一种面阵旋转扫描航天相机成像系统的参数设计方法

技术领域：

本发明涉及到航天相机设计领域，具体指一种面阵旋转扫描航天相机成像系统的关键参数设计。

背景技术：
：

宽幅高分辨率成像是当今光学遥感相机的发展趋势。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、扫描成像。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系统的数量、体积、重量、功耗，硬件成本巨大。目前一种新型的面阵旋转扫描航天相机利用简单的旋转机构即可对地物的旋转扫描进而实现超宽幅覆盖，但是对于这种面阵旋转扫描航天相机的系统参数设计研究较少，现有的相关文献只对个别系统参数进行了设计需求的研究，亟需提出一种包括完整系统参数的系统设计方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于弥补现有技术的上述空白，解决面阵旋转扫描航天相机的系统参数设计问题。

本发明所述一种面阵旋转扫描航天相机的系统设计方法，该方法将基于四个关键性能指标，包括幅宽、分辨率、帧间重叠率、信噪比，通过分析以上四个性能指标与相机系统参数之间的关系，提出一种基于多目标优化的系统参数设计方法，为面阵旋转扫描航天相机的系统参数设计提供技术支持。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

步骤一，选定面阵探测器规模(m，n)，根据相机成像系统的幅宽sw、地面分辨率gsd要求，利用次要目标约束化结合内点法的优化方法，得到相机成像系统的轨道高度h、相机安装倾角θ、镜头焦距f和探测器像元尺寸a：

以设计幅宽sw和分辨率gsd分别达到目标幅宽sw0＝1000km和目标分辨率gsd0＝1m为约束条件，优化目标设定为相机角分辨率ε最大：

采用次要目标约束化的思想将多目标非线性约束的优化问题化为单目标约束问题求解，将前两个优化目标设置为约束，对于轨道发射能耗控制要求轨道高度约束在范围[h1，h2]；对于转动机构稳定性要求相机安装倾角约束在范围[θ1，θ2]；对于探测器制造能力要求像元尺寸a约束在范围[a1，a2]；对于镜头设计能力要求焦距f约束在范围[f1，f2]，则优化问题表述为：

其中，

sw(h，θ，a，f)＝2re·θe(x1，y1)

θ(x，y)＝arccos(cos(θ+arctan(xε))cos(arctan(yε)))

式中，θe(x，y)为以地心为顶点两边分别穿过像素点和星下点形成的夹角，θ(x，y)为像素点对应的视线指向与天底方向的夹角，参数re为地球半径，h为轨道高度，a为像元尺寸，f为镜头焦距，(x，y)为所求像素点坐标，(x1，y1)为探测器外边缘中点像素点坐标

步骤二，为实现“无缝漏扫”的目标，需要满足“拼接帧间不漏扫”的条件，对系统的旋转扫描转速提出了设计要求。由此确定一维扫描系统的旋转扫描转速ωscan：

其中，

dver＝re·θe(x1，y1)-re·θe(x2，y2)

式中，dver为四边形覆盖区域在垂直扫描方向的边长，v为轨道运行速度，tscan为旋转扫描的扫描周期，k为拼接帧间重叠率，(x2，y2)点为探测器内边缘中像素点坐标

步骤三，为实现“无缝漏扫”的目标，要满足“扫描帧间不漏扫”的条件，为系统的帧频提出了设计要求。由此确定探测器系统帧频ftps：

其中，

r(x，y)＝l(x，y)·sinθ(x，y)

式中，η为扫描帧间重叠率，r(x，y)为像素点(x，y)对应视线在垂直扫描方向上在地面形成的相邻帧之间的扫描弧长，dpara为四边形覆盖区域在沿着扫描方向的边长，l(x，y)为相机中心点到像素坐标(x，y)对应地面点的距离，α为视轴方向与(x，y)对应地面点指向地心方向的夹角，area_lap为相邻扫描帧之间的重叠面积，area_single_img为单帧面积；

