CN110514286B - 一种遥感卫星相机光轴微振动测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种遥感卫星相机光轴微振动测量方法：(1)、获取遥感卫星相机所拍摄到的包含同一场景的前后连续两帧图像；(2)、识别前后连续两帧图像中同一场景中的N个同名点，并获取每个同名点在图像坐标系下的坐标,N≥3；(3)、基于连续两帧图像成像过程中，光轴绕相机坐标系三轴旋转角度和前后连续两帧图像每个同名点在图像坐标系下的坐标，构建光轴扰动方程组；(4)、解算光轴扰动方程组，得到光轴绕相机坐标系三轴旋转角度，并对光轴绕相机坐标系三轴旋转角度进行补偿。本发明实现了对光轴位置变化信息的直接获取，提高了测量精度。

Description

一种遥感卫星相机光轴微振动测量方法

技术领域

本发明公开了一种遥感卫星相机的光轴微振动测量方法，属于航天器测控领域。

背景技术

遥感卫星相机为达到最佳成像效果，需确保入轨后相机的光轴与地面设计一致，对此需通过大量的实验验证和飞行状态模拟来实现。但是，入轨工作期间因卫星平台振动干扰造成的光轴扰动，却难以进行测量和补偿。因此，在轨实时对遥感卫星相机的光轴微振动进行测量，对遥感相机的图像质量恢复就显得尤为重要。

国内目前已有的遥感卫星相机微振动在轨测量方法，一部分是针对发射主动段的振动监测，持续时间比较短，不能满足遥感卫星相机在轨寿命过程中的高精度测量需求；另一部分，如专利CN201210285482.0提出的卫星在轨微振动测量方法，虽可满足长时间测量需求，但其原理均为通过惯性传感器对卫星平台的振动情况进行监测来实现对遥感相机的振动情况的间接推断。以上这些方法，都不能对影响遥感相机成像质量的关键因素：相机光轴信息进行直接的准确测量。此外，测量系统所需的机械敏感元件在轨长时间运行的可靠性，以及随即带来的系统复杂度也降低了遥感卫星相机系统的可靠性和易用性。

随着高分辨率遥感的任务需求及目标精度要求的提高，遥感卫星相机在任务过程中对其光轴位置的监测能力与成像质量的关系越发紧密，已经直接影响到遥感卫星系统的设计水平。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种遥感卫星相机光轴微振动测量方法解决了现有遥感卫星系统的微振动测量持续时间短、可靠性受限以及无法对遥感卫星相机光轴微振动进行直接监测的问题。

本发明的技术解决方案是：一种遥感卫星相机光轴微振动测量方法，该方法包括下列步骤：

(1)、获取遥感卫星相机所拍摄到的包含同一场景的前后连续两帧图像；

(2)、识别前后连续两帧图像中同一场景中的N个同名点，并获取每个同名点在图像坐标系下的坐标，N≥3；

(3)、基于连续两帧图像成像过程中，光轴绕相机坐标系三轴旋转角度和前后连续两帧图像每个同名点在图像坐标系下的坐标，构建光轴扰动方程组；

(4)、解算光轴扰动方程组，得到光轴绕相机坐标系三轴旋转角度，并对光轴绕相机坐标系三轴旋转角度进行补偿。

上述遥感卫星相机光轴微振动测量方法还包括如下步骤：

(5)、重复上述步骤(1)～步骤(4)，得到光轴绕相机坐标系三轴旋转的角度的时间序列；

(6)、根据遥感卫星相机获取图像的频帧，将光轴绕相机坐标系三轴旋转角度的时间序列，进行傅里叶变换，得到光轴绕相机坐标系三轴旋转角度的频谱。

所述光轴扰动方程组为：

其中，所述(x_i-1，j，y_i-1，j)为前一帧图像，第j个同名点在图像坐标系下的坐标；(x_i，j，y_i，j)为后一帧图像，第j个同名点在图像坐标系下的坐标，j＝1～N，M_x为相机坐标系X轴转换矩阵，M_y为相机坐标系Y轴转换矩阵，M_z为相机坐标系Z轴转换矩阵。

所述相机坐标系X轴转换矩阵M_x为：

其中，f为相机焦距，α为光轴绕相机坐标系X轴旋转角度。

所述相机坐标系Y轴转换矩阵M_y为：

其中，f为相机焦距，β为光轴绕相机坐标系Y轴旋转角度。

所述相机坐标系Z轴转换矩阵M_z为：

其中，f为相机焦距，γ为光轴绕相机坐标系Z轴旋转角度。

当两幅图像为推扫成像模式图像时，对光轴绕相机坐标系Y轴旋转的角度进行补偿的公式表示：

其中，v为在轨卫星飞行速度，T为帧频周期，H为轨道高度，R为地球半径，β_after为补偿后的光轴绕相机坐标系Y轴旋转的角度；β_before为补偿前的光轴绕相机坐标系Y轴旋转的角度。

