基于等效焦平面的推扫式离轴遥感相机积分时间计算方法

摘要

本发明提出一种基于等效焦平面的推扫式离轴遥感相机高精度积分时间计算方法，所述推扫式离轴遥感相机的焦平面与星下点水平面存在一定夹角，该方法针对目前推扫式离轴遥感相机，光轴与视轴存在离轴角，为了让视轴对星下点成像，相机需要俯仰一定角度，导致焦平面与星下点水平面存在一定夹角，积分时间计算不准确的问题，通过构建与星下点水平面平行的等效焦平面，建立严密的几何关系，求出真正电荷转移时间对应的像元尺寸，从而得到准确的积分时间，该方法能有效提高积分时间计算精度，为卫星在轨提高成像质量提供有效手段。

权利要求

1.基于等效焦平面的推扫式离轴遥感相机积分时间计算方法，所述推扫式离轴遥感相机的焦平面与星下点水平面存在一定夹角，其特征在于包括下列步骤：(1)、定义相机投影中心O与相机焦平面线阵中心像元一个端点A的延长线与相机轨道水平面的交点为W，相机投影中心O与相机焦平面线阵中心像元另一个端点B的连线与相机轨道水平面的交点为U，以W和U为端点，构建等效焦平面中心像元PWU，计算等效焦平面中心像元尺寸WU；所述相机轨道水平面为过相机焦平面线阵的中心点T且与星下点水平面平行的平面；

(2)、根据相机光学系统焦距f和相机离轴角α，计算相机视轴对应的视主距f'；

(3)、根据步骤(1)计算得到的等效焦平面中心像元尺寸WU和步骤(2)计算得到的相机视轴对应的视主距f'，计算相机积分时间Tint：式中， 为当前时刻摄影点速高比，其中，V当前时刻摄影点地速，L为当前时刻摄影点斜距。

2.根据权利要求1所述的基于等效焦平面的推扫式离轴遥感相机积分时间计算方法，其特征在于步骤(2)的计算公式为：

3.根据权利要求1所述的基于等效焦平面的推扫式离轴遥感相机积分时间计算方法，其特征在于步骤(1)计算等效焦平面中心像元尺寸WU的具体步骤为：(1.1)、计算W与T两点之间的距离WT：

式中，d为相机焦平面的像元尺寸，η为相机光轴与星下点视线的夹角，所述星下点视线为过投影中心与轨道水平面垂直的视线；

(1.2)、计算U与T两点之间的距离UT：

(1.3)、计算等效焦平面中的像元尺寸WU的长度：

WU＝WT+UT。

4.根据权利要求1所述的基于等效焦平面的推扫式离轴遥感相机积分时间计算方法，其特征在于所述速高比采用STK卫星仿真软件建模仿真获得。

说明书

基于等效焦平面的推扫式离轴遥感相机积分时间计算方法

技术领域

[0001] 本发明涉及基于等效焦平面的推扫式离轴遥感相机积分时间计算方法，属于卫星在轨成像质量技术领域。

背景技术

[0002] 目前，随着对地观测遥感卫星的飞速发展，相机的成像性能直接决定了卫星的整体性能和最终图像质量。由于轴对称反射光学系统不可避免的存在中心遮拦，中心遮拦的存在不仅会损失光通量，而且降低了系统中、低频的衍射极限MTF值。为了解决轴对称反射光学系统存在的中心遮拦问题，科研工作者提出了离轴反射光学系统，通过增加轴对称系统孔径离轴量、增加轴对称反射系统的离轴视场角或者两者结合的办法来避免中心遮拦。

[0003] 离轴反射系统通过将镜面进行合理的倾斜和偏心，消除了中心遮拦，但是导致实际视轴与光轴存在一定角度(离轴角)，这样卫星成像的模型如图1(b)所示，实际成像的视轴离星下点较远，影响成像质量；目前的离轴光学遥感卫星为了尽可能让视轴对星下点成像，通常会让相机整体俯仰一个角度，如图1(c)所示，此时就会导致焦平面与星下点水平面存在一定夹角，传统的积分时间计算方法将由于实际电荷转移时间对应的焦平面像元尺寸的变化而无法得到精确的积分时间。

发明内容

[0004] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于等效焦平面的推扫式离轴遥感相机积分时间计算方法，提高积分时间计算精度，提高像移补偿精度，有效提高成像质量。

[0005] 本发明的技术解决方案是：基于等效焦平面的推扫式离轴遥感相机积分时间计算方法，所述推扫式离轴遥感相机的焦平面与星下点水平面存在一定夹角，其特征在于包括下列步骤：

