CN112284352B - 一种用于光学遥感卫星的稳像系统和方法 - Google Patents

一种用于光学遥感卫星的稳像系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于光学遥感卫星的稳像系统和方法，其中，该系统包括：角锥棱镜、相机主镜、相机次镜、稳像镜、成像探测器、位置探测器和伺服控制器；其中，从被拍摄目标发出的成像光依次经过相机主镜、相机次镜、稳像镜反射至成像探测器；恒星发出的参考光通过角锥棱镜反射至相机主镜，再依次经相机主镜、相机次镜、稳像镜反射至位置探测器；位置探测器通过测量恒星像点的位置变化间接得到相机视轴变化量，位置探测器将探测到的相机视轴变化量输入给伺服控制器，伺服控制器根据相机视轴变化量和预设遥感卫星姿态变化角度控制稳像镜，保证参考光和成像光的稳定。本发明提升了光学遥感图像的成像质量，提高了遥感卫星无地面控制点定位精度。

Description

一种用于光学遥感卫星的稳像系统和方法
技术领域
本发明属于光学遥感卫星技术领域，尤其涉及一种用于光学遥感卫星的稳像系统和方法。
背景技术
对遥感卫星、天文观测卫星等来说，为了提高成像分辨率和定位精度，其有效载荷往往口径比较大、焦距比较长，有效载荷口径越大、焦距越长，对光轴指向精度及稳定度的要求就越高。
然而卫星上存在诸多影响光轴稳定度的扰动因素，如动量轮、控制力矩陀螺、太阳电池翼驱动机构、天线指向机构等的周期运动，离子推进器、低温制冷机工作以及环境扰动引起的结构振动，另外敏捷卫星还经常会进行整星姿态机动，等等，这些扰动因素频谱和幅值变化大，除了影响卫星姿态稳定度以外，还会导致卫星本体产生中高频抖动，进一步导致相机系统光轴抖动，使得积分时间内地面景物成像在焦面上多次移动或转动，造成图像质量下降。
光轴抖动频率和幅值覆盖范围大，并呈现低频幅值大、高频幅值小的特点，难以用单一手段解决光轴抖动问题，须从主动补偿、被动隔振等多方面综合考虑。一般来说主动补偿解决中低频抖动问题，被动减隔振解决中高频抖动问题。
对主动补偿技术来说，目前常用的方法是基于图像相关的方法来实现，通过在相机焦面上安装高帧频辅助面阵图像传感器，在相机成像的同时高速采集面阵影像，并对相继采集到的两幅影像进行相关运算和测量相关峰的位移量，达到像移测量并稳像的目的，该方法依赖于被拍摄对象光照情况和层次丰富度，对图像信噪比高，在光照较弱和背景单一的情况下，难以发挥效果。
而天文望远镜可在主焦面附近加装一块小面阵探测器的方法，来获取主相机边缘视场的恒星光作为参考，在主相机长达数分钟、甚至数小时的积分时间内提供视轴变化信息，用于反馈给稳像镜，提供实时像移补偿。而光学遥感相机不同，一方面其相机指向地球，视场内找不到用于参考的恒星，另一方面其积分时间在微秒-毫秒级，受限于探测器灵敏度和信噪比，对暗淡的恒星光进行高帧频成像十分困难。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于光学遥感卫星的稳像系统和方法，以惯性稳定的恒星光作为参考源，可以对各种扰振源引起的相机光轴抖动进行实时、高精度测量和补偿，提升了光学遥感图像的成像质量，提高了遥感卫星无地面控制点定位精度。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种用于光学遥感卫星的稳像系统，包括：角锥棱镜、相机主镜、相机次镜、稳像镜、成像探测器、位置探测器和伺服控制器；其中，从被拍摄目标发出的成像光经过相机主镜反射至相机次镜，再经相机次镜反射至稳像镜，再经稳像镜反射至成像探测器并成像；恒星发出的参考光通过角锥棱镜反射至相机主镜，再经相机主镜反射至相机次镜，再经相机次镜反射至稳像镜，再经稳像镜反射至位置探测器并成像；位置探测器通过测量恒星像点的位置变化间接得到相机视轴相对于惯性参考系的变化即相机视轴变化量，位置探测器将探测到的相机视轴变化量输入给伺服控制器，伺服控制器根据相机视轴变化量和预设遥感卫星姿态变化角度得到补偿角度，伺服控制器根据补偿角度控制稳像镜，保证参考光和成像光的稳定。
