CN111637872A - 一种光学微小卫星可见光与红外双波段亚像元成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及卫星有效载荷技术领域，更具体地，涉及一种针对低轨道对地遥感光学成像装置，具体涉及一种光学微小卫星可见光与红外双波段亚像元成像装置。本发明线阵探测器通常采用推扫的成像模式，此时线阵探测器利用卫星自身的运动，实现对卫星飞行方向信息的连续采样，再将拍得的多幅线列图像合并成一幅完整的图像。相比于扫描型成像，推扫式成像系统不需要扫描机构，系统结构更简单。通过亚像元技术，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。
Description
技术领域
本发明涉及卫星有效载荷技术领域，更具体地，涉及一种针对低轨道对地遥感光学成像装置，具体涉及一种光学微小卫星可见光与红外双波段亚像元成像装置。
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，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。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。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。
线阵相机的传感器是由一列CCD或CMOS传感器单元排列而成，每次拍照成像只能形成一条细长的线列图像，它与扫描机构组成的扫描型探测系统拥有视场大，覆盖范围广的特点，可用于大区域的持续监视，在红外搜索与跟踪等领域得到了广泛的应用。在扫描型探测系统中，线阵相机配合扫描机构沿着垂直于线列的方向来回扫描，在扫描的同时，激发装置根据设置的时间采样间隔激发相机进行拍照，最后再将拍得的多幅线列图像合并成一幅完整的图像，这种利用扫描镜的偏摆实现一列探测器对于物方的扫描成像，称为常规采样探测。
为了以较低成本提高卫星的空间分辨率，法国航天局在SPOT-4卫星的基础上研究出了一种“最佳”的探测器阵列排列方式，即亚像元技术（过采样技术之一）。亚像元技术主要是对线列式探测器加以改造，把原始的单排线列探测器改造为在线列方向错开0.5个像元、在扫描方向上间隔n或（n+0.5）个像元（n为正整数）的两排线列探测器，从而采集到比常规采样更多的数据量，这些数据再经插值等处理后，等效于将第二排CCD像元依次插入了第一排CCD像元的间隙中，间接减小了CCD像元的尺寸，从而提高了探测器的分辨率。
亚像元技术于2002年首次在法国航天局的SPOT-5低轨光学成像卫星上得到了应用，其搭载的HRG相机在同一焦平面上集成了两个在阵列方向错开半个像元，在垂直阵列方向错开3.5个像元的12000元线阵CCD传感器，两个线阵CCD传感器对相同目标场景同时采集两幅5m分辨率的图像，经图像重建处理生成了2.5m~3m分辨率的图像，德国BIRD卫星、美国Orbview-3卫星以及莱卡公司的遥感相机ADS40都采用了和SPOT-5类似的亚像元技术。
除了上述最常见的两列探测器交错排列的方式以外，其他按特殊形式排列的探测器也可以构成过采样探测机制。
欧联的第二代静止轨道气象卫星MSG采用了菱形排列的焦平面传感器件，减小了行列之间的间距，同时增加了两个方向的采样率；日本的ALOS卫星的传感器PRISM则采用了三线阵列设计，可以同时对同一目标地区生成三幅影像，利用这三张影像来生成更高分辨率的影像。
在微小卫星上，过采样技术也得到了应用，2013年和2014年，美国Terra Bella公司先后发射了Sky-Sat高分辨率对地观测小卫星星座的两颗试验星Skysat-1和Skysat-2。Sky-Sat卫星采用“推帧”方式成像，借助“数字延时积分”（Digital TDI）体制的过采样探测技术使其CMOS传感器以高帧频对同一地面目标多次采样得到包含过采样图像序列，通过多帧图像的数据融合提高了图像的信噪比和分辨率，过采样技术的成功应用也帮助该星成为了全球首颗100kg量级亚米分辨率微卫星。
SPOT-5卫星的“超模式”（SUPERMODE）和“高模式”（HIPEMODE）是亚像元技术中两种经典的采样模式，这两种采样模式的探测器排列结构相同，都是在线列方向错开0.5个像素，唯一不同的是：在“超模式”采样模式下，探测器在飞行方向上的时间采样频率不变，而在“高模式”采样模式下，探测器在飞行方向上的时间采样频率提高一倍。
无论采用哪种工作模式，亚像元技术的处理方法都是将探测器进行亚像元排列而获取空间密度更高的数据，再利用图像插值得到更高分辨率的图像，所以获得的原始数据量越多，插值的准确性就越高。