[0006] (1)、定义相机投影中心O与相机焦平面线阵中心像元一个端点A的延长线与相机轨道水平面的交点为W，相机投影中心O与相机焦平面线阵中心像元另一个端点B的连线与相机轨道水平面的交点为U，以W和U为端点，构建等效焦平面中心像元PWU，计算等效焦平面中心像元尺寸WU；所述相机轨道水平面为过相机焦平面线阵的中心点T且与星下点水平面平行的平面；

[0007] (2)、根据相机光学系统焦距f和相机离轴角α，计算相机视轴对应的视主距f'；

[0008] (3)、根据步骤(1)计算得到的等效焦平面中心像元尺寸WU和步骤(2)计算得到的相机视轴对应的视主距f'，计算相机积分时间Tint：

[0009]

[0010] 式中， 为当前时刻摄影点速高比，其中，V当前时刻摄影点地速，L为当前时刻摄影点斜距。

[0011] 步骤(2)的计算公式为：

[0012]

[0013] 步骤(1)计算等效焦平面中心像元尺寸WU的具体步骤为：

[0014] (1.1)、计算W与T两点之间的距离WT：

[0015]

[0016] 式中，d为相机焦平面的像元尺寸，η为相机光轴与星下点视线的夹角，所述星下点视线为过投影中心与轨道水平面垂直的视线；

[0017] (1.2)、计算U与T两点之间的距离UT：

[0018]

[0019] (1.3)、计算等效焦平面中的像元尺寸WU的长度：

[0020] WU＝WT+UT。

[0021] 所述速高比采用STK卫星仿真软件建模仿真获得。

[0022] 本发明与现有技术相比的有益效果是：

[0023] (1)、本发明提出一种基于等效焦平面的推扫式离轴遥感相机积分时间计算方法，该方法构建了与星下点水平面平行的等效焦平面，通过建立严密的几何关系，求出真正电荷转移时间对应的像元尺寸，从而得到更精确的积分时间。

[0024] (2)、本发明根据卫星所处的不同的时刻计算速高比，计算结果更加符合实际情况，精度更高；

[0025] (3)、仿真分析表明本发明比以往研究中直接使用原始像元尺寸和视主距求得的积分时间精度能提高1.2％。

附图说明

[0026] 图1为不同光学系统成像示意图；

[0027] 图1(a)为传统的无离轴角同轴光学系统成像模型；

[0028] 图1(b)为有离轴角、焦平面与星下点水平面平行的光学系统成像模型；

[0029] 图1(c)为有离轴角、焦平面与星下点水平面成一定夹角的光学系统成像模型；

[0030] 图2为相机成像时视场内摄影点与摄影斜距示意图；

[0031] 图3为焦平面与星下点水平面存在一定夹角时成像几何关系示意图；

[0032] 图4为等效焦平面中的像元尺寸和等效焦距几何关系示意图；

[0033] 图5为采用本发明与传统方法计算积分时间的计算对比结果。

具体实施方式

[0034] 以下结合附图与具体实施例对本发明进行详细说明。

[0035] (1)、无离轴角，星下点成像的积分时间计算方法

[0036] 传统的同轴光学系统成像模型如图1(a)所示，相机积分时间计算公式如下：

[0037]

[0038] 上式中：d为像元尺寸；

[0039] f为相机光学系统焦距；

[0040] 为当前时刻摄影点速高比，其中，V当前时刻摄影点地速，L为当前时刻摄影点斜距。

[0041] 如图2所示，摄影点地速V定义为地表摄影点相对于相机焦平面中心的运动速度。摄影点斜距L为在摄影轴线上从卫星相机焦平面投影中心到摄影点之间的距离。可见，某一成像时刻，相机成像时视场内不同摄影点对应的摄影斜距存在差异。通常情况下速高比通过STK卫星仿真软件建模仿真获得。具体步骤为：采用STK卫星仿真软件中根据轨道(orbit)的参数、卫星(satellite)参数和相机(sensor)的视场角参数，建立相机成像模型，模拟任意时刻摄影点地速V和摄影点斜距L，两者的比值即为对应时刻的速高比。

[0042] (2)、有离轴角，视轴不对星下点成像的积分时间计算方法

[0043] 如果是离轴相机，视轴和光轴之间存在一定的离轴角，如果不考虑视轴正对星下点成像的问题，如图1(b)所示，由于焦平面与星下点水平面是平行的，实际电荷转移时间对应的像元尺寸没有发生变化，此时只要将公式(1)中的相机光学系统焦距用视主距替代即可，积分时间计算公式如下：

[0044]

