考慮衛(wèi)星綜合運(yùn)動(dòng)的凝視成像仿真及質(zhì)量評(píng)估方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及遙感衛(wèi)星圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種考慮衛(wèi)星綜合運(yùn)動(dòng)的凝 視成像仿真及質(zhì)量評(píng)估方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，國內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)相繼開展大量對(duì)敏捷成像遙感衛(wèi)星的研制工作，特 別是低軌視頻小衛(wèi)星，已成為目標(biāo)追蹤、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域潛在的最具商業(yè)價(jià)值的遙感觀測(cè) 手段。敏捷成像遙感衛(wèi)星通過姿態(tài)機(jī)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的凝視成像，在短時(shí)間內(nèi)獲取目標(biāo)地物 的多張面陣序列影像，可快速獲取目標(biāo)信息，還可以通過將多幀影像合成視頻，提供目標(biāo)地 物的動(dòng)態(tài)信息。目前敏捷衛(wèi)星凝視成像的應(yīng)用還處于發(fā)展初期，受制于姿態(tài)指向精度、姿態(tài) 穩(wěn)定度、衛(wèi)星平臺(tái)顫振、載荷成像能力等影響，其在復(fù)雜運(yùn)動(dòng)模式下的成像質(zhì)量是否滿足應(yīng) 用需求仍有待研究。
[0003] 敏捷衛(wèi)星目標(biāo)凝視成像仿真通過對(duì)敏捷衛(wèi)星凝視成像過程進(jìn)行理論建模和仿真 分析，直觀地分析和評(píng)測(cè)影響凝視成像圖像質(zhì)量的內(nèi)外因素和作用機(jī)制，具有十分重要的 應(yīng)用價(jià)值。通過對(duì)敏捷遙感衛(wèi)星目標(biāo)凝視成像仿真，可在衛(wèi)星系統(tǒng)論證階段進(jìn)行有針對(duì)性 的任務(wù)規(guī)劃及參數(shù)設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)投產(chǎn)之前對(duì)其整體性能進(jìn)行預(yù)估，以確定系統(tǒng)的成像質(zhì)量 是否滿足應(yīng)用需求，盡早發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)設(shè)計(jì)中存在的不足，從而達(dá)到提高研制水平、縮短研制 周期、節(jié)約研制成本的目的。
[0004] 因此，如何建立一種敏捷衛(wèi)星目標(biāo)凝視成像圖像仿真模型、如何仿真多種運(yùn)動(dòng)誤 差耦合的成像過程并對(duì)其成像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估是本發(fā)明重點(diǎn)解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的一個(gè)技術(shù)問題是：如何針對(duì)敏捷衛(wèi)星目標(biāo)凝視成像，以及如何在 設(shè)計(jì)階段根據(jù)衛(wèi)星平臺(tái)和載荷設(shè)計(jì)參數(shù)及應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)一種自動(dòng)計(jì)算凝視成像姿態(tài)機(jī)動(dòng) 角度、模擬衛(wèi)星綜合運(yùn)動(dòng)下的凝視成像仿真及成像質(zhì)量評(píng)估方法及裝置。
[0006] 本發(fā)明提供了一種考慮衛(wèi)星綜合運(yùn)動(dòng)的凝視成像仿真及成像質(zhì)量評(píng)估方法，包 括：根據(jù)應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)載荷物理參數(shù)指標(biāo)；根據(jù)衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)計(jì)指標(biāo)，仿真理想狀態(tài)下衛(wèi)星 運(yùn)動(dòng)軌跡，并進(jìn)行攝動(dòng)因素改正；根據(jù)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌跡及成像目標(biāo)地理位置，自動(dòng)計(jì)算衛(wèi)星凝 視成像時(shí)刻的姿態(tài)機(jī)動(dòng)角度，并進(jìn)行偏流角校正；根據(jù)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌跡及曝光時(shí)刻姿態(tài)數(shù)據(jù)、 相機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)，高精度DOM數(shù)據(jù)以及對(duì)應(yīng)范圍內(nèi)的EffiM數(shù)據(jù)，生成理想凝視成像仿真圖像， 所述理想凝視成像仿真圖像為瞬時(shí)凝視成像仿真圖像，通過離散化曝光時(shí)間，生成曝光時(shí) 間內(nèi)考慮衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)誤差的瞬時(shí)仿真圖像序列，并合成一次曝光的仿真圖像，評(píng)估設(shè)計(jì)指標(biāo) 下衛(wèi)星綜合運(yùn)動(dòng)下目標(biāo)凝視成像的成像質(zhì)量。