当两幅图像为凝视成像模式图像时，对光轴绕相机坐标系Y轴旋转的角度进行补偿的公式表示：

其中，v为在轨卫星飞行速度，T为帧频周期，H为轨道高度，β_after为补偿后的光轴绕相机坐标系Y轴旋转的角度；β_before为补偿前的光轴绕相机坐标系Y轴旋转的角度。

当两幅图像为推扫成像模式图像时，对具有偏流角校正功能的成像过程，对光轴绕相机坐标系Z轴旋转的角度进行偏流角校正，公式表示为：

γ_after＝γ_before-θ

其中，θ为当前偏流角校正角速度，γ_after为补偿后的光轴绕相机坐标系Z轴旋转的角度；γ_before为补偿前的光轴绕相机坐标系Z轴旋转的角度。

所述遥感卫星相机的帧频不能低于需测量的最大光轴敏感振动频率的5倍。

所述图像信噪比至少大于20dB。

所述图像对比度不低于5。

采用最小二乘拟解算光轴扰动方程组。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明提供的一种遥感卫星相机的光轴微振动测量方法，相比现有空间遥感相机光轴微振动测量方法，从设计理念上，实现了对光轴位置变化信息的直接获取，使后期进行图像直接修正成为可能，从系统角度提升了高分辨率成像系统的设计精度，对提升空间遥感相机的系统性能具有积极效果。

(2)、本发明采用面阵相机进行成像，利用面阵高频成像模式，实现对微振动信息的获取，该方法利用卫星主载荷直接进行微振动监测，不单独引入部组件，简化了系统设计，提高了系统可靠性。

(3)、本发明帧频不能低于需测量的的最大光轴敏感振动频率的5倍，实现了对频率信息的可靠获取。

(4)、本发明对相机坐标系相对于惯性坐标系的旋转进行了补偿，分别对推扫、凝视模式下卫星的飞行状态设计了不同的补偿模式，有效的提升了测量精度。

附图说明

图1为本发明实施例光轴微振动测量过程示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，一种遥感卫星相机光轴微振动测量方法，涉及一种遥感卫星相机的光轴信息敏感方法，解决因卫星平台干扰、安装误差、环境条件等因素为遥感卫星相机引入的光轴偏移量的测量问题，以及随之带来的像质衰减的问题。该方法包括下列步骤：

(1)、获取遥感卫星相机所拍摄到的包含同一场景的前后连续两帧图像；

所述遥感卫星相机为面阵相机。面阵相机开机，可以进行面阵高频成像模式选择，设置对应的探测器成像帧频。还可以进行高频成像模式选择，根据卫星当前运行轨道和姿态状态，选择凝视成像模式或推扫成像模式。

可根据系统的数据传输能力，选择面阵探测器中的全画幅数据或窗口数据进行传输记录。

(2)、识别前后连续两帧图像中同一场景中的N个同名点，并获取每个同名点在图像坐标系下的坐标，至少包含同一场景三个以上的同名点，即N≥3；

识别两幅图像中同一场景中的同名点的方法为：

(2.1)、分别对两幅图像用高斯差分尺度(Different of Gussian，DOG)算子近似高斯拉普拉斯函数，进行边缘提取，构造金字塔形多分辨率尺度空间；

(2.2)、特征点粗定位

将两幅图像中边缘的每个采样点与其在金字塔形多分辨率尺度空间中的所有相邻点比较，得到两幅图像中的粗定位特征点在金字塔形多分辨率尺度空间的位置，即：和它同尺度的8个相邻点以及上下相邻尺度对应的9×2个点共26个点比较，寻找尺度空间和图像空间上的极值点作为图像粗定位特征点。

(2.3)特征点精定位

为了得到精准且稳健的特征点，同时将定位精度提升到亚像素级，须对粗定位特征点邻域空间进行二元二次拟合，利用离散空间点插值得到连续空间极值点信息，同时去除由于DOG算子的边缘响应而产生的边缘点，得到图像精定位特征点在金字塔形多分辨率尺度空间的位置；

(2.4)图像精定位特征点的主方向确定

计算图像精定位特征点的图像梯度，并用直方图统计邻域内像素的梯度和方向，梯度直方图将0°～360°的方向范围均分为36柱。直方图的峰值方向作为图像精定位特征点的主方向；

