CN108961319B - 双线阵tdi空间相机对动态飞机运动特性的分析方法 - Google Patents

Abstract

双线阵TDI空间相机对动态飞机运动特性的分析方法，涉及TDI相机动态成像及图像处理领域，解决现有技术在数百平方公里的区域内对飞机等运动目标的运动特性成像分析的存在的技术问题，该方法不改变TDI相机的推扫成像模式，根据空间飞行的动态变化目标和双线阵TDI相机之间推扫成像的时间与空间信息关联，建立空间光学动态成像三维位置与速度矢量模型，利用中值法计算动态飞机几何中心作为位置脱靶量，最后采用速度矢量映射计算动态目标飞行速度与方向，实现飞机等动态目标的运动特性成像分析。本发明方法简单可靠、易行，能够通过短时间间隔的静态图像对大范围动态目标运动特性进行分析，使动态运动目标位置信息与时间信息严格保持匹配。

Description

双线阵TDI空间相机对动态飞机运动特性的分析方法

技术领域

本发明涉及TDI相机动态成像及图像处理领域，具体涉及一种双线阵TDI空间相机对动态飞机运动特性的分析方法。

背景技术

遥感卫星TDI相机推扫成像的影像为静态图像，一些动态运动的目标在TDI相机推扫影像内也以静态形式展现，这样就无法确定目标的动态特性。为了获取目标动态运动过程，现阶段卫星成像采取凝视成像模式，主要是指卫星通过姿态控制***使光学载荷光轴始终指向地球上的指定目标区域，从而实现对目标区域的连续成像，但凝视成像视场范围较小，主要集中在十几平方公里范围内，而飞机等运动目标的活动区域多集中在数百平方公里的区域内，常规凝视成像模式无法在广阔的空间范围内感知动态运动目标并对运动特性进行分析。

本文在TDI相机推扫成像原理的基础上，提出了双线阵TDI相机分时接力对动态飞机的运动特性分析方法，不改变TDI相机的推扫成像模式，通过建立双线阵TDI相机时间与位置函数，以及后期图像的相关处理，精确确定双线阵TDI相机像面上运动目标之间的位置信息与时间信息，实现对飞机等动态目标的运动特性成像分析。

发明内容

本发明为了解决数百平方公里的区域内对飞机等运动目标的运动特性成像分析的技术问题，提出了一种双线阵TDI空间相机对动态飞机运动特性的分析方法。

双线阵TDI空间相机对动态飞机运动特性的分析方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、确定双线阵TDI相机的排列位置；

双线阵TDI相机由两行各自在同一直线且相互平行的TDI CCD组成，所述TDI CCD的像元尺寸为a，所述相互平行的TDI CCD的平行间距为d，所述d的范围为1mm<d<100mm；

步骤二、计算步骤一所述的双线阵TDI相机对同一动态目标成像的时间间隔；

具体为：将飞机在轨飞行速度映射至TDI相机像面并求解，对应的关系式为：

GM＝gR²

式中，m'为地球表面某一物体质量，R为地球半径，M为地球质量，H为卫星高度，G为地球引力常数，g为重力加速度；m为卫星质量，V为卫星对地心的绝对速度，v为卫星对地的速度，v'为像点在焦平面的移动速度，f为双线阵TDI相机焦距，R₀为侧摆对应的圆环半径，双线阵TDI相机成像的时间差T为平行间距d与像点在焦平面的移动速度的比值；

步骤三、计算同一动态目标两次成像的中心点的位置；

采用中值法求取第i架动态飞行的飞机中心点(x_i，y_i)的位置，用公式表示为：

式中，Q(x_i)为二维图像上第i架动态飞机所在区域的x方向的一维灰度分布函数，Q(x_i)_max为第i架动态飞机x方向内的最大灰度值,Q(x_i)_min为第i架动态飞机x方向内的最小灰度值，Q(x_io)为第i架动态飞机x方向中心点x_io处的灰度值；Q(y_i)为二维图像上第i架动态飞机所在区域的y方向的一维灰度分布函数，Q(y_i)_max为第i架动态飞机y方向内的最大灰度值,Q(y_i)_min为第i架动态飞机y方向内的最小灰度值，Q(y_io)为第i架动态飞机y方向中心点y_io处的灰度值；(x，y)为飞机影像各像点的坐标值，I(x，y)为飞机影像各像点的灰度值，通过三次及以上插值即可获得足够的精度，y方向的处理同x方向。

