CN110243345A - 一种基于旋转大幅宽光学成像的像移分析计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于旋转大幅宽光学成像的像移分析计算方法，发明所述一种基于旋转大幅宽光学成像的像移计算方法，该方法基于新型旋转扫描成像方式，分析旋转扫描成像过程中像移的产生机制，建立旋转成像方式下的像移计算模型，通过该模型可以完成像移分析，为旋转成像的像移补偿提供可靠依据，有效提高成像质量。

Description

一种基于旋转大幅宽光学成像的像移分析计算方法

技术领域

本发明涉及到光学遥感相机成像领域，具体指一种应用于旋转大幅宽光学成像的像移分析计算方法。

背景技术

当今光学遥感相机日益朝着大幅宽高分辨率的方向发展，而光学相机的视场与分辨率是相互制约的。

目前通用的光学遥感相机增大成像幅宽的成像方法有：多星组网、卫星快速机动、多相机组合、多CCD探测器拼接、摆扫成像。其中前四种方案虽然一定程度上增大了成像幅宽，但同时也大大增加了***的数量、体积、重量、功耗，硬件成本巨大，摆扫成像利用时间分辨率换取空间分辨率，具有有效幅宽大、成像分辨率高的优点，是高分辨率光学遥感器对地宽幅成像的有效手段。

除了以上增大幅宽的方法，还有一种新型的旋转成像方式，其视线指向在地面成像的轨迹为螺线管形状。这种旋转成像方式不但可以实现宽幅扫描，而且由于其无需像摆扫成像一样机构来回往返运动，所以极大地降低了控制的难度。比如，圆迹SAR就是通过旋转成像方式实现了360°广域快速成像。如果能实现旋转成像在光学遥感相机中的应用，必然会促进广域成像***性能的极大提升。

然而，旋转成像过程中的像移使得像质下降，极低分辨率的图像无法发挥大幅宽的优势。因此，要在旋转大幅宽光学成像的同时保证一定的分辨率，必须实现可靠的像移补偿。目前国内外对于星下点、侧摆摄影的像移模型已经有一系列研究，但是针对旋转成像这种新型成像方式的像移的分析还没有相应的研究。

发明内容

本发明的目的在于弥补现有技术的上述空白，解决旋转成像过程中的像移问题，提出一种基于旋转大幅宽光学成像的像移计算方法。

本发明所述一种基于旋转大幅宽光学成像的像移计算方法，该方法将基于像移产生的原理，分析旋转成像过程中像移的产生机制，建立相应的像移计算模型，为像移补偿提供技术支持。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

设定相机旋转运动实现方式多样。旋转成像的扫描视轴倾斜，与竖直方向形成一个夹角。如图1所示，相机视轴在地面上扫描轨迹为圆弧，旋转扫描运动加上整个光学***的匀速平动，在地面产生螺线管式的扫描图形。

步骤一：旋转成像过程中目标与相机之间的相对运动，主要有四种运动形式：卫星向前飞行、相机旋转扫描、目标随地球自转、卫星姿态变化(俯仰、偏航、横滚)，分别求解四项运动带来的目标物方移动速度。

步骤二：对四项运动带来的目标物方移动速度分别正交分解，得到沿轨方向和垂轨方向的分量，将沿轨分量和垂轨分量分别进行四项的矢量叠加，得到目标物方移动速度的沿轨分量V_t和垂轨分量V_r。

步骤三：求解目标点处在沿轨方向和垂轨方向的地面像元分辨率，目标在物方移动速度与地面像元分辨率的比值就是目标点的像移速度，以单位时间内发生位移的像元数目计。

步骤一中，首先，卫星轨道运动带来的物方目标相对相机偏移速度方向沿卫星轨道飞行的相反方向。其中G为万有引力常量， M为地球质量，R_e为地球半径，卫星轨道半径R_sat＝R_e+H，H为卫星轨道高度。

其次，相机旋转运动带来的物方目标相对相机偏移速度V₂＝ωR，方向沿扫描圆弧切向的相反方向。其中ω为相机旋转角速度，扫描半径R＝Lsinα，ɑ为相机側摆安装角，L为相机投影中心到相机光轴与地面交点的距离

再次，地球自转带来的物方目标相对相机偏移速度V₃＝ω_eR_e，方向沿地球自转方向。其中ω_e为地球自转角速度。

最后，卫星姿态变化带来的目标相对相机运动速度 V_pitch、V_roll、V_yaw分别为卫星姿态俯仰、横滚、偏航三种姿态带来的目标相对相机运动速度，方向分别为沿轨道方向、垂直于轨道方向、沿旋转扫描切向方向。其中，Φ'_pitch、Φ'_roll、Φ'_yaw分别为卫星姿态俯仰角速度、横滚角速度、偏航角速度。