虽然亚像元技术从理论上可以将空间分辨率提高一倍，但在实际工程应用中不可能达到这一指标，空间分辨率可以提高60%左右。
1999年，郝云彩、杨秉新等人对线阵CCD相机细分采样的原理进行了深入分析，首先从理论上分别推导了连续细分采样和间歇细分采样成像调制传递函数的公式，证明了细分采样能够提高成像系统的调制传递函数，最后又从成像质量、数据率、正常成像概率、工程应用等方面对比分析了两种细分采样技术的特点。2002年，周峰、王世涛等人从国内外亚像元技术工程应用实例出发，详细介绍了亚像元技术的基本原理，分析了遥感系统采用亚像元技术的前提条件，最后提出了分光、焦面集成、人工视场机械拼接三种实现亚像元技术的途径。2005年，杨旭强、刘洪城等人基于 “超模式”亚像元采样数据，提出了一种基于B样条插值的亚像元插值方法：首先把距离待插值位置最近的8个已采样点（所在行和列各4个）作为控制点以构造两条三次B样条曲线，然后分别求出两条B样条曲线在待插值位置的值，最后取两者的平均值作为最终的像素估计值。2006年，朱家佳、汶得胜等人分析了五株排列的抽取和插值模型，利用五株排列插值对待插值点的像素进行了估计。2009年，陈博洋、陈凡胜等人综合考虑系统信噪比、时间分辨率、空间分辨率等指标后，提出了一种在线阵方向上以0.8倍像元大小，扫描方向以1.6倍像元大小排列的“矩形像元”线阵探测器，实验显示，该探测器能够在保持时间分辨率和信噪比不变的前提下，将相机空间分辨率提高20%。2011年，张元，钟兴等人提出了利用4列线阵CCD错排，能够将图像两个方向的分辨率都提高50%的推扫成像方法。2012年，李真真、陈凡胜设计实现了一种在线阵方向错开0.5个像元大小，在扫描方向错开1个像元大小的两列线阵中波红外探测器，并通过成像实验验证了其提高空间分辨率的可行性。2013年，饶鹏、王成良等人针对点目标探测系统，从目标响应、信噪比、超出率三个方面对过采样和常规采样作了对比，验证了过采样探测的优越性。2016年，林两魁、王少游等人首先从扫描成像的工作原理出发，介绍了过采样和常规采样的特点，综合光学点扩散函数、像元离散采样、运动模糊以及噪声等模型给出了一种扫描图像的仿真方法，最后对仿真图像进行点目标检测，对比分析了常规采样和过采样的探测性能。
以上都是对单波段成像，对可见光和红外双波段成像，使用亚像元技术，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不足，提供一种光学微小卫星可见光与红外双波段亚像元成像装置用以提高低轨道对地遥感光学成像载荷空间分辨率。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种光学微小卫星可见光与红外双波段亚像元成像装置，包括顺序排列的望远物镜、分光片、可见光亚像元线阵探测器和红外亚像元线阵探测器，其特征在于：还包括亚像元成像系统实测流程，所述的可见光亚像元线阵探测器和红外亚像元线阵探测器采用推扫的成像模式，此时线阵探测器利用卫星自身的运动，实现对卫星飞行方向信息的连续采样，再将拍得的多幅线列图像合并成一幅完整的图像，目标光线直接进入光学系统后由分光片分光，分别被可见光亚像元线阵探测器和红外亚像元线阵探测器接收。
装置的探测波段为：可见光波段，0.45~0.7µm，红外波段，3.0~3.6µm。
可见光亚像元线阵探测器的参数为：
轨道设计为600km高度的太阳同步轨道，探测波段：0.45μm ~0.7µm，瞬时视场IFOV：8µrad，光学口径：84mm，焦距：625mm，地面分辨率GSD：4.8m，视场角（线阵）：1.375°，刈宽（线阵）14.4km，探测器像元数（线阵）：3000，像素单元尺寸：5μm×5μm。
红外亚像元线阵探测器的参数为：
轨道高度：600km，探测波段：3.0μm~3.6μm，瞬时视场IFOV：46.8µrad，光学口径：84mm，焦距：625mm，地面分辨率GSD：28m，视场角（线阵）：1.072°，刈宽（线阵）11.52km，探测器像元数（线阵）：400×1，像素单元尺寸：30μm×30μm。
本发明的有益效果是：
线阵探测器通常采用推扫的成像模式，此时线阵探测器利用卫星自身的运动，实现对卫星飞行方向信息的连续采样，再将拍得的多幅线列图像合并成一幅完整的图像。相比于扫描型成像，推扫式成像系统不需要扫描机构，系统结构更简单。通过亚像元技术，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亚像元成像系统示意图；
