CN108151711B - 一种光学卫星环扫超宽幅成像方法 - Google Patents

Abstract

一种光学卫星环扫超宽幅成像方法，属于卫星成像技术领域。解决了低轨小卫星米级分辨率，无法满足千公里级成像覆盖宽度的问题。本发明根据在垂直卫星飞行方向上的地面成像覆盖所需要的宽度W和卫星轨道的高度h，计算面阵相机最外侧视场与卫星对地指向轴之间角度θ₁；根据面阵相机最外侧视场与卫星对地指向轴之间角度θ₁将面阵相机安装在卫星的侧面；根据卫星的探测器的最小曝光时间T和所述卫星的最差地面像元分辨率r，计算卫星允许的最大旋转角度ω_max；择卫星旋转速度ω<ω_max，卫星旋转速度ω设置为卫星对地的自转速度，令面阵相机相邻两次环扫成像的区域之间无缝隙，实现光学卫星环扫超宽幅成像。本发明适用于光学卫星环扫超宽幅成像。

Description

一种光学卫星环扫超宽幅成像方法

技术领域

本发明属于卫星成像技术领域。

背景技术

卫星成像主要包括：面阵成像、推扫成像。面阵成像采用面阵的电荷耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)，一次收集一幅图像。推扫成像采用线阵CCD，一般是通过将用于成像的探测器安置在垂直于卫星的飞行方向上，卫星向前飞行的时候，一次收集一行图像。图像的范围大小依据探测器中CCD的视场范围而定，在光学像机的视场范围一定的情况下，光学成像卫星的成像分辨率与幅宽相互制约。通常面阵相机受视场角限制，成像幅宽较窄。目前通用的光学遥感卫星成像方法，采用多个CCD拼接、多台面阵相机组合或者同时增大面阵相机侧摆能力增大成像范围。其中面阵相机侧摆只能增加可以成像的区域，不能增加图像覆盖范围。多个CCD拼接、多台面阵相机组合等方法一定程度上能够增大图像覆盖范围，但是这些方法都大大增加卫星的体积、重量和功耗等，同时也受到其他限制，不能任意拼接。上述技术方案都针对卫星静态成像，无法满足低轨小卫星平台、米级分辨率、千公里级覆盖宽度的成像要求。

发明内容

本发明是为了解决低轨小卫星米级分辨率，无法满足千公里级成像覆盖宽度的问题，提出了一种光学卫星环扫超宽幅成像方法。

本发明所述一种光学卫星环扫超宽幅成像方法，该方法基于探测器、处理器和存储器实现；探测器：用于成像，采用面阵相机实现，处理器；用于成像处理，并将处理后的信号发送至存储器进行存储，存储器，用于存储处理器发送的处理后的图像；

光学卫星环扫超宽幅成像方法的具体步骤为：

步骤一、根据在垂直卫星飞行方向上的地面成像覆盖所需要的宽度W和卫星轨道的高度h，计算探测器最外侧视场与卫星对地指向轴之间角度θ₁；根据面阵相机最外侧视场与卫星对地指向轴之间角度θ₁将探测器安装在卫星的侧面；

步骤二、根据卫星上探测器的最小曝光时间T和所述卫星上探测器的最差地面像元分辨率r，计算卫星允许的最大旋转角度ω_max；

步骤三、选择卫星旋转速度ω<ω_max，计算探测器在卫星飞行方向的地面成像幅宽L₁；

步骤四、根据探测器拍照频率f和步骤三所述的探测器在卫星飞行方向的地面成像覆盖宽度L₁，计算探测器在垂直卫星飞行方向的地面成像幅宽L₂；

步骤五、利用步骤三所选择卫星旋转速度ω设置为卫星对地的自转速度，令探测器相邻两次环扫成像的区域之间无缝隙，实现光学卫星环扫超宽幅成像。

本发明在常规卫星面阵成像的基础上，探测器光轴与卫星对地指向轴之间设置一定角度，照相时整星绕对地指向轴按固定角速度旋转，探测器按照特定的拍照频率成像。由于卫星飞行和自旋，面阵相机在地面成像为带有一定宽度的螺旋条带。卫星旋转一周时间内在飞行方向上走过的距离小于螺旋带宽度，就可以保证无缝拼接，那么探测器在地面扫过一个比较宽的条带，从而实现超宽覆盖成像。

附图说明

图1为本发明所述光学卫星与面阵相机的安装结构示意图；

图中，标号a为卫星自转方向、1为卫星、2为面阵相机、p是面阵相机光轴、q为卫星对地指向轴；

图2为光学卫星环扫过程示意图；图中，标号b为卫星飞行方向、c为底面成像移动方向；

图3为光学相机环扫成像示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

具体实施方式一、结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述的一种光学卫星环扫超宽幅成像方法，该方法基于探测器、处理器和存储器实现；探测器：用于成像，采用面阵相机实现，处理器；用于成像处理，并将处理后的信号发送至存储器进行存储，存储器，用于存储处理器发送的处理后的图像；

光学卫星环扫超宽幅成像方法的具体步骤为：

步骤一、根据在垂直卫星飞行方向上的地面成像覆盖所需要的宽度W和卫星轨道的高度h，计算探测器最外侧视场与卫星对地指向轴之间角度θ₁；根据探测器最外侧视场与卫星对地指向轴之间角度θ₁将探测器安装在卫星的侧面；