步骤四，对于成像后的目标检测阶段，图像信噪比是图像质量的关键衡量指标，而积分时间tint的取值对于成像系统的信噪比snr影响至关重要，因此根据信噪比snr的取值要求进行积分时间tint的选取：

snr＞snr0

信噪比snr的计算公式如下：

由此得到探测器系统积分时间tint参数的确定方法如下：

其中，

式中，为探测器接收目标辐射通量和为背景反射进入瞳面的辐射通量，snr0为目标检测要求的最小信噪比，h为普朗克常量，c为光速，λ为波长，η为量子效率，tint为积分时间，nshot为散粒噪声电子数，nread为读出电路噪声，ρtarget为目标反射率，ρbackgrd为背景反射率，s为太阳常数，m为太阳质量，θz为太阳高度角，atarget为目标面积，τ0为大气垂直透过率，θz为太阳高度角，θtarget为目标反射面法线与反射光线夹角，θcamera为相机视线天顶角，l为相机到目标之间的距离，为入瞳面积，ωentrance_pupil为目标对应的入射立体角，τoptic为光学透过率；

步骤五，镜头视场θfov_optic、镜头口径d参数的确定方法如下：

由光学极限角分辨率其中λ为探测器中心探测波长，令光学极限角分辨率约等于探测器极限角分辨由此得到系统口径d。

由探测器对应视场角其中n为探测器在视场方向的像元数目，欲使得探测器利用率最大，应使得光学视场角大于等于探测器视场角θfov_optic≥θfov_detector，由此得到光学系统视场角设计要求θfov_optic。

由此得到了包括镜头设计参数、扫描控制参数、探测器参数在内的所有关键系统参数。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明针对一种新型的面阵旋转扫描航天相机，提出一种系统参数设计方法，该方法可以实现简单快速地根据大幅宽高分辨率、无缝扫描、高信噪比的性能指标要求得到一套系统参数。对于这种新型的旋转成像方式，目前现有的研究未对所有参数的相互耦合关系进行讨论，也未从系统设计角度提出流程化的设计方法。本发明方法简单可行，能快速实现旋转扫描成像系统参数的设计。

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为面阵旋转扫描航天相机参数设计方法的流程框图；

图2为扫描帧间扫描覆盖情况示意图，其中图(a)为η＜0示意图，图(b)为η＝0示意图，图(c)为η＞0示意图；

图3为拼接帧间扫描覆盖情况示意图，其中图(a)为k＜1示意图，图(b)为k＝1示意图，图(c)为k＞1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：

假设选定面阵探测器规模(m，n)＝(3k，4k)，相机成像系统的幅宽sw要求和地面分辨率gsd要求分别为目标幅宽sw0＝1000km和目标分辨率gsd0＝1m，同时要求无漏扫区域k＝1.1，η＝0.1，且满足目标检测的需求snr＞5。由此展开面阵旋转扫描成像系统的参数设计。

步骤一，选定面阵探测器规模(m，n)，根据相机成像系统的幅宽sw、地面分辨率gsd要求，利用次要目标约束化结合内点法的优化方法，得到相机成像系统的轨道高度h、相机安装倾角θ、镜头焦距f和探测器像元尺寸a：以设计幅宽sw和分辨率gsd分别达到目标幅宽sw0＝1000km和目标分辨率gsd0＝1m为约束条件，优化目标设定为相机角分辨率ε最大：

采用次要目标约束化的思想将多目标非线性约束的优化问题化为单目标约束问题求解，将前两个优化目标设置为约束，则优化问题表述为：

依据经验对以上各个参数取值进行约束，对于轨道发射能耗控制要求轨道高度h约束在[h1，h2]范围[100km，1000km]；对于转动机构稳定性要求相机安装倾角θ约束在[θ1，θ2]范围[0°，60°]；对于探测器制造能力要求像元尺寸a约束在[a1，a2]范围[1μm，20μm]；对于镜头设计能力要求焦距f约束在[f1，f2]范围[0m，20m]。

其中，

sw(h，θ，a，f)＝2re·θe(x1，y1)

θ(x，y)＝arccos(cos(θ+arctan(xε))cos(arctan(yε)))

式中，θe(x，y)为以地心为顶点两边分别穿过像素点和星下点形成的夹角，θ(x，y)为像素点对应的视线指向与天底方向的夹角，参数re为地球半径，h为轨道高度，a为像元尺寸，f为镜头焦距，(x，y)为所求像素点坐标，(x1，y1)为探测器外边缘中点像素点坐标

