對非均勻場景同一區域成像的姿態調整與非線性定標方法

2023-12-09 16:49:41 2

對非均勻場景同一區域成像的姿態調整與非線性定標方法
【專利摘要】本發明涉及對非均勻場景同一區域成像的姿態調整與非線性定標方法，包括以下步驟：計算衛星成像的初始偏流角並調整衛星偏航角，轉入對非均勻場景同一區域成像的定標模式；在定標模式的成像過程中採取從粗到細的時間間隔步長精確計算像移大小，通過調整衛星偏航角控制線陣CCD成像的精確推掃方向，使得線陣CCD能夠依次對同一區域成像；判斷所獲得的圖像數據是否滿足進行非線性定標的條件，如果滿足則基於直方圖匹配建立非線性定標映射關係表，否則重新確定成像場景繼續執行在軌定標獲取更多的圖像數據。本發明對地面場景的要求寬鬆，不需要較均勻的場景，非均勻場景即可滿足定標任務，衛星運行的每軌都可實現定標，定標頻次高。
【專利說明】對非均勻場景同一區域成像的姿態調整與非線性定標方法【技術領域】
[0001]本發明涉及對非均勻場景同一區域成像的姿態調整與非線性定標方法，屬於遙感衛星定標【技術領域】，特別用於光學遙感衛星線陣CXD相機對非均勻場景同一區域成像的姿態調整與非線性定標。
【背景技術】
[0002]目前，光學遙感衛星線陣C⑶相機主要採用推掃式成像方式獲取衛星影像。但是，遙感衛星相機各個CCD探測器及放大增益存在非均勻性噪聲和暗電流噪聲等問題，導致光學系統和CCD探測器等響應的不一致性，直接表現為各個像元輸出灰度值的不一致性，從而造成獲取的圖像出現一些「條帶」或「條紋」現象。相對輻射定標的目的就是獲取相對輻射定標係數，並且利用係數對原始圖像進行相對輻射校正，最大可能的消除「條帶」和「條紋」效應。
[0003]通常有以下幾種方法獲取光學遙感衛星的相對輻射定標係數。①衛星發射前的實驗室定標法，該方法通過實驗室多個定標燈圖像數據獲得定標係數，但是衛星經過從發射到在軌運行後，所攜帶的器件將會發生一定的變化。②利用星上定標裝置進行在軌定標，該種方法需要標準的星上定標源，但是由於定標源的穩定性不高，因此這種定標方法的應用效率低。③在地面建設大面積的均勻定標場，需要耗費大量的財力物力來維護，受到天氣條件、軌道運動等的影響，定標一次耗費的周期很長，並且目標單一，難以實現多點非線性校正。④利用自然界的均勻地面景物比如湖泊、草原、冰川等，但如此大面積的絕對均勻的景物很少，同樣也難實現高精度的非線性定標。⑤基於多軌數據的在軌統計法，也是目前應用比較廣的一種方法，該方法需要累積多軌圖像數據，基於直方圖匹配建立直方圖查找表，但是該方法必須確保各軌數據的穩定性。⑥國外針對敏捷衛星提出的Side-slither定標方法(參見 Radiometric correction of RapidEye imagery using the on-orbitside-slither method, SPIE, 2011),將衛星偏航角旋轉90° ,需要選擇雨林、沙漠、冰蓋等相對均勻的場景作為定標源，因此，對定標源的要求高，導致對定標區域的選擇受限，從而影響了定標頻次。

【發明內容】

[0004]本發明的技術解決問題是:克服現有技術的不足，提供一種與現有技術在原理和實現方法上有區別的對非均勻場景同一區域成像的姿態調整與非線性定標方法，該方法對定標場景的要求較低，不需要地面相對均勻的定標場景，非均勻場景即可滿足要求，因此，衛星運行的每軌都可以實現定標，能夠滿足高頻次的定標需求。
[0005]本發明的技術解決方案是:對非均勻場景同一區域成像的姿態調整與非線性定標方法，通過以下步驟實現:
[0006]( I)衛星需要在軌定 標時，根據像移速度計算初始偏流角β C1,並根據初始偏流角調整衛星偏航角，調整的方式為將衛星偏航角逆時針旋轉90° -Ptl，進入對非均勻場景同一區域成像的定標模式；
[0007](2)在定標模式的成像過程中，通過對衛星姿態的調整控制線陣C⑶成像的推掃方向，使得線陣CCD陣列能夠依次對非均勻場景同一區域成像，獲得線陣CCD陣列中不同CCD探測器對非均勻場景同一區域成像的圖像數據；
[0008](3)統計圖像數據的直方圖，判斷所獲得的圖像數據是否滿足進行非線性定標的條件，如果滿足則利用直方圖匹配方法建立非線性定標映射關係表，否則轉步驟(4);
[0009](4)重新確定成像場景，執行步驟(1)、(2)，得到新的圖像數據，將新的圖像數據與之前的圖像數據一起組成待統計的圖像數據，執行步驟(3 )。
[0010]所述步驟(2)中通過對衛星姿態的調整控制線陣CXD成像的推掃方向通過以下步驟實現:
[0011](2.1)將衛星偏航角調整後的時刻t作為起始時刻，t等於0，計算該時刻的偏流角為P1，令步進次數η等於1，繼續執行步驟(2.2);
[0012](2.2)計算t等於ηXLXTint時刻的偏流角為β 2，LXTint為時間間隔步長，其中，L為線陣CCD的長度，即線陣CCD包含的探測器個數，Tint為線陣CCD的積分時間；
[0013](2.3)計算整個線陣(XD首末兩個探測器的像移大小A d，Ad=LXtan| β2-β J ,
? I表示取絕對值，如果Ad小於預設閾值δ，則不需要對當前時刻的衛星偏航角進行調
整，將β2賦值給P1、步進次數η值加I之後，重複步驟(2.2)，否則需要在當前η值所對應的時刻之前對衛星偏航角進行調整，即對衛星偏航角進行調整的時刻在(n-1) XLXTint~nXLXTint之間，令i=l，繼續步`驟(2.4)精確計算對衛星偏航角調整的時刻；
[0014](2.4)對於時刻V (n-1) X LX Tint+i X Tint, i=l, 2，…，L，該時刻\所對應的偏流角β2'通過線性插值得到，β2' =β JiXW2-P D/L，計算當前時刻第一個探測器與第i個探測器的像移大小Adi=IXtanI 2' -β」，當Adi小於閾值δ時，貝U i加1，i為小於L的整數，重複步驟(2.4)，當Adi大於閾值δ時，該時刻需要對衛星偏航角進行調整，調整後重新開始執行步驟(2.1)，直到在軌定標任務執行完畢。
[0015]所述步驟(3)中判斷所獲得的圖像數據是否滿足進行非線性定標的條件通過以下步驟實現:
[0016](I)將[0，H)的灰度區間分成三個灰度子區間，分別為子區間[0，Η/4)、子區間[Η/4，3Η/4]以及子區間(3Η/4，H)，H為灰度級數；
[0017](2)統計圖像數據的直方圖，計算所獲得的圖像數據在上述三個灰度子區間的像素數目，分別記為Mp M2, M3,並計算它們佔所獲得圖像數據的總像素數目N的百分比λ 1、λ 2、λ 3，λ 1= (M1ZN) X 100%, λ 2=(Μ2/Ν) X 100%, λ 3=(Μ3/Ν) X 100% ；
[0018](3)如果λ ,10%或λ2〈30%或λ 3〈10%，則定標模式下的所獲得的圖像數據不滿足進行非線性定標的條件，否則滿足進行非線性定標的條件。
[0019]本發明與現有技術相比有益效果為:
[0020](I)本發明充分利用衛星姿態調整能力進行定標，不需要星上定標裝置，並且無需專門的地面相對均勻的場景作為定標源，一般的非均勻對地觀測場景即可滿足定標要求。