V_pitch＝Φ′_pitchL

V_roll＝Φ′_rollL

V_yaw＝Φ′_yaw R

步骤二中，对四项运动带来目标物方移动速度的沿轨分量和垂轨分量分别进行矢量叠加，即可得到目标物方移动速度的沿轨分量V_t和垂轨分量V_r，其中i₀为轨赤交角。

V_t＝V₁cosωt+(V_pitchcosωt+V_rollsinωt+V_yaw)+V₃·+V₄cosi₀cosωt+V₄sini₀sinωt

V_r＝V₁sinωt+(V_pitchsinωt+V_rollcosωt+0)+0+V₄cosi₀sinωt+V₄sini₀cosωt

步骤三中，目标点处在沿轨方向和垂轨方向的地面像元分辨率GSD_t、GSD_r分别为：

因此，沿轨方向和垂轨方向的像移速度分别为：

V_Nt＝V_t/GSD_t

V_Nr＝V_r/GSD_r

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明针对旋转大幅宽光学成像方式，根据传统的像移分析方法，提出基于旋转扫描成像方式的像移分析方法，该方法可以有效计算像移，为像移补偿保证图像成像质量提供指导，为旋转大幅宽光学成像方法在大范围快速搜索目标的应用打下基础。

虽然旋转大幅宽光学成像具有超大幅宽的显著优势，但是像移的影响也使得其工程应用还有很长的距离。因此对其进行像移分析计算十分重要。目前已有的像移分析计算模型都是针对与推扫成像、摆扫成像等进行的，而对于这种新型的旋转成像方式，目前尚没有相关的像移分析研究。本发明方法简单可行，能成为推进旋转成像的工程应用的有力支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述的方法基于的旋转成像过程示意图；

图2为旋转成像过程中卫星向前飞行、相机旋转扫描、目标随地球自转、卫星姿态变化四项运动产生像移过程示意图；

图3为卫星姿态变化产生像移示意图，其中(a)为俯仰产生像移示意图(b)为偏航产生像移示意图(c)为横滚产生像移示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

设定相机旋转运动实现方式多样。旋转成像的扫描视轴倾斜，与竖直方向形成一个夹角。如图1所示，相机视轴在地面上扫描轨迹为圆弧，旋转扫描运动加上整个光学***的匀速平动，在地面产生螺线管式的扫描图形。

步骤一：旋转成像过程中目标与相机之间的相对运动，主要有四种运动形式：卫星向前飞行、相机旋转扫描、目标随地球自转、卫星俯仰、偏航、横滚姿态变化，分别求解四项运动带来的目标物方移动速度。

步骤二：对四项运动带来的目标物方移动速度分别正交分解，得到沿轨方向和垂轨方向的分量，将沿轨分量和垂轨分量分别进行四项的矢量叠加，得到目标物方移动速度的沿轨分量V_t和垂轨分量V_r。

步骤三：求解目标点处在沿轨方向和垂轨方向的地面像元分辨率，目标在物方移动速度与地面像元分辨率的比值就是目标点的像移速度，以单位时间内发生位移的像元数目计。

步骤一中，首先，卫星轨道运动带来的物方目标相对相机偏移速度方向沿卫星轨道飞行的相反方向。其中G为万有引力常量， M为地球质量，R_e为地球半径，卫星轨道半径R_sat＝R_e+H，H为卫星轨道高度。

其次，相机旋转运动带来的物方目标相对相机偏移速度V₂＝ωR，方向沿扫描圆弧切向的相反方向。其中ω为相机旋转角速度，扫描半径R＝Lsinα，ɑ为相机側摆安装角，L为相机投影中心到相机光轴与地面交点的距离

再次，地球自转带来的物方目标相对相机偏移速度V₃＝ω_eR_e，方向沿地球自转方向。其中ω_e为地球自转角速度。

最后，卫星姿态变化带来的目标相对相机运动速度 V_pitch、V_roll、V_yaw分别为卫星姿态俯仰、横滚、偏航三种姿态带来的目标相对相机运动速度，方向分别为沿轨道方向、垂直于轨道方向、沿旋转扫描切向方向。其中，Φ'_pitch、Φ'_roll、Φ'_yaw分别为卫星姿态俯仰角速度、横滚角速度、偏航角速度。