利用以(h，θ，f，a)＝(500km，45°，1m，5μm)为初始条件，利用内点法求解即可得到一组最优解参数(h，θ，f，a)＝(500km，43.8°，1.09m，1μm)；

步骤二，为实现“无缝漏扫”的目标，需要满足“拼接帧间不漏扫”的条件，对系统的旋转扫描转速提出了设计要求。由此确定一维扫描系统的旋转扫描转速ωscan：

其中，

dver＝re·θe(x1，y1)-re·θe(x2，y2)

式中，k为拼接帧间重叠率，dver为四边形覆盖区域在垂直扫描方向的边长，v为轨道运行速度，tscan为旋转扫描的扫描周期，(x2，y2)点为探测器内边缘中像素点坐标

拼接帧间重叠率取k＝1.1，同时代入步骤一中求解得到的(h，θ，f，a)，由此得到一维扫描系统的旋转扫描转速的设计结果ωscan＝469°/s；

步骤三，为实现“无缝漏扫”的目标，要满足“扫描帧间不漏扫”的条件，为系统的帧频提出了设计要求。由此确定探测器系统帧频ftps：

其中，

r(x，y)＝l(x，y)·sinθ(x，y)

式中，η为扫描帧间重叠率，r(x，y)为像素点(x，y)对应视线在垂直扫描方向上在地面形成的相邻帧之间的扫描弧长，dpara为四边形覆盖区域在沿着扫描方向的边长，l(x，y)为相机中心点到像素坐标(x，y)对应地面点的距离，α为视轴方向与(x，y)对应地面点指向地心方向的夹角，area_lap为相邻扫描帧之间的重叠面积，area_single_img为单帧面积；

扫描帧间重叠率取η＝0.1，同时代入步骤一中求解得到的(h，θ，ε)，由此得到探测器系统帧设计结果频ftps＝1.7khz；

步骤四，对于成像后的目标检测阶段，图像信噪比是图像质量的关键衡量指标，而积分时间tint的取值对于成像系统的信噪比snr影响至关重要，因此根据信噪比snr的取值要求进行探测器系统积分时间tint的选取：

snr＞snr0

信噪比snr的计算公式如下：

由此得到探测器系统积分时间tint参数的确定方法如下：

其中，

式中，为探测器接收目标辐射通量和为背景反射进入瞳面的辐射通量，snr0为目标检测要求的最小信噪比，h为普朗克常量，c为光速，λ为波长，η为量子效率，tint为积分时间，nshot为散粒噪声电子数，nread为读出电路噪声，ρtarget为目标反射率，ρbackgrd为背景反射率，s为太阳常数，m为太阳质量，θz为太阳高度角，atarget为目标面积，τ0为大气垂直透过率，θz为太阳高度角，θtarget为目标反射面法线与反射光线夹角，θcamera为相机视线天顶角，l为相机到目标之间的距离，为入瞳面积，ωentrance_pupil为目标对应的入射立体角，τoptic为光学透过率；

假设目标为白色涂层的飞机，背景为水面，各参数取值：量子效率η＝0.1，读出电路噪声nread＝3e-，目标反射率ρtarget＝0.9，背景反射率ρbackgrd＝0.1，太阳常数s＝1367w·m-2，太阳高度角θz＝0°，目标面积atarget＝1m2，大气垂直透过率τ0＝0.7，目标反射面法线与反射光线夹角θtarget＝45°，相机视线天顶角θcamera＝45°，光学透过率τoptic＝0.58，目标检测要求的最小信噪比snr0＝5，由此代入计算得到探测器系统积分时间的取值要求为tint＞198μs；

步骤五，镜头视场θfov_optic、镜头口径d参数的确定方法如下：

由光学极限角分辨率其中探测器中心探测波长取值为可见光中心波长λ＝550nm，令光学极限角分辨率约等于探测器极限角分辨εoptic≈εdetector，由此得到系统口径d＝0.73m。

由探测器对应视场角其中n为探测器在视场方向的像元数目，欲使得探测器利用率最大，应使得光学视场角大于等于探测器视场角θfov_optic≥θfov_detector，由此得到光学系统视场角设计要求θfov_optic≥0.21°。

由此得到了包括镜头设计参数、扫描控制参数、探测器参数在内的所有关键系统参数。

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。