[0021](2)本發明在定標模式的成像過程中採取從粗到細的時間間隔步長精確計算像移大小，通過調整衛星偏航角控制線陣CCD成像的精確推掃方向，使得線陣CCD陣列能夠依次對非均勻場景同一區域成像，獲得線陣CCD陣列中不同CCD探測器對非均勻場景同一區域成像的圖像數據。
[0022](3)本發明相比較基於大量數據統計的相對輻射定標方法，不需要積累多軌成像數據，對定標源的要求不高，因此保證每軌都能實現定標成像，實現高頻次的定標，同一軌的定標可滿足當前軌數據的輻射校正需求，真正做到「所定即所用」，避免了由於不同軌數據之間的不穩定差異所帶來的定標源本身不可靠的問題。
[0023](4)本發明提出利用統計圖像的直方圖概率密度函數判斷所獲得的圖像是否滿足建立非線性定標的要求，保證了定標數據的有效性，靈活制定在軌定標任務，並且利用直方圖匹配方法建立非線性定標映射關係表，克服了由於相機光子噪聲、暗電流噪聲等導致的各個探測器之間的非線性響應問題，避免了直接擬合線性模型所帶來的擬合誤差。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是本發明對非均勻場景同一區域成像的姿態調整與非線性定標的流程圖；
[0025]圖2為常規成像模式與在軌定標成像模式對比示意圖；
[0026]圖3是本發明通過仿真給出的在軌定標時需要對衛星偏航角進行調整的大小，其中，圖3a?c分別為三個姿態角都為0°、不同滾動角與不同俯仰角(0°、10°、20°、30°、40° )在不同緯度時需要對衛星偏航角進行調整的大小，圖3d為北緯40°時不同滾動角且不同俯仰角時需要對衛星偏航角進行調整的大小；
[0027]圖4是本發明定標模式下整個線陣CCD陣列依次經過同一區域的示意圖；
[0028]圖5是本發明像平面運行線陣CXD長度後偏流角從β i變為β 2的示意圖；
[0029]圖6是本發明滿足對同一區域成像的條件時對衛星偏航角進行調整的最短時間，其中，圖6a?c分別為不同緯度下三個姿態角都為0°、不同滾動角與不同俯仰角(0°、10°、20°、30°、40° )需要對偏航角進行調整的時間間隔，圖6d為北緯40°時不同滾動角且不同俯仰角時需要對偏航角進行調整的時間間隔；
[0030]圖7是本發明衛星定標模式下的輸出圖像與旋轉45°後的示意圖。
【具體實施方式】
[0031]對非均勻場景同一區域成像的姿態調整與非線性定標方法，具體步驟如圖1所示，該方法由以下步驟實現:
[0032]1、衛星需要在軌定標時，根據像移速度計算初始偏流角β ο,並根據初始偏流角調整衛星偏航角，調整的方式為將衛星偏航角逆時針旋轉90° -Ptl，進入對非均勻場景同一區域成像的定標模式。
[0033]對非均勻場景同一區域成像的定標模式是將線陣CCD陣列的方向排布成與衛星運動方向相近的方式，使得線陣CCD陣列能夠順序的對非均勻場景的同一區域成像，這樣就可以獲得不同CCD探測器對非均勻場景同一區域成像的大量數據。
[0034]線陣CXD相機在軌運行期間對地觀測，由於地球自轉導致線陣CXD運動的投影線速度方向與相機相對被攝目標的移動方向不一致，兩者之間的夾角即為偏流角。在執行定標任務時，根據衛星的姿態速度、所攝景物星下點的地理位置和高度、相機的焦距等參數，建立從地理坐標系G到像面坐標系P的變換關係(參見:航天光學遙感器像移速度矢計算數學模型，光學學報，24 (12)，2004年):[0035]
【權利要求】