图2为本发明的亚像元系统实测流程示意图。
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亚像元成像装置，如下：
线阵探测器通常采用推扫的成像模式，此时线阵探测器利用卫星自身的运动，实现对卫星飞行方向信息的连续采样，再将拍得的多幅线列图像合并成一幅完整的图像。相比于扫描型成像，推扫式成像系统不需要扫描机构，系统结构更简单。
亚像元成像系统如附图1所示，目标光线直接进入光学系统后由分光片分光，被两个波段的亚像元探测器接收。
对于可见光相机而言，把两列在线列方向错开0.5个像元，在扫描方向上间隔12个像元的线阵探测器集成在一个芯片上；对于红外相机而言，也是通过焦面集成的方式，将单列探测器改造为在线列方向错开0.5个像元，在扫描方向上间隔2个像元的两列探测器。若不提高垂直方向的采样频率，理论上，本系统可以将两个波段图像水平方向的分辨率提高1倍；若将垂直方向的时间采样频率提高1倍，理论上，本系统可将两个波段图像水平和垂直方向的分辨率都提高1倍。
以下结合一个具体实施例对本发明方案作进一步说明。
从过采样技术的实际应用对象——光学微小卫星成像系统出发，设计一套适用于微小卫星平台的过采样成像系统。
总体设计指标
本系统采用可见光与中波红外共光路的成像设计方案，由分光片分光，实现双通道的成像，可采用过采样技术提高系统空间分辨率，要求系统主要技术指标如下：
探测波段：可见光波段，0.45~0.7µm；红外波段，3.0~3.6µm。
系统瞬时视场：8µrad。
采用过采样技术后系统分辨率提高到：6µrad。
主要设计满足以下要求：
（1）适用于微小卫星平台，采用线阵推扫成像。
能够实现过采样探测，以较低成本实现较高空间分辨率。
关键参数设计
1.可见光成像系统参数设计
轨道
据统计，绝大部分光学微小卫星的轨道选择为离地球高度在400-800千米之间的太阳同步轨道，这样的轨道选择策略有以下几个优点：一是采用近地轨道可以获得更高的空间分辨率；二是大部分光学微小卫星属于侦查、气象和资源类的卫星，需要从图像中提取足够的信息，而太阳同步轨道卫星以相同方向经过同一纬度的当地时间是相同的，每次对同一区域拍摄时的照度是相同的，通过对比，可以获得更多的信息。此外，太阳同步轨道卫星在经过同纬度地点时拥有相近的光照条件，对卫星上的太阳能电池和可见光传感器十分有利。
综上考虑，本文将光学微小卫星的轨道设计为600km高度的太阳同步轨道。
光学口径
根据衍射理论，一个物点经过理想光学系统后，其所成的像并非一个理想像点，而由一个明亮的中心圆斑和环绕其外的若干个明暗相间的圆环组成的圆孔衍射图像，该圆斑被称作艾利斑。艾利斑的角半径定义为衍射图样的主极大值与其外的第一暗环之间的角距离，根据衍射理论可以计算出其大小：
式中，δ为衍射斑的角半径，D为光学系统的光瞳直径，λ为入射光线的波长。
根据角分辨率（瞬时视场IFOV）δ=8µrad的要求，将可见光波段平均工作波长λ=0.55µm代入式2.1可得孔径尺寸为：D＝1.22×0.55µm/8µrad＝0.084m=84mm。
焦距
艾利斑的半径可表示为：
式中，f代表光学系统的焦距。可见光探测器选用5µm×5µm的主流尺寸，当艾里斑刚好覆盖两个像元时，图像传感器对光学系统的信息采样效果最佳，即：
式中，P为探测器像元尺寸，综合式1、式2、式3，再将P和δ代入可得焦距f＝5µm/8µrad=0.625m。
成像指标
采用线阵推扫成像方案时，成像视场为：3000*8µrad＝1.375°。
采用线阵推扫成像方案时，系统技术指标为：
系统瞬时视场IFOV=8µrad；
600km轨道高度，地面分辨率GSD：0.6*8=4.8m；
刈宽：600*tan(1.375°)＝14.4km。
综上，对于可见光探测系统，主要设计参数和指标如下：
表1 可见光探测系统参数设计
| 轨道高度： | 600km |
| 探测波段： | 0.45μm ～0.7µm |
| 瞬时视场IFOV： | 8µrad |
| 光学口径： | 84mm |
| 焦距： | 625mm |
| 地面分辨率GSD： | 4.8m |
| 视场角（线阵）： | 1.375° |
| 刈宽（线阵） | 14.4km |
| 探测器像元数（线阵）： | 3000 |
| 像素单元尺寸： | 5μm×5μm |
红外成像系统参数设计
红外成像系统探测波段为3μm~3.6μm，与可见光成像系统共用一套光学系统，光学口径84mm，焦距0.625m。
瞬时视场IFOV
将光学口径D=84mm，平均工作波长λ=3.3µm代入式2.1得瞬时视场IFOV=46.8µrad。