上述用于光学遥感卫星的稳像系统中，伺服控制器根据相机视轴变化量和预设卫星姿态应该变化角度得到补偿角度通过以下步骤得到：预设积分开始时刻t0，位置探测器测到参考光像点的位置为P0；在下一采样时刻t1，位置探测器测到参考光像点的位置为P1；则t1时刻相对于t0时刻，参考光的位置变化量为(P1-P0)，根据参考光的位置变化量得到相机视轴变化量Δθ＝arctan[(P1-P0)/f]；其中，f为相机焦距；t0时刻至t1时刻遥感卫星姿态应该变化角度为θ；补偿角度为Δθ+θ。
上述用于光学遥感卫星的稳像系统中，角锥棱镜都会使出射光偏转180°即与入射光平行。
上述用于光学遥感卫星的稳像系统中，角锥棱镜数量为不小于2个，多个角锥棱镜沿相机主镜的周向均匀分布。
上述用于光学遥感卫星的稳像系统中，成像探测器和位置探测器固定连接，位置探测器通过伺服控制器与稳像镜相连接。
上述用于光学遥感卫星的稳像系统中，成像探测器和位置探测器位于同一竖直线。
一种用于光学遥感卫星的稳像方法，所述方法包括如下步骤：从被拍摄目标发出的成像光经过相机主镜反射至相机次镜，再经相机次镜反射至稳像镜，再经稳像镜反射至成像探测器并成像；恒星发出的参考光通过角锥棱镜反射至相机主镜，再经相机主镜反射至相机次镜，再经相机次镜反射至稳像镜，再经稳像镜反射至位置探测器并成像；位置探测器通过测量恒星像点的位置变化间接得到相机视轴相对于惯性参考系的变化即相机视轴变化量，位置探测器将探测到的相机视轴变化量输入给伺服控制器，伺服控制器根据相机视轴变化量和预设遥感卫星姿态变化角度得到补偿角度，伺服控制器根据补偿角度控制稳像镜，保证参考光和成像光的稳定。
上述用于光学遥感卫星的稳像方法中，伺服控制器根据相机视轴变化量和预设卫星姿态应该变化角度得到补偿角度通过以下步骤得到：预设积分开始时刻t0，位置探测器测到参考光像点的位置为P0；在下一采样时刻t1，位置探测器测到参考光像点的位置为P1；则t1时刻相对于t0时刻，参考光的位置变化量为(P1-P0)，根据参考光的位置变化量得到相机视轴变化量Δθ＝arctan[(P1-P0)/f]；其中，f为相机焦距；t0时刻至t1时刻遥感卫星姿态应该变化角度为θ；补偿角度为Δθ+θ。
上述用于光学遥感卫星的稳像方法中，角锥棱镜都会使出射光偏转180°即与入射光平行。
上述用于光学遥感卫星的稳像方法中，角锥棱镜数量为不小于2个，多个角锥棱镜沿相机主镜的周向均匀分布。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明不需要后期处理，可实时反馈，主动稳像精度高；
(2)本发明不依赖地面光照条件和地面景物特点，恒星光保证了稳像系统可全天时、全天侯工作。
(3)本发明可实时精确测得相机光轴指向信息，提高卫星无地面控制点定位精度。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的光学遥感卫星的稳像系统的示意图；
图2是本发明实施例提供的位置探测器放大图；
图3是本发明实施例提供的遥感卫星在轨运行示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1是本发明实施例提供的光学遥感卫星的稳像系统的示意图。如图1所示，该光学遥感卫星的稳像系统包括：角锥棱镜3、相机主镜4、相机次镜5、稳像镜6、成像探测器7、位置探测器8和伺服控制器9；其中，
从被拍摄目标10发出的成像光11经过相机主镜4反射至相机次镜5，再经相机次镜5反射至稳像镜6，再经稳像镜6反射至成像探测器7并成像；