[0007] 進(jìn)一步地，根據(jù)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌跡及成像目標(biāo)地理位置，自動(dòng)計(jì)算衛(wèi)星凝視成像時(shí)刻 的姿態(tài)機(jī)動(dòng)角度，并進(jìn)行偏流角校正，包括：（1)定義姿態(tài)機(jī)動(dòng)坐標(biāo)系及轉(zhuǎn)序，衛(wèi)星姿態(tài)機(jī) 動(dòng)成像時(shí)采用俯仰pitch角和側(cè)擺roll角機(jī)動(dòng)；（2)由成像目標(biāo)經(jīng)煒度坐標(biāo)，結(jié)合DEM 數(shù)據(jù)，得到成像目標(biāo)在地理坐標(biāo)系中的坐標(biāo)（LonT，LatT，Ητ)，轉(zhuǎn)換到像空間坐標(biāo)系下坐標(biāo) (XTC，YTC，Ztc) ; (3)根據(jù)某一成像時(shí)刻衛(wèi)星在像空間坐標(biāo)系中的坐標(biāo)（Xsc，Ysc，Zsc)，計(jì)算衛(wèi)星 姿態(tài)機(jī)動(dòng)后指向目標(biāo)地物的矢量在像空間坐標(biāo)系下的單位矢量Z' N; (4)計(jì)算姿態(tài)機(jī)動(dòng)的 旋轉(zhuǎn)矩陣，根據(jù)轉(zhuǎn)序計(jì)算姿態(tài)機(jī)動(dòng)俯仰角pitch和側(cè)擺角roll ;(5)根據(jù)衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)及相 機(jī)參數(shù)，計(jì)算偏流角改正值，將其加在偏航角yaw上，輸出姿態(tài)序列。
[0008] 進(jìn)一步地，根據(jù)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌跡及曝光時(shí)刻姿態(tài)數(shù)據(jù)、相機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)，高精度DOM數(shù) 據(jù)以及對(duì)應(yīng)范圍內(nèi)的EffiM數(shù)據(jù)，生成理想凝視成像仿真圖像包括：建立敏捷衛(wèi)星目標(biāo)凝視 成像的嚴(yán)格幾何模型；根據(jù)嚴(yán)格成像幾何模型及DEM高程數(shù)據(jù)，由像方坐標(biāo)迭代求解對(duì)應(yīng) 地面點(diǎn)坐標(biāo)，并讀取DOM數(shù)據(jù)中相應(yīng)位置的紋理信息，通過灰度插值得到仿真圖像。
[0009] 進(jìn)一步地，所述通過離散化曝光時(shí)間，生成曝光時(shí)間內(nèi)考慮衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)誤差的瞬時(shí) 仿真圖像序列，并合成一次曝光的仿真圖像，評(píng)估設(shè)計(jì)指標(biāo)下衛(wèi)星綜合運(yùn)動(dòng)下目標(biāo)凝視成 像的成像質(zhì)量包括：根據(jù)衛(wèi)星及載荷設(shè)計(jì)參數(shù)，離散化曝光時(shí)間，計(jì)算產(chǎn)生1/N個(gè)像素像移 的時(shí)間間隔At，由曝光時(shí)間及合成圖像時(shí)間間隔At，得到一次曝光內(nèi)的瞬時(shí)成像時(shí)間序 列，其中N>1，△ t小于曝光時(shí)間；根據(jù)瞬時(shí)成像時(shí)間序列插值出對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星軌道序列和姿 態(tài)序列；添加姿態(tài)指向精度、姿態(tài)穩(wěn)定度、衛(wèi)星平臺(tái)顫振等運(yùn)動(dòng)誤差項(xiàng)，生成成像軌道、姿態(tài) 數(shù)據(jù)；得到瞬時(shí)凝視成像仿真圖像序列，并合成一次曝光時(shí)間的仿真圖像；使用刃邊法計(jì) 算理想仿真圖像與合成仿真圖像的MTF曲線，評(píng)估目標(biāo)凝視成像的成像質(zhì)量。