V_pitch＝Φ′_pitchL

V_roll＝Φ′_rollL

V_yaw＝Φ′_yaw R

步骤二中，对四项运动带来目标物方移动速度的沿轨分量和垂轨分量分别进行矢量叠加，即可得到目标物方移动速度的沿轨分量V_t和垂轨分量V_r，其中i₀为轨赤交角。

V_t＝V₁cosωt+(V_pitchcosωt+V_rollsinωt+V_yaw)+V₃·+V₄cosi₀cosωt+V₄sini₀sinωt

V_r＝V₁sinωt+(V_pitchsinωt+V_rollcosωt+0)+0+V₄cosi₀sinωt+V₄sini₀cosωt

步骤三中，目标点处在沿轨方向和垂轨方向的地面像元分辨率GSD_t、GSD_r分别为：

因此，沿轨方向和垂轨方向的像移速度分别为：

V_Nt＝V_t/GSD_t

V_Nr＝V_r/GSD_r

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种基于旋转大幅宽光学成像的像移分析方法，其特征在于，该方法由以下步骤实现：

步骤一：旋转成像过程中目标与相机之间的相对运动，主要有四种运动形式：卫星向前飞行、相机旋转扫描、目标随地球自转、卫星俯仰、偏航、横滚姿态变化，分别求解四项运动带来的目标物方移动速度。

步骤二：对四项运动带来的目标物方移动速度分别正交分解，得到沿轨方向和垂轨方向的分量，将沿轨分量和垂轨分量分别进行四项的矢量叠加，即可得到目标物方移动速度的沿轨分量和垂轨分量。

步骤三：求解目标点处在沿轨方向和垂轨方向的地面像元分辨率，目标在物方移动速度与地面像元分辨率的比值就是目标点的像移速度，以单位时间内发生位移的像元数目计。

2.根据权利要求1所述的一种基于旋转扫描大幅宽成像的像移分析方法，其特征在于：所述步骤一中，假设地面目标静止，卫星轨道运动带来的物方目标相对相机偏移速度方向沿卫星轨道飞行的相反方向。其中G为万有引力常量，M为地球质量，R_e为地球半径，卫星轨道半径R_sat＝R_e+H，H为卫星轨道高度。

3.根据权利要求1所述的一种基于旋转扫描大幅宽成像的像移分析方法，其特征在于：所述步骤一中，相机旋转运动带来的物方目标相对相机偏移速度V₂＝ωR，方向沿扫描圆弧切向的相反方向。其中ω为相机旋转角速度，扫描半径R＝Lsinα，ɑ为相机側摆安装角，L为相机投影中心到相机光轴与地面交点的距离

4.根据权利要求1所述的一种基于旋转扫描大幅宽成像的像移分析方法，其特征在于：所述步骤一中，地球自转带来的物方目标相对相机偏移速度V₃＝ω_eR_e，方向沿地球自转方向，其中ω_e为地球自转角速度。

5.根据权利要求1所述的一种基于旋转扫描大幅宽成像的像移分析方法，其特征在于：所述步骤一中，卫星姿态变化带来的目标相对相机运动速度V_pitch、V_roll、V_yaw分别为卫星姿态俯仰、横滚、偏航三种姿态带来的目标相对相机运动速度，方向分别为沿轨道方向、垂直于轨道方向、沿旋转扫描切向方向。其中，Φ'_pitch、Φ'_roll、Φ'_yaw分别为卫星姿态俯仰角速度、横滚角速度、偏航角速度。

V_pitch＝Φ′_pitchL

V_roll＝Φ′_rollL

V_yaw＝Φ′_yawR。

6.根据权利要求1，2所述的一种基于旋转扫描大幅宽成像的像移分析方法，其特征在于：所述步骤二中，对四项运动带来目标物方移动速度的沿轨分量和垂轨分量分别进行矢量叠加，即可得到目标物方移动速度的沿轨分量V_t和垂轨分量V_r，其中i₀为轨赤交角。

V_t＝V₁cosωt+(V_pitchcosωt+V_rollsinωt+V_yaw)+V₃·+V₄cosi₀cosωt+V₄sini₀sinωt

V_r＝V₁sinωt+(V_pitchsinωt+V_rollcosωt+0)+0+V₄cosi₀sinωt+V₄sini₀cosωt 。

7.根据权利要求1，2所述的一种基于旋转扫描大幅宽成像的像移分析方法，其特征在于：所述步骤三中，目标点处在沿轨方向和垂轨方向的地面像元分辨率GSD_t、GSD_r分别为：

。

8.根据权利要求1，2所述的一种基于旋转扫描大幅宽成像的像移分析方法，其特征在于：所述步骤三中，目标在物方移动速度与地面像元分辨率的比值就是目标点的像移速度，以单位时间内发生位移的像元数目计算：V_N＝V/GSD。因此目标点处，沿轨方向和垂轨方向的像移速度分别为：

V_Nt＝V_t/GSD_t

V_Nr＝V_r/GSD_r。