恒星1发出的参考光2通过角锥棱镜3反射至相机主镜4，再经相机主镜4反射至相机次镜5，再经相机次镜5反射至稳像镜6，再经稳像镜6反射至位置探测器8并成像；位置探测器8通过测量恒星像点的位置变化间接得到相机视轴相对于惯性参考系的变化即相机视轴变化量，位置探测器8将探测到的相机视轴变化量输入给伺服控制器9，伺服控制器9根据相机视轴变化量和预设遥感卫星姿态变化角度得到补偿角度，伺服控制器9根据补偿角度控制稳像镜6，保证参考光2和成像光11的稳定。
伺服控制器9根据相机视轴变化量和预设遥感卫星姿态变化角度得到补偿角度，通过以下步骤得到：
预设积分开始时刻t0，位置探测器8测到参考光2像点的位置为P0；在下一采样时刻t1，位置探测器8测到参考光2像点的位置为P1；则t1时刻相对于t0时刻，参考光的位置变化量为(P1-P0)，根据参考光的位置变化量得到相机视轴变化量Δθ＝arctan[(P1-P0)/f]；其中，f为相机焦距；t0时刻至t1时刻遥感卫星姿态应该变化角度为θ；补偿角度为Δθ+θ。需要理解的是，相机是安装在遥感卫星上。
规定相机积分初始时刻为t0，积分中某采样时刻为tk。相机视轴抖动是指tk时刻被拍摄目标19上一点在焦面的成像位置，相对于t0时刻被拍摄目标19上该点在焦面的成像位置变化。
以典型的面阵光学遥感相机系统为例，给出基于恒星光的稳像方法原理。结合图1，对本发明的技术方案说明如下。
从运动的因素来看，造成图像退化的原因有两种：被拍摄对象运动、相机视轴指向变化产生原因包括卫星姿态变化、星上运动部件导致的中、高频微振动等。为方便说明，首先考虑被拍摄对象相对于惯性坐标系静止的情况如被拍摄对象是一颗恒星。
光学遥感相机在轨工作时，在一次成像积分时间段内，从被拍摄目标10发出的成像光11分别经过相机主镜4、相机次镜5、稳像镜6等光学元件，到达成像探测器7进行成像。由于卫星姿态不稳定，以及微振动导致的相机内部抖动等因素，如果没有稳像伺服系统的补偿，将产生相机视轴抖动，得到模糊的遥感图像。
为了得到清晰的图像，本发明在相机中安装一套稳像系统，该系统硬件包括角锥棱镜3、稳像镜6、位置探测器8、伺服控制器9，并配置相应的软件系统。
来自遥远处的恒星1发出的参考光2通过角锥棱镜3引入相机，并沿着与成像光11相同的路径，分别经过相机主镜4、相机次镜5、稳像镜6反射后到达位置探测器8并成像，位置探测器8通过测量恒星像点的位置变化间接得到相机视轴相对于惯性参考系的变化。将位置探测器8探测到的视轴抖动信息作为输入，反馈给伺服控制器9，其控制稳像镜6做出相应的补偿动作，保证参考光2和成像光11的稳定，为优良的成像质量打下基础。
需要说明的是，恒星1发出的参考光2经过的光学元件比成像光11多了一个角锥棱镜3，但角锥棱镜3与平面反射镜不同，它有一种特殊的特性，那就是不论入射光从哪个角度入射，角锥棱镜3都会使出射光偏转180°(即与入射光平行)，也就是说，只要入射光方向不变，角锥棱镜3即使抖动也不会改变出射光的行进方向，所以认为参考光2与成像光11经过了相同的光学系统。
以单方向视轴变化为例，对上述工作原理作进一步说明。
设在积分开始时刻t0，位置探测器8测到参考光2像点的位置为P0；在下一采样时刻t1，位置探测器8测到参考光2像点的位置为P1。则t1时刻相对于t0时刻，参考光的位置变化量为(P1-P0)，即相机视轴变化转化为位置变化量为(P1-P0)，该变化根据相机焦距参数转化为角度量(θ1-θ0)，即可得到相机视轴变化量Δθ＝arctan[(P1-P0)/f]。f为相机焦距。
相机成像过程中希望Δθ＝0，即参考光2像点的位置一直处于P0位置，才能得到稳定的成像。因此，将Δθ反馈到伺服控制器9，伺服控制器9驱动稳像镜6动作，使参考光2像点的位置发生-Δθ的变化量，继续保持位于P0点。即在相机积分时间内，每一个控制周期均完成一次控制闭环，确保参考光2像点的位置变化量为零，即可保证相机视轴保持稳定，从而获得优良的成像。