步骤二、根据卫星上探测器的最小曝光时间T和所述卫星上探测器的最差地面像元分辨率r，计算卫星允许的最大旋转角度ω_max；

步骤三、选择卫星旋转速度ω<ω_max，计算探测器在卫星飞行方向的地面成像幅宽L₁；

步骤四、根据探测器拍照频率f和步骤三所述的探测器在卫星飞行方向的地面成像覆盖宽度L₁，计算探测器在垂直卫星飞行方向的地面成像幅宽L₂；

步骤五、利用步骤三所选择卫星旋转速度ω设置为卫星对地的自转速度，令探测器相邻两次环扫成像的区域之间无缝隙，实现光学卫星环扫超宽幅成像。

具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一或二所述的一种光学卫星环扫超宽幅成像方法的进一步说明，步骤一所述根据在垂直卫星飞行方向上的地面成像覆盖所需要的宽度W和卫星轨道的高度h，计算探测器最外侧视场与卫星对地指向轴之间角度θ₁的具体方法为：通过公式：

W＝2h tanθ₁ (1)

计算实现。

具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式一或二所述的一种光学卫星环扫超宽幅成像方法的进一步说明，步骤二所述根据卫星上探测器的最小曝光时间T和所述卫星上探测器的的最差地面像元分辨率r，计算卫星允许的最大旋转角度ω_max通过公式：

计算实现；其中，V_s＝7.06km/s为卫星下点在地面移动速度，V_o＝0.4636km/s为地球自转引起的卫星下点处的线速度。

具体实施方式四、本实施方式是对具体实施方式一或二所述的一种光学卫星环扫超宽幅成像方法的进一步说明，步骤三所述选择卫星旋转速度ω<ω_max，计算探测器在卫星飞行方向的地面成像幅宽L₁通过公式：

计算实现。

具体实施方式五、本实施方式是对具体实施方式一或二所述的一种光学卫星环扫超宽幅成像方法的进一步说明，步骤四所述根据探测器拍照频率f和步骤三所述的探测器在卫星飞行方向的地面成像覆盖宽度L₁，计算探测器在垂直卫星飞行方向的地面成像幅宽L₂通过公式：

计算实现。

本发明在常规卫星面阵成像的基础上，提出一种利用卫星整星绕对地指向轴旋转，相机环扫成像实现超大幅宽的成像方法。实现卫星对地成像覆盖范围的最大化从而实现低轨道卫星千公里级的超大幅宽环扫成像。

传统的面阵、推扫卫星成像，如果要对某一区域完全覆盖，需要多次对该区域重访，即多轨数据拼接；虽然加上侧摆能力可以加大对区域的覆盖能力，但是一次性采集地面数据的时间分辨率和覆盖能力都不能满足当前卫星快速响应的任务需求。

本发明综合考虑了卫星的体积重量功耗限制和成像能力，设计了一种在卫星飞行过程中，探测器光轴绕着卫星对地指向轴锥形旋转，相机以特定的频率拍照，从而实现大范围覆盖成像的方法。本发明公开了一种光学卫星超宽幅环扫成像的方法和装置，该方法针对传统遥感卫星上采用的面阵成像方法中幅宽有限的问题。本发明方法简单可靠、易行，扩大了成像范围，扩展了光学小卫星的应用领域。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种光学卫星环扫超宽幅成像方法，其特征在于，该方法基于探测器、处理器和存储器实现；探测器：用于成像，采用面阵相机实现，处理器；用于成像处理，并将处理后的信号发送至存储器进行存储，存储器，用于存储处理器发送的处理后的图像；

光学卫星环扫超宽幅成像方法的具体步骤为：

步骤一、根据在垂直卫星飞行方向上的地面成像覆盖所需要的宽度W和卫星轨道的高度h，计算探测器最外侧视场与卫星对地指向轴之间角度θ₁；根据面阵相机最外侧视场与卫星对地指向轴之间角度θ₁将探测器安装在卫星的侧面；

步骤二、根据卫星上探测器的最小曝光时间T和所述卫星上探测器的最差地面像元分辨率r，计算卫星允许的最大旋转角度ω_max；其中，

计算实现；其中，V_s＝7.06km/s为卫星下点在地面移动速度，V_o＝0.4636km/s为地球自转引起的卫星下点处的线速度；

步骤三、选择卫星旋转速度ω<ω_max，计算探测器在卫星飞行方向的地面成像幅宽L₁；其中，

步骤四、根据探测器拍照频率f和步骤三所述的探测器在卫星飞行方向的地面成像覆盖宽度L₁，计算探测器在垂直卫星飞行方向的地面成像幅宽L₂；其中，

步骤五、利用步骤三所选择卫星旋转速度ω设置为卫星对地的自转速度，令探测器相邻两次环扫成像的区域之间无缝隙，实现光学卫星环扫超宽幅成像。

2.根据权利要求1所述的一种光学卫星环扫超宽幅成像方法，其特征在于，步骤一所述根据在垂直卫星飞行方向上的地面成像覆盖所需要的宽度W和卫星轨道的高度h，计算探测器最外侧视场与卫星对地指向轴之间角度θ₁的具体方法为：通过公式：

W＝2h tanθ₁

计算实现。