1.對非均勻場景同一區域成像的姿態調整與非線性定標方法，其特徵在於，通過以下步驟實現: (I )衛星需要在軌定標時，根據像移速度計算初始偏流角β O，並根據初始偏流角調整衛星偏航角，調整的方式為將衛星偏航角逆時針旋轉90° -1n，進入對非均勻場景同一區域成像的定標模式； (2)在定標模式的成像過程中，通過對衛星姿態的調整控制線陣CXD成像的推掃方向，使得線陣CCD陣列能夠依次對非均勻場景同一區域成像，獲得線陣CCD陣列中不同CCD探測器對非均勻場景同一區域成像的圖像數據； (3)統計圖像數據的直方圖，判斷所獲得的圖像數據是否滿足進行非線性定標的條件，如果滿足則利用直方圖匹配方法建立非線性定標映射關係表，否則轉步驟(4)； (4)重新確定成像場景，執行步驟(1)、(2)，得到新的圖像數據，將新的圖像數據與之前的圖像數據一起組成待統計的圖像數據，執行步驟(3 )。
2.根據權利要求1所述的對非均勻場景同一區域成像的姿態調整與非線性定標方法，其特徵在於:所述步驟(2)中通過對衛星姿態的調整控制線陣CCD成像的推掃方向通過以下步驟實現: (2.1)將衛星偏航角調整後的時刻t作為起始時刻，t等於0，計算該時刻的偏流角為β i，令步進次數η等於I，繼續執行步驟(2.2)； (2.2)計算t等於nXLXTint時刻的偏流角為β 2，LXTint為時間間隔步長，其中，L為線陣CCD的長度，即線陣CCD包含的探測器個數，Tint為線陣CCD的積分時間； (2.3)計算整個線陣(XD首末`兩個探測器的像移大小Ad，Ad=LXtanlP2-P1I,.表示取絕對值，如果Ad小於預設閾值δ，則不需要對當前時刻的衛星偏航角進行調整，將β2賦值給P1、步進次數η值加I之後，重複步驟(2.2)，否則需要在當前η值所對應的時刻之前對衛星偏航角進行調整，即對衛星偏航角進行調整的時刻在(n-1) XLXTint~nXLXTint之間，令i=l，繼續步驟(2.4)精確計算對衛星偏航角調整的時刻； (2.4)對於時刻\=(η-1) XLXTint+i XTint, i=l, 2,…，L，該時刻\所對應的偏流角iV通過線性插值得到，iV =β JiX(P2-P1)/L，計算當前時刻第一個探測器與第i個探測器的像移大小Adi=IXtanI 2' -β」，當Adi小於閾值δ時,則i加I, i為小於L的整數，重複步驟(2.4)，當Adi大於閾值δ時，該時刻需要對衛星偏航角進行調整，調整後重新開始執行步驟(2.1)，直到在軌定標任務執行完畢。
3.根據權利要求1所述的對非均勻場景同一區域成像的姿態調整與非線性定標方法，其特徵在於:所述步驟(3)中判斷所獲得的圖像數據是否滿足進行非線性定標的條件通過以下步驟實現: (1)將[0，H)的灰度區間分成三個灰度子區間，分別為子區間[0，Η/4)、子區間[Η/4，3Η/4]以及子區間(3Η/4，H)，H為灰度級數； (2)統計圖像數據的直方圖，計算所獲得的圖像數據在上述三個灰度子區間的像素數目，分別記為A、M2、M3，並計算它們佔所獲得圖像數據的總像素數目N的百分比λ。λ2、λ 3，λ = (M1ZN) X 100%, λ 2= (Μ2/Ν) X 100%, λ 3= (Μ3/Ν) X 100% ； (3)如果λ,10%或λ2〈30%或λ 3〈10%，則定標模式下的所獲得的圖像數據不滿足進行非線性定標的條件，否則滿足進行非線性定標的條件。
【文檔編號】G01C11/02GK103776466SQ201410016678
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月14日 優先權日:2014年1月14日
【發明者】李海超, 滿益雲, 陳亮 申請人:中國空間技術研究院