一种立体测绘与宽幅成像一体化的光学成像方法技术

本发明专利技术公开了一种立体测绘与宽幅成像一体化的光学成像方法，在卫星上以一定交会角安装两台或三台线阵相机；每台线阵相机具有用于立体测绘的第一成像探测器和用于宽幅成像的第二成像探测器，通过切入反射镜来实现两个成像探测器的切换；当进行立体测绘时，卫星以正飞姿态飞行，每台线阵相机通过第一成像探测器实现图像探测；当进行宽幅监视时，卫星偏航一定角度飞行，并通过切入反射镜来转换光路，每台线阵相机通过第二成像探测器先后对地面相邻的航带进行成像，等效于对地面一个宽的航带进行分段拼接成像，显著提升成像幅宽。本发明专利技术实现了单颗卫星功能的复用，提高在轨资源利用率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光学遥感成像
，涉及一种基于三线阵或两线阵测绘原理，能够利用一颗卫星同时满足立体测绘与宽幅成像需求的光学成像方法。
技术介绍
现代作战体系对天基战场侦察与监视的情报保障需求趋于多样化，根据遥感探测对象以及情报搜集意图的不同，我国研制发射了多种专用的探测载荷及专用卫星，在提升天基遥感探测能力的同时，也存在系统过于庞杂、卫星功能及应用单一、在轨成像资源利用不充分等问题。一个典型的例子就是陆地测绘卫星与海洋监视卫星。海洋监视卫星主要为实现大范围海域搜索，根据海洋范围分布广、目标尺度大等特点，决定了其必须优先保障宽覆盖，成像分辨率需求相对较低，如将海洋监视卫星直接应用于陆地观测，其分辨率用于辨识地面常规目标的能力稍显不足，并且定位精度低，无法提供精确的地理信息；而反观陆地测绘卫星，主要功能是提供精确详实的陆地基础地理信息，分辨率高但成像幅宽偏窄，无法满足大范围海域宽幅监视的需求，且其立体测绘能力的优势在海洋目标监视中意义不大。应用需求及载荷能力的差异决定了采用传统体制的立体测绘卫星与海洋监视卫星无法实现共用，使得各自在轨适宜的成像区域和工作时间被大大压缩，有限的成像资源得不到充分利用，影响了天基装备的使用效能。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供，从而实现单颗卫星功能的复用，提高在轨资源利用率。本专利技术包括如下技术方案，在卫星上以一定的交会角安装两台或三台线阵相机；每台线阵相机分别安装有用于立体测绘的第一成像探测器和用于宽幅成像的第二成像探测器，通过切入反射镜来实现两个成像探测器的切换；当进行立体测绘时，卫星以正飞姿态飞行，每台线阵相机通过第一成像探测器进行探测，两台或三台线阵相机以不同的观测角度先后对地面同一航带进行成像，从而实现立体测绘；当进行宽幅成像时，通过调整卫星姿态使得卫星偏航一定角度飞行，并通过切入反射镜来转换光路使得每台线阵相机通过第二成像探测器实现图像探测，第二成像探测器线阵排列方向与飞行方向垂直；两台或三台线阵相机先后对地面上一条较宽航带的相邻部分进行成像，将所述相邻部分的图像进行拼接获得所述较宽航带的图像，从而实现宽幅成像。第二成像探测器比第一成像探测器的成像幅宽大。本专利技术与现有技术相比具有如下优点(I)本专利技术为扩展测绘卫星应用范畴，提出了一种立体测绘和宽幅成像一体化的光学成像新体制。其通过对卫星工作模式的灵活转变与载荷的优化设计，将测绘相机的立体测绘能力转变为宽幅拼接能力，成像幅宽提升2 3倍，大大突破传统成像体制的使用限制，使得单星采用一套载荷就可兼顾立体测绘与宽幅监视的应用需求，从而实现单星功能的复用，大幅提升天基成像资源的使用效率。(2)本专利技术所实现的宽幅成像能力，不仅限于海洋监视应用，根据实际需要，也可用于陆地的大范围成像，在特定需求下，可提升对陆地资源的宽幅普查能力。(3)本专利技术所采用的改进措施简便易行，且不影响原有测绘光路的装调参数，避免了因功能复用而带来的立体测绘精度指标下降等问题，工程代价小，可靠性高，具有良好的工程可实现性。附图说明图1为立体测绘模式的成像方式示意图；图2为宽幅成像模式的成像方式示意图；图3为立体测绘模式到宽幅成像模式的转换示意图；图4为用于立体测绘的第一成像探测器安装位置示意图；图5为用于宽幅成像的第二成像探测器安装位置示意图；图6为宽幅成像下的卫星偏航角计算示意图；图7为卫星姿态坐标系示意图。具体实施例方式下面就结合附图对本专利技术做进一步介绍。下面以海洋宽幅监视和陆地立体测绘一体化的光学成像方法为例对本专利技术进行说明。航天器轨道坐标系O1XiyiZ1是由航天器轨道和地心定义的坐标系，该坐标系取航天器质心为原点O1,由O1到地心的连线为O1Z1轴，航天器的速度方向为O1X1轴，Oiyi轴按照右手正交法则确定。该坐标的O1X1和O1Z1轴在轨道平面内，Oiyi轴与轨道平面垂直，即轨道负法线方向。如图7所示，航天器姿态坐标系Oxyz用于描述航天器自身姿态运动，当航天器没有自旋和姿态偏差的情况下，该坐标系各轴与轨道坐标系重合。