再考虑被拍摄目标运动的情况。由于地球自转、卫星过境运动等因素，地面被拍摄目标10不像恒星那样相对于惯性空间是静止的，与上述稳像原理有所差别。以图3中的典型例子说明如下，在一次积分时间段内，由于卫星的过境速率和地球自转等因素，卫星需要实时调整姿态，或者通过内部光学元件偏置动作，使相机视轴持续跟踪被拍摄目标10。在积分过程中，当被拍摄目标10从积分t0时刻位置14运动至t1时刻位置15，卫星从t0时刻姿态16变为t1时刻姿态17，卫星姿态变化角度18为θ。根据卫星轨道19高度、相机参数、地球表面20自转速度等系统参数，可计算出t0时刻至t1时刻卫星姿态应该变化的角度θ，θ一起反馈给伺服控制器9，即稳像镜6进行补偿的量为Δθ+θ。
本实施例所述的稳像方法还有一种扩展应用，那就是提升遥感卫星的无地面控制点定位精度。对于光学遥感卫星来说，相机光轴指向测量误差是影响无地面控制点定位精度的重要因素，而本实施例在相机上的应用，有望改变难以精确获得相机视轴指向的问题，即相机视轴指向直接与恒星光建立映射关系，直接建立相机视轴指向与惯性空间之间的关系，从而精确测得相机视轴指向信息，并得到遥感图像与实际地理位置之间精确的对应关系，极大地提高卫星的无地面控制点定位精度。
角锥棱镜3安装在参考光2的光路上，用于将参考光2引入相机光学系统。角锥棱镜3本身的振动不会给参考激光束2的传播引入新的视轴抖动。为了提高衍射极限，可沿相机主镜4周向布置多个角锥棱镜3，相当于通过分布式孔径的方案实现与相机主镜4相当的衍射极限，以提高对恒星1的成像分辨率，最终达到提高稳像精度的目的。
稳像镜6接收来自伺服控制器9的驱动信号，驱动稳像镜6进行两自由度的摆动，使恒星像点打到位置探测器8上要求的位置，以消除成像光11在成像探测器7上的移动。
位置探测器8集成在相机系统中，用于记录参考光2光斑即恒星像点在位置探测器8上的运动轨迹信息，应具有较高的位置测量精度、较快的响应速度、较低的测量噪声和较高的线性度，可以采用高灵敏度PSDPosition Sensing Detectors、高速CCD等实现。
伺服控制器9以位置探测器8的测量信息作为输入量，进行解算后驱动稳像镜6工作，补偿相机的视轴抖动，使成像光11视轴与成像探测器7保持相对静止。
由于位置探测器8测得的物理量为线位移，伺服控制器9需要将线位移转换为角位移，才能驱动稳像镜6工作。不同的相机系统，具有不同的位置-角度转换关系，以某相机为例，CCD单个像元尺寸为9μm，焦距f＝20m，单像元对应的视场角θ＝arctan(9×10-6/20)＝0.45μrad。如果位置探测器也安装于焦面位置上，则线位移与角位移之间的关系也遵循以上位移-角度关系。
成像探测器7与位置探测器8需刚性连接，才能确保位置探测器8的测量结果能代表成像探测器7的测量结果。
本实施例还提供了一种用于光学遥感卫星的稳像方法，该方法包括如下步骤：
从被拍摄目标10发出的成像光经过相机主镜4反射至相机次镜5，再经相机次镜5反射至稳像镜6，再经稳像镜6反射至成像探测器7并成像；
恒星1发出的参考光通过角锥棱镜3反射至相机主镜4，再经相机主镜4反射至相机次镜5，再经相机次镜5反射至稳像镜6，再经稳像镜6反射至位置探测器8并成像；位置探测器8通过测量恒星像点的位置变化间接得到相机视轴相对于惯性参考系的变化即相机视轴变化量，位置探测器8将探测到的相机视轴变化量输入给伺服控制器9，伺服控制器9根据相机视轴变化量和预设遥感卫星姿态变化角度得到补偿角度，伺服控制器9根据补偿角度控制稳像镜6，保证参考光和成像光的稳定。
本实施例提出稳像方法可将恒星光引入对地光学遥感相机的视场，并实现对其高速成像，从而获取积分时间内相机的视轴变化信息，反馈给稳像镜对视轴进行补偿。另外，该方法还可同时获取目标的高精度定位信息，替代星敏感器，并将星敏感器的测量精度和测量频率提高若干数量级。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于光学遥感卫星的稳像系统，其特征在于包括：角锥棱镜(3)、相机主镜(4)、相机次镜(5)、稳像镜(6)、成像探测器(7)、位置探测器(8)和伺服控制器(9)；其中，