(2.5)特征点描述及同名点确定

根据每一精定位特征点在金字塔形多分辨率尺度空间的位置和主方向，采用一个具有独特性的特征向量(描述子)表征两幅图像中所有的精定位特征点，将描述子在欧式空间最接近的一对点视为同名点。描述子可以使用在图像精定位特征点邻域空间内4×4的窗口中计算的8个方向的梯度信息，共4×4×8＝128维向量表征。

上述识别同名点的方法，采用高斯差分尺度算子近似高斯拉普拉斯函数，进行边缘提取，并通过特征点粗定位、特征点精定位、图像精定位特征点的主方向确定等步骤实现同名点确定，实现了同名点的可靠获取，并且精度高，对图像分辨率不敏感，但是上述方法要求图像信噪比不能太低，作为优选方案，图像信噪比最好是大于20dB。另外，场景丰富，不能太平滑，图像中明暗区域灰度反差即对比度最好不低于5。

(3)、基于连续两帧图像成像过程中光轴绕相机坐标系X轴旋转的角度、光轴绕相机坐标系Y轴旋转的角度、光轴绕相机坐标系Z轴旋转的角度，分别构建相机坐标系X轴转换矩阵M_x、相机坐标系Y轴转换矩阵M_y和相机坐标系Z轴转换矩阵M_z；

所述相机坐标系X轴转换矩阵M_x为：

其中，f为相机焦距，α为光轴绕相机坐标系X轴旋转的角度。

所述相机坐标系Y轴转换矩阵M_y为：

其中，β为光轴绕相机坐标系Y轴旋转的角度。

所述相机坐标系Z轴转换矩阵M_y为：

其中，γ为光轴绕相机坐标系Z轴旋转的角度。

(4)、根据前后连续两帧图像每个同名点在图像坐标系下的坐标，构建光轴扰动方程组：

其中，所述(x_i-1，j，y_i-1，j)为前一帧图像，第j个同名点在图像坐标系下的坐标；(x_i，j，y_i，j)为后一帧图像，第j个同名点在图像坐标系下的坐标，j＝1～N；

(5)、解算光轴扰动方程组，得到光轴绕相机坐标系X轴旋转的角度、光轴绕相机坐标系Y轴旋转的角度、光轴绕相机坐标系Z轴旋转的角度，并对光轴绕相机坐标系Y轴旋转的角度进行补偿，，更新光轴绕相机坐标系Y轴旋转的角度，消除相机坐标系相对于惯性坐标系的旋转对测量结果的影响，有效提升测量精度。

当同名点数大于3时，可以采用最小二乘拟解算光轴扰动方程组。

当两幅图像为推扫成像模式图像时，对光轴绕相机坐标系Y轴旋转的角度进行补偿的公式表示：

其中，v为在轨卫星飞行速度，T为帧频周期，H为轨道高度，尺为地球半径，β_after为补偿后的光轴绕相机坐标系Y轴旋转的角度；β_before为补偿前的光轴绕相机坐标系Y轴旋转的角度。

当两幅图像为凝视成像模式图像时，对光轴绕相机坐标系Y轴旋转的角度进行补偿的公式表示：

其中，v为在轨卫星飞行速度，T为帧频周期，H为轨道高度，β_after为补偿后的光轴绕相机坐标系Y轴旋转的角度；β_before为补偿前的光轴绕相机坐标系Y轴旋转的角度。

当两幅图像为推扫成像模式图像时，对具有偏流角校正功能的成像过程，对光轴绕相机坐标系Z轴旋转的角度进行偏流角校正，公式表示为：

γ_after＝γ_before-θ

其中，θ为当前偏流角校正角速度，γ_after为补偿后的光轴绕相机坐标系Z轴旋转的角度；γ_before为补偿前的光轴绕相机坐标系Z轴旋转的角度。

(6)、重复上述步骤(1)～步骤(5)，得到光轴绕相机坐标系X轴旋转的角度、光轴绕相机坐标系Y轴旋转的角度、光轴绕相机坐标系Z轴旋转的角度的时间序列；

(7)、根据遥感卫星相机获取图像的频帧，将光轴绕相机坐标系X轴旋转的角度、光轴绕相机坐标系Y轴旋转的角度、光轴绕相机坐标系Z轴旋转的角度γ的时间序列，进行傅里叶变换，得到光轴绕相机坐标系X轴旋转的角度、光轴绕相机坐标系Y轴旋转的角度、光轴绕相机坐标系Z轴旋转的角度的频谱。

