要求；若要使可见光相机和红外相机同时实现微扫描探测，则每部相机的微扫描步长必须要包含亚像元的位移，即微扫描的步长必须为像元大小的非整数倍，因此，本发明将微扫描步长设置为可见光探测器像元大小的3.5倍，即17.5μm，此时红外相机对应的微扫描步长为17.5/30=0.58个像元，这样两部相机的微扫描步长都为各自探测器像元大小的非整数倍，可以保证二者同时实现微扫描探测，但该扫描步长对于两部相机而言都不是标准的微扫描，兼容模式会影响空间分辨率的提升程度。
非兼容模式在非兼容微扫描模式下，系统可以实现单部相机的标准2×2微扫描，对于可见光相机，微扫描步长设置为2.5μm（0.5个像元）；对于红外相机，微扫描步长则设置为15μm（0.5个像元）；在非兼容模式下，两个波段探测器能够进行标准的2×2微扫描，分辨率提升效果更好，但每次只能实现单部相机的微扫描探测。
Claims (1)
1.一种光学微小卫星可见光与红外双波段微扫描成像装置，其特征在于：双波段条件下微扫描成像系统；双波段条件下微扫描成像兼容模式；所述双波段条件下微扫描成像系统为二维指向镜在完成运动补偿的基础上作两个方向的微幅度旋转，每个波段的相机同步实现探测器的2×2微扫描成像，基于获得的4幅微扫描图像，进行高分辨率图像重建，二维指向镜的旋转精度至少需要达到4μrad才能满足系统设计要求；所述双波段条件下微扫描成像兼容模式即所述装置中的微扫描探测模式设置为兼容模式，要使可见光相机和红外相机同时实现微扫描探测，则每部相机的微扫描步长必须要包含亚像元的位移，即微扫描的步长必须为像元大小的非整数倍；进一步，当可见光相机的像元大小为5μm，红外相机像元大小为30μm，应将微扫描步长设置为可见光探测器像元大小的3.5倍，即17.5μm，此时红外相机对应的微扫描步长为17.5/30=0.58个像元，这样两部相机的微扫描步长都为各自探测器像元大小的非整数倍，可以保证二者同时实现微扫描探测。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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