步骤四、运动目标动态特性分析计算；

根据步骤三中获得的同一动态目标两次成像的中心点位置，求取二维平面内的同一动态目标两次中心点位置x方向的距离Δx和同一动态目标两次中心点位置y方向的距离Δy；计算飞机在焦平面飞行的距离l，飞行方向α和速度V_plane；用下式表示为：

V_plane＝(l/T)×H/f；

α＝atan(Δx/Δy)。

本发明的有益效果：本发明所述的方法主要是根据空间飞行的动态变化目标和双 线阵TDI相机之间推扫成像的时间与空间信息关联，建立空间光学动态成像三维位置与速 度矢量模型，利用中值法计算动态飞机几何中心作为位置脱靶量，最后采用速度矢量映射 计算动态目标飞行速度与方向，实现飞机等动态目标的运动特性成像分析。

常规凝视成像可以实现对目标区域的连续成像，卫星通过姿态控制***使光学载荷光轴始终指向地球上的指定目标区域，但视场范围较小，主要集中在十几平方公里范围内，无法快速感知大范围动态运动目标。本发明所述的方法在TDI相机推扫成像原理的基础上，提出了双线阵TDI相机分时接力对动态飞机的运动特性分析方法，不改变TDI相机的推扫成像模式，通过建立双线阵TDI相机时间与位置函数，以及后期图像的相关处理，精确确定双线阵TDI相机像面上运动目标之间的位置信息与时间信息，实现对飞机等动态目标的运动特性成像分析。该方法简单易行，能够通过短时间间隔的静态图像对大范围动态目标运动特性进行分析，使动态运动目标位置信息与时间信息严格保持匹配。

附图说明

图1为本发明所述的双线阵TDI空间相机对动态飞机运动特性的分析方法中双线阵TDI相机对动态飞机推扫成像物像对应关系图；

图2为本发明所述的双线阵TDI空间相机对动态飞机运动特性的分析方法中双线阵TDI相机焦面位置排布关系图；

图3为本发明所述的双线阵TDI空间相机对动态飞机运动特性的分析方法中卫星侧视成像时对应的地面速度迹线示意图；

图4为本发明所述的双线阵TDI空间相机对动态飞机运动特性的分析方法中TDI图像融合后飞机动态飞行位置变化关系示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图4说明本实施方式，双线阵TDI空间相机对动态飞机运动特性的分析方法，该方法由以下步骤实现：

1.确定双线阵TDI相机排列位置关系；

双线阵TDI CCD由两行各自在同一直线且相互平行的TDI CCD组成，第二行CCD与第一行CCD之间的间隙如图2所示。其中像元尺寸为a，平行的两片CCD距离为d。

2.计算双线阵TDI CCD对同一目标成像的时间间隔；

在焦平面上平行排列的双线阵TDI CCD，由于存在一定的距离间隔，对同一目标进行两次成像时也存在一定的时间间隔。相应的时间间隔可以通过将在轨飞行速度映射至像面进行求解，对应的关系式如下所示。

GM＝gR²

式中，m'为地球表面某一物体质量，R为地球半径，M为地球质量，H为卫星高度，G为地球引力常数，g为重力加速度；m为卫星质量，V为卫星对地心的绝对速度，v为卫星对地的速度，v'为像点在焦平面的移动速度，f为双线阵TDI相机焦距，R₀为侧摆对应的圆环半径，双线阵TDI相机成像的时间差T为平行间距d与像点在焦平面的移动速度的比值；

3.动态目标中心点位置计算；

由于双线阵TDI相机对同一区域进行成像，所以将两幅图像进行融合后，静态景物严格匹配合二为一，动态目标会在不同位置处出现两次，如图3所示。

为精确计算动态目标不同时间内的位置变化关系，需要计算目标中心点变化，采用中值法对动态飞行的飞机中心点进行求取，中值法是基于目标二维分布的某个一维累积分布函数进行定义的，也称面积相等法。是一种将图像的中心定义为在x方向和y方向面积相等点的图像分割方法。

式中，Q(x_i)为二维图像上第i架动态飞机所在区域的x方向的一维灰度分布函数，Q(x_i)_max为第i架动态飞机x方向内的最大灰度值,Q(x_i)_min为第i架动态飞机x方向内的最小灰度值，Q(x_io)为第i架动态飞机x方向中心点x_io处的灰度值；Q(y_i)为二维图像上第i架动态飞机所在区域的y方向的一维灰度分布函数，Q(y_i)_max为第i架动态飞机y方向内的最大灰度值,Q(y_i)_min为第i架动态飞机y方向内的最小灰度值，Q(y_io)为第i架动态飞机y方向中心点y_io处的灰度值；(x，y)为飞机影像各像点的坐标值，I(x，y)为飞机影像各像点的灰度值，通过三次及以上插值即可获得足够的精度，y方向的处理同x方向。