从被拍摄目标(10)发出的成像光经过相机主镜(4)反射至相机次镜(5)，再经相机次镜(5)反射至稳像镜(6)，再经稳像镜(6)反射至成像探测器(7)并成像；
恒星(1)发出的参考光通过角锥棱镜(3)反射至相机主镜(4)，再经相机主镜(4)反射至相机次镜(5)，再经相机次镜(5)反射至稳像镜(6)，再经稳像镜(6)反射至位置探测器(8)并成像；位置探测器(8)通过测量恒星像点的位置变化间接得到相机视轴相对于惯性参考系的变化即相机视轴变化量，位置探测器(8)将探测到的相机视轴变化量输入给伺服控制器(9)，伺服控制器(9)根据相机视轴变化量和预设遥感卫星姿态变化角度得到补偿角度，伺服控制器(9)根据补偿角度控制稳像镜(6)，保证参考光和成像光的稳定；
角锥棱镜(3)都会使出射光偏转180°即与入射光平行；
成像探测器(7)和位置探测器(8)固定连接，位置探测器(8)通过伺服控制器(9)与稳像镜(6)相连接。
2.根据权利要求1所述的用于光学遥感卫星的稳像系统，其特征在于：伺服控制器(9)根据相机视轴变化量和预设遥感卫星姿态变化角度得到补偿角度通过以下步骤得到：
预设积分开始时刻t0，位置探测器(8)测到参考光像点的位置为P0；在下一采样时刻t1，位置探测器(8)测到参考光像点的位置为P1；则t1时刻相对于t0时刻，参考光的位置变化量为(P1-P0)，根据参考光的位置变化量得到相机视轴变化量Δθ＝arctan[(P1-P0)/f]；其中，f为相机焦距；
t0时刻至t1时刻遥感卫星姿态应该变化角度为θ；
补偿角度为Δθ+θ。
3.根据权利要求1所述的用于光学遥感卫星的稳像系统，其特征在于：角锥棱镜(3)数量为不小于2个，多个角锥棱镜(3)沿相机主镜(4)的周向均匀分布。
4.根据权利要求1所述的用于光学遥感卫星的稳像系统，其特征在于：成像探测器(7)和位置探测器(8)位于同一竖直线。
5.一种用于光学遥感卫星的稳像方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
从被拍摄目标(10)发出的成像光经过相机主镜(4)反射至相机次镜(5)，再经相机次镜(5)反射至稳像镜(6)，再经稳像镜(6)反射至成像探测器(7)并成像；
恒星(1)发出的参考光通过角锥棱镜(3)反射至相机主镜(4)，再经相机主镜(4)反射至相机次镜(5)，再经相机次镜(5)反射至稳像镜(6)，再经稳像镜(6)反射至位置探测器(8)并成像；位置探测器(8)通过测量恒星像点的位置变化间接得到相机视轴相对于惯性参考系的变化即相机视轴变化量，位置探测器(8)将探测到的相机视轴变化量输入给伺服控制器(9)，伺服控制器(9)根据相机视轴变化量和预设遥感卫星姿态变化角度得到补偿角度，伺服控制器(9)根据补偿角度控制稳像镜(6)，保证参考光和成像光的稳定；
角锥棱镜(3)都会使出射光偏转180°即与入射光平行；
成像探测器(7)和位置探测器(8)固定连接，位置探测器(8)通过伺服控制器(9)与稳像镜(6)相连接。
6.根据权利要求5所述的用于光学遥感卫星的稳像方法，其特征在于：伺服控制器(9)根据相机视轴变化量和预设遥感卫星姿态变化角度得到补偿角度通过以下步骤得到：
预设积分开始时刻t0，位置探测器(8)测到参考光像点的位置为P0；在下一采样时刻t1，位置探测器(8)测到参考光像点的位置为P1；则t1时刻相对于t0时刻，参考光的位置变化量为(P1-P0)，根据参考光的位置变化量得到相机视轴变化量Δθ＝arctan[(P1-P0)/f]；其中，f为相机焦距；
t0时刻至t1时刻遥感卫星姿态应该变化角度为θ；
补偿角度为Δθ+θ。
7.根据权利要求5所述的用于光学遥感卫星的稳像方法，其特征在于：角锥棱镜(3)数量为不小于2个，多个角锥棱镜(3)沿相机主镜(4)的周向均匀分布。
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