探测器像元大小
将光学口径D=84mm，焦距f=0.625m代入式2.3可求出探测器像元P=30µm，目前30µm像元大小的红外探测器比较常见，制作工艺成熟，比较容易实现。
成像指标（推扫）
采用线阵推扫成像方案时，400元的线阵探测器可以满足设计需求。
采用线阵推扫成像方案时，系统指标为：
系统瞬时视场IFOV=46.8µrad；
600km轨道高度，地面分辨率GSD：0.6*46.8=28m；
系统视场：400×46.8µrad=1.072°
刈宽：600km×30µm×400/625mm=11.52km；
表2 红外探测系统参数设计
| 轨道高度： | 600km |
| 探测波段： | 3.0μm～3.6μm |
| 瞬时视场IFOV： | 46.8µrad |
| 光学口径： | 84mm |
| 焦距： | 625mm |
| 地面分辨率GSD： | 28m |
| 视场角（线阵）： | 1.072° |
| 刈宽（线阵） | 11.52km |
| 探测器像元数（线阵）： | 400×1 |
| 像素单元尺寸： | 30μm×30μm |
Claims (4)
1.一种光学微小卫星可见光与红外双波段亚像元成像装置，包括顺序排列的望远物镜、分光片、可见光亚像元线阵探测器和红外亚像元线阵探测器，其特征在于：还包括亚像元成像系统实测流程，所述的可见光亚像元线阵探测器和红外亚像元线阵探测器采用推扫的成像模式，此时线阵探测器利用卫星自身的运动，实现对卫星飞行方向信息的连续采样，再将拍得的多幅线列图像合并成一幅完整的图像，目标光线直接进入光学系统后由分光片分光，分别被可见光亚像元线阵探测器和红外亚像元线阵探测器接收。
2.根据权利要求1所述的一种光学微小卫星可见光与红外双波段亚像元成像装置，其特征在于：装置的探测波段为：可见光波段，0.45~0.7µm，红外波段，3.0~3.6µm。
3.根据权利要求1所述的一种光学微小卫星可见光与红外双波段亚像元成像装置，其特征在于：可见光亚像元线阵探测器的参数为：轨道设计为600km高度的太阳同步轨道，探测波段：0.45μm～0.7µm，瞬时视场IFOV：8µrad，光学口径：84mm，焦距：625mm，地面分辨率GSD：4.8m，视场角：1.375°，刈宽14.4km，探测器像元数：3000，像素单元尺寸：5μm×5μm。
4.根据权利要求1所述的一种光学微小卫星可见光与红外双波段亚像元成像装置，其特征在于：红外亚像元线阵探测器的参数为：轨道高度：600km，探测波段：3.0μm~3.6μm，瞬时视场IFOV：46.8µrad，光学口径：84mm，焦距：625mm，地面分辨率GSD：28m，视场角：1.072°，刈宽11.52km，探测器像元数：400×1，像素单元尺寸：30μm×30μm。
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| CN104581144A (zh) * | 2015-01-16 | 2015-04-29 | 航天东方红卫星有限公司 | 一种星载线阵推扫相机全视场积分时间确定方法 |
| CN106525238A (zh) * | 2016-10-27 | 2017-03-22 | 中国科学院光电研究院 | 一种基于超分辨率重建的星载多光谱成像系统设计方法 |
| CN107703643A (zh) * | 2017-11-03 | 2018-02-16 | 中国运载火箭技术研究院 | 一种高分辨多波段光学复合成像探测系统及其方法 |
| CN110111274A (zh) * | 2019-04-28 | 2019-08-09 | 张过 | 一种星载推扫式光学传感器外方位元素定标方法 |
-
2020
- 2020-05-14 CN CN202010407605.8A patent/CN111637872A/zh active Pending
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|---|---|---|---|---|
| CN115861136A (zh) * | 2022-11-17 | 2023-03-28 | 中国科学院空天信息创新研究院 | 一种基于航空遥感系统的影像分辨率重建方法 |
| CN115861136B (zh) * | 2022-11-17 | 2023-09-19 | 中国科学院空天信息创新研究院 | 一种基于航空遥感系统的影像分辨率重建方法 |
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