遥感卫星相机的帧频越大，傅里叶变换的分辨率越高。所述探测器成像帧频设置，以面阵成像探测器的设计能力为上限，根据所需敏感的卫星振动频率范围来设定。为了保证光轴敏感振动频率的测量精度，最好选取所述遥感卫星相机的帧频不能低于需测量的最大光轴敏感振动频率的5倍。

本说明书中未进行详细描述部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (9)

1.一种遥感卫星相机光轴微振动测量方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)、获取遥感卫星相机所拍摄到的包含同一场景的前后连续两帧图像；所述遥感卫星相机的帧频不能低于需测量的最大光轴敏感振动频率的5倍；

(2)、识别前后连续两帧图像中同一场景中的N个同名点，并获取每个同名点在图像坐标系下的坐标，N≥3；

(3)、基于连续两帧图像成像过程中，光轴绕相机坐标系三轴旋转角度和前后连续两帧图像每个同名点在图像坐标系下的坐标，构建光轴扰动方程组；

所述光轴扰动方程组为：

其中，所述(x_i-1，j，y_i-1，j)为前一帧图像，第j个同名点在图像坐标系下的坐标；(x_i，j，y_i，j)为后一帧图像，第j个同名点在图像坐标系下的坐标，j＝1～N，M_x为相机坐标系X轴转换矩阵，M_y为相机坐标系Y轴转换矩阵，M_z为相机坐标系Z轴转换矩阵；

(4)、解算光轴扰动方程组，得到光轴绕相机坐标系三轴旋转角度，并对光轴绕相机坐标系三轴旋转角度进行补偿；

当两幅图像为推扫成像模式图像时，对光轴绕相机坐标系Y轴旋转的角度进行补偿的公式表示：

其中，v为在轨卫星飞行速度，T为帧频周期，H为轨道高度，R为地球半径，β_after为补偿后的光轴绕相机坐标系Y轴旋转的角度；β_before为补偿前的光轴绕相机坐标系Y轴旋转的角度；

(5)、重复上述步骤(1)～步骤(4)，得到光轴绕相机坐标系三轴旋转的角度的时间序列；

(6)、根据遥感卫星相机获取图像的频帧，将光轴绕相机坐标系三轴旋转角度的时间序列，进行傅里叶变换，得到光轴绕相机坐标系三轴旋转角度的频谱。

2.根据权利要求1所述的一种遥感卫星相机光轴微振动测量方法，其特征在于所述相机坐标系X轴转换矩阵M_x为：

其中，f为相机焦距，α为光轴绕相机坐标系X轴旋转角度。

3.根据权利要求1所述的一种遥感卫星相机光轴微振动测量方法，其特征在于所述相机坐标系Y轴转换矩阵M_y为：

其中，f为相机焦距，β为光轴绕相机坐标系Y轴旋转角度。

4.根据权利要求1所述的一种遥感卫星相机光轴微振动测量方法，其特征在于所述相机坐标系Z轴转换矩阵M_z为：

其中，f为相机焦距，γ为光轴绕相机坐标系Z轴旋转角度。

5.根据权利要求1所述的一种遥感卫星相机光轴微振动测量方法，其特征在于当两幅图像为凝视成像模式图像时，对光轴绕相机坐标系Y轴旋转的角度进行补偿的公式表示：

其中，v为在轨卫星飞行速度，T为帧频周期，H为轨道高度，β_after为补偿后的光轴绕相机坐标系Y轴旋转的角度；β_before为补偿前的光轴绕相机坐标系Y轴旋转的角度。

6.根据权利要求1所述的一种遥感卫星相机光轴微振动测量方法，其特征在于当两幅图像为推扫成像模式图像时，对具有偏流角校正功能的成像过程，对光轴绕相机坐标系Z轴旋转的角度进行偏流角校正，公式表示为：

γ_after＝γ_before-θ

其中，θ为当前偏流角校正角速度，γ_after为补偿后的光轴绕相机坐标系Z轴旋转的角度；γ_before为补偿前的光轴绕相机坐标系Z轴旋转的角度。

7.根据权利要求1所述的一种遥感卫星相机光轴微振动测量方法，其特征在于所述图像信噪比至少大于20dB。

8.根据权利要求1所述的一种遥感卫星相机光轴微振动测量方法，其特征在于所述图像对比度不低于5。

9.根据权利要求1所述的一种遥感卫星相机光轴微振动测量方法，其特征在于采用最小二乘拟解算光轴扰动方程组。

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