4.运动目标动态特性分析计算；

根据同一动态运动目标两次成像的中心点位置，求取二维平面内的Δx和Δy；计算飞机在焦面飞行的距离l，飞行方向α(与卫星前进方向偏差角)和速度V_plane。

V_plane＝(l/T)×H/f；

α＝atan(Δx/Δy)

具体实施方式二、本实施方式为具体实施方式一所述的双线阵TDI空间相机对动态飞机运动特性的分析方法的实施例：

1.确定双线阵TDI相机排列位置关系；

双线阵TDI CCD由两行各自在同一直线且相互平行的TDI CCD组成，平行间距d为7mm，像元尺寸为a＝7μm。

2.计算双线阵TDI CCD对同一目标成像的时间间隔；

卫星在轨的轨道高度为500km，对应星下点的速度为7.5km/s，相机焦距为6m；则对应的像面速度为

平行TDI之间对应的时间差为

3.动态目标中心点位置计算；

由于双线阵TDI相机对同一区域进行成像，所以将两幅图像进行融合后，静态景物严格匹配合二为一，动态目标会在不同位置处出现两次，通过中值法确定Δx＝3×a和Δy＝4×a。

4.运动目标动态特性分析计算；

根据两次运动目标中心点位置，求取二维平面内的Δx和Δy；计算飞机在焦面飞行的距离l，飞行方向α(与卫星前进方向偏差角)和速度V_plane。

V_plane＝(l/T)×H/f＝(5×7μm/0.07778s)×500km/6m

V_plane＝(0.45mm/s)×500km/6m＝135km/h；

α＝atan(Δx/Δy)＝36.87°

上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (1)

1.双线阵TDI空间相机对动态飞机运动特性的分析方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：

步骤一、确定双线阵TDI相机的排列位置；

双线阵TDI相机由两行各自在同一直线且相互平行的TDI CCD组成，所述TDI CCD的像元尺寸为a，所述相互平行的TDI CCD的平行间距为d，所述d的范围为1mm<d<100mm；

步骤二、计算步骤一所述的双线阵TDI相机对同一动态目标成像的时间间隔；

具体为：将卫星在轨飞行速度映射至TDI相机像面并求解，对应的关系式为：

GM＝gR²

式中，设m'为地球表面某一物体质量，R为地球半径，M为地球质量，H为卫星高度，G为地球引力常数，g为重力加速度；m为卫星质量，V为卫星对地心的绝对速度，v为卫星对地的速度，v'为像点在焦平面的移动速度，f为双线阵TDI相机焦距，R₀为侧摆对应的圆环半径，双线阵TDI相机成像的时间差T为平行间距d与像点在焦平面的移动速度的比值；

步骤三、计算同一动态目标两次成像的中心点的位置；

采用中值法求取第i架动态飞行的飞机中心点(x_i，y_i)的位置，用公式表示为：

式中，Q(x_i)为二维图像上第i架动态飞机所在区域的x方向的一维灰度分布函数，Q(x_i)_max为第i架动态飞机x方向内的最大灰度值,Q(x_i)_min为第i架动态飞机x方向内的最小灰度值，Q(x_io)为第i架动态飞机x方向中心点x_io处的灰度值；Q(y_i)为二维图像上第i架动态飞机所在区域的y方向的一维灰度分布函数，Q(y_i)_max为第i架动态飞机y方向内的最大灰度值,Q(y_i)_min为第i架动态飞机y方向内的最小灰度值，Q(y_io)为第i架动态飞机y方向中心点y_io处的灰度值；(x，y)为飞机影像各像点的坐标值，I(x_i,y_i)为飞机影像各像点的灰度值，通过三次及以上插值即可获得足够的精度，y方向的处理同x方向；

步骤四、运动目标动态特性分析计算；

根据步骤三中获得的同一动态目标两次成像的中心点位置，求取二维平面内的同一动态目标两次中心点位置x方向的距离Δx和同一动态目标两次中心点位置y方向的距离Δy；计算飞机在焦平面飞行的距离l，飞行方向α和速度V_plane；用下式表示为：

V_plane＝(l/T)×H/f；

α＝atan(Δx/Δy)。

Images