[0045] 式中，d为像元尺寸；

[0046] f'为相机视轴对应的视主距；

[0047] 为当前时刻摄影点速高比，其中，V当前时刻摄影点地速，L为当前时刻摄影点斜距；

[0048] 相机视轴对应的视主距f'为：

[0049]

[0050] 式中，f为相机光学系统焦距；

[0051] α为相机离轴角；

[0052] (3)、基于等效焦平面的推扫式离轴遥感相机积分时间计算方法

[0053] 推扫式离轴遥感相机是未来对地观测小卫星发展的趋势，为了尽可能让视轴对星下点成像，目前推扫式离轴遥感相机设计中，通常会让相机整体俯仰一个角度，如图1(c)所示，此时就会导致焦平面与星下点水平面存在一定夹角，电荷实际转移时间对应的距离小于原始的像元尺寸，此时焦平面与轨道面的示意图如图3所示。

[0054] 根据这种情况下的几何光路可以看出，计算积分时间需要求出此时卫星飞过地面分辨率对应距离所用的时间，才是真正准确的积分时间。本发明利用光轴、视轴与星下点之间成像几何关系，通过推导计算出等效焦平面中的像元尺寸，改进积分时间计算公式。具体包括如下步骤：

[0055] (1)、定义相机投影中心O与相机焦平面线阵中心像元(即相机焦平面线阵中心处像元)一个端点A的延长线与相机轨道水平面的交点为W，相机投影中心O与相机焦平面线阵中心像元另一个端点B的连线与相机轨道水平面的交点为U，以W和U为端点，构建等效焦平面中心像元PWU，计算等效焦平面中心像元尺寸WU；所述相机轨道水平面为过相机焦平面线阵的中心点T且与星下点水平面平行的平面，如图4所示。等效焦平面与星下摄影点水平面平行，等效焦平面的中心像元与星下摄影点水平面平行。

[0056] 下面结合图4详细介绍等效焦平面中心像元尺寸WU的具体计算步骤：

[0057] (1.1)、首先在三角形ΔAOT’中，求出θ1；然后在三角形ΔATW，根据正弦定理计算W与T两点之间的距离WT：

[0058]

[0059] 式中，d为相机焦平面的像元尺寸，η为相机光轴与星下点视线的夹角，所述星下点视线为过投影中心与轨道水平面垂直的视线；

[0060] (1.2)、同理在三角形BOT’中，求出θ5，然后在三角形BTU，根据正弦定理，计算U与T两点之间的距离UT：

[0061]

[0062] (1.3)、计算等效焦平面中的像元尺寸WU的长度：

[0063]

[0064] (2)、根据相机光学系统焦距f和相机离轴角α，计算相机视轴对应的视主距f'：

[0065]

[0066] (3)、根据步骤(1)计算得到的等效焦平面中心像元尺寸WU和步骤(2)计算得到的相机视轴对应的视主距f'，计算相机积分时间Tint：

[0067]

[0068] 式中， 为当前时刻摄影点速高比，其中，V当前时刻摄影点地速，L为当前时刻摄影点斜距。所述速高比采用STK卫星仿真软件建模仿真获得。

[0069] 实施例：

[0070] 针对本发明所提出的基于等效焦平面的推扫式离轴遥感相机积分时间确定方法进行仿真，仿真中做了如下假设输入：

[0071] 轨道高度：h＝645km

[0072] 轨道倾角i＝97.97°

[0073] 相机焦平面器件TDICCD(Time Delayed and Integration)的像元尺寸d＝25μm[0074] 相机光学系统焦距：f＝543mm

[0075] 相机离轴角：α＝9.4°

[0076] 相机光轴与星下点视场的夹角η＝8.95°

[0077] 在卫星仿真软件STK(Satellit Tool Kit)中建立卫星及相机模型，按降交点10：30，用STK软件中的Pattern Intersection模块仿真得到相机中心视轴相邻两个时刻(间隔
1s)与地球表面交点的位置坐标(x,y,z)及斜距L，地速计算如下：

[0078] Vx＝dx/dt

[0079] Vy＝dy/dt

[0080] Vz＝dz/dt

[0081]

[0082] 其中，dt为数据采样间隔，这里设为1s。

[0083] 根据以上仿真条件，采用本文提出的积分时间计算方法可以得出相机成像过程中，中心像元的积分时间范围为4.18-4.34ms，对比未考虑焦平面与水平面夹角的积分时间范围是4.23-440ms，计算精度提高了1.2％，对比结果如图5所示。

[0084] 由以上对比分析可以看出，采用本文提出的基于等效焦平面的离轴相机积分时间计算方法，可以有效提高积分时间计算精度，从而提高像移匹配精度，提高在轨成像质量。

[0085] 本发明未进行详细说明的部分为本领域技术人员的公知常识。