当航天器在轨道运动受到扰动或者受到控制力矩作用时，则航天器会产生角运动，使Oxyz坐标系与Olxlylzl坐标系不再重合。这时绕Ox轴的转角成为滚动角，Ox称为滚动轴；绕Oy轴和Oz轴的转角分别称为俯仰角和偏航角，Oy轴和Oz轴分别称为俯仰轴和偏航轴。本说明书所指的卫星偏航β角，即指卫星绕Oz轴旋转β角。由于卫星飞行方向是由轨道所确定的，与卫星本体的姿态无关，因此，偏航后姿态坐标系的Ox轴将与卫星飞行方向成β夹角。基于传统三线阵测绘原理，在单颗卫星上安装三台线阵相机，沿着星体X轴方向分别是后视相机3、正视相机2、和前视相机I。后视相机3、前视相机I分别与正视相机2的夹角为交会角，通常为20-25度。每台线阵相机分别安装有用于立体测绘的第一成像探测器和用于宽幅成像的第二成像探测器，通过切入反射镜来实现两个成像探测器的切换。如图1所示，当进行陆地立体测绘时，卫星正飞，卫星飞行方向(轨道坐标系O1X轴)与卫星姿态坐标系Ox轴重叠，三台相机在卫星飞行过程中以一定的交会角先后对地面同一航带A进行成像，从而实现立体测绘。如图1所示，立体测绘的原理是:经过卫星在3个不同时刻(T1、T2、T3时刻)的成像获取同一条带A取前视、正视和后视三度重叠的航带影像，从而构成立体影像。如图2所示，当进行海洋宽幅监视时，通过调整卫星姿态将卫星偏航β角，此时卫星姿态坐标系的Ox轴与卫星飞行方向成β夹角，从而将三台相机前后重叠的线视场转变为前后相邻的线视场，等效于使用三台相机进行拼幅成像，大幅提升整星成像幅宽。如图2所示，宽幅成像的原理是:经过卫星在3个不同时刻(Τ1、Τ2、Τ3时刻)的成像，先后获得一个条带B的三个相邻片段B1、Β2、和Β3，从而完成宽幅拼接。如图3所示，在立体测绘模式下，卫星以正飞姿态飞行，每台线阵相机以不同的观测角度先后对地面同一航带进行成像，从而实现立体测绘。当需要转换到宽幅成像模式，卫星偏航β角，三台相机先后获得三个相邻航带的图像，完成对地面宽航带的拼接推扫成像，幅宽约为立体测绘的三倍。(注:由于地球自转，测绘相机实际在轨成像时需进行偏流角修正，属于常规措施。为便于说明本专利技术思想，未对偏流角问题进行特别解释，即假定已针对地球自转的影响，采取了恰当应对措施)如图4所示，每个线阵相机的第一成像探测器安装在光学系统前光路10的像面11上，并且仅使用完整像面(圆视场11)中的一个线视场12进行成像。进行宽幅成像时，由于引入了额外的偏航角度β，宽幅成像时的线视场13与立体测绘时的线视场12的夹角为β ;因此，原先用于立体测绘的第一成像探测器的线阵排列方向与飞行方向不再垂直，导致无法使用。如需使其正常工作，需将探测器偏转β角，使用另一个线视场13成像，以重新与飞行方向保持垂直。由于直接对探测器操作会对原有测绘光路带来很多额外的误差因素，且存在可靠性方面的风险。因此，在具体的工程实现时，不是对原有立体测绘的像面进行调整，而是通过在原有立体测绘的像面前切入一块反射镜41，使得光路折转90°，在所形成的新像面42上安装一套新的成像探测器，即第二成像探测器，第二成像探测器所使用的线视场与立体测绘时所使用的线视场成本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种立体测绘与宽幅成像一体化的光学成像方法，在卫星上以一定的交会角安装两台或三台线阵相机；每台线阵相机分别安装有用于立体测绘的第一成像探测器和用于宽幅成像的第二成像探测器，通过切入反射镜来实现两个成像探测器的切换；当进行立体测绘时，卫星以正飞姿态飞行，每台线阵相机通过第一成像探测器进行探测，两台或三台线阵相机以不同的观测角度先后对地面同一航带进行成像，从而实现立体测绘；当进行宽幅成像时，通过调整卫星姿态使得卫星偏航一定角度飞行，并通过切入反射镜来转换光路使得每台线阵相机通过第二成像探测器实现图像探测，第二成像探测器线阵排列方向与飞行方向垂直；两台或三台线阵相机先后对地面上一条较宽航带的相邻部分进行成像，将所述相邻部分的图像进行拼接获得所述较宽航带的图像，从而实现宽幅成像。

【技术特征摘要】
1.一种立体测绘与宽幅成像一体化的光学成像方法，在卫星上以一定的交会角安装两台或三台线阵相机；每台线阵相机分别安装有用于立体测绘的第一成像探测器和用于宽幅成像的第二成像探测器，通过切入反射镜来实现两个成像探测器的切换； 当进行立体测绘时，卫星以正飞姿态飞行，每台线阵相机通过第一成像探测器进行探测，两台或三台线阵相机以不同的观测角度先后对地面同一航带进行成像，从而实现立体测绘; 当进行宽幅成像时，通过调...

【专利技术属性】
技术研发人员：王世涛，宋鹏飞，王虎妹，石俊，田坤黉，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：