[0010] 本發(fā)明還提供一種考慮衛(wèi)星綜合運(yùn)動(dòng)的凝視成像仿真與質(zhì)量評(píng)估裝置，包括：載 荷物理參數(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)模塊，用于根據(jù)應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)載荷物理參數(shù)指標(biāo)；衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌跡仿真 模塊，用于根據(jù)衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)計(jì)指標(biāo)，仿真理想狀態(tài)下衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌跡，并進(jìn)行攝動(dòng)因素改正； 凝視成像姿態(tài)計(jì)算模塊，用于根據(jù)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌跡及成像目標(biāo)地理位置，自動(dòng)計(jì)算衛(wèi)星凝視 成像時(shí)刻的姿態(tài)機(jī)動(dòng)角度，并進(jìn)行偏流角校正；成像仿真圖像生成模塊，用于根據(jù)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng) 軌跡及曝光時(shí)刻姿態(tài)機(jī)動(dòng)角度數(shù)據(jù)、相機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)，高精度DOM數(shù)據(jù)以及對(duì)應(yīng)范圍內(nèi)的DEM 數(shù)據(jù)，生成仿真圖像；衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)誤差仿真模塊，考慮衛(wèi)星在軌時(shí)的綜合運(yùn)動(dòng)情況，添加姿態(tài) 指向精度、姿態(tài)穩(wěn)定度、衛(wèi)星平臺(tái)顫振等運(yùn)動(dòng)誤差項(xiàng)，生成成像軌道、姿態(tài)數(shù)據(jù)；成像質(zhì)量評(píng) 估模塊，使用刃邊法統(tǒng)計(jì)圖像MTF值，實(shí)現(xiàn)成像質(zhì)量評(píng)估。
[0011] 本發(fā)明提供的考慮衛(wèi)星綜合運(yùn)動(dòng)的凝視成像仿真與質(zhì)量評(píng)估方法及裝置，通過建 立目標(biāo)凝視成像姿態(tài)機(jī)動(dòng)模型、面陣相機(jī)物理參數(shù)模型及幾何構(gòu)像模型、衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)誤差模 型和成像質(zhì)量評(píng)估模型，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星綜合運(yùn)動(dòng)下的目標(biāo)凝視成像圖像仿真，并對(duì)由衛(wèi)星綜 合運(yùn)動(dòng)下的凝視成像圖像質(zhì)量進(jìn)行了定量評(píng)估，從而指導(dǎo)衛(wèi)星及載荷設(shè)計(jì)方提出符合應(yīng)用 需求的合理化指標(biāo)。
[0012] 本發(fā)明提供的考慮衛(wèi)星綜合運(yùn)動(dòng)的凝視成像仿真與質(zhì)量評(píng)估方法及裝置，用于在 敏捷衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段針對(duì)平臺(tái)及載荷不同設(shè)計(jì)指標(biāo)下的考慮衛(wèi)星綜合運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)凝視 成像圖像仿真及成像質(zhì)量評(píng)估；根據(jù)分析結(jié)果對(duì)系統(tǒng)指標(biāo)設(shè)計(jì)提出合理化建議，指導(dǎo)衛(wèi)星 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和論證。
【附圖說明】
[0013] 圖1示出本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的考慮衛(wèi)星綜合運(yùn)動(dòng)的凝視成像仿真及質(zhì)量評(píng)估的 流程圖。
[0014] 圖2示出本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的敏捷衛(wèi)星凝視成像仿真及質(zhì)量評(píng)估的流程圖。
[0015] 圖3-7示出本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的敏捷衛(wèi)星目標(biāo)凝視成像仿真系統(tǒng)界面的示意圖。
[0016] 圖8示出本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的敏捷衛(wèi)星目標(biāo)凝視成像姿態(tài)機(jī)動(dòng)角度的示意圖，其 中包括目標(biāo)凝視成像11個(gè)成像時(shí)刻的姿態(tài)機(jī)動(dòng)角度。
[0017] 圖9和圖10分別示出設(shè)定衛(wèi)星載荷設(shè)計(jì)指標(biāo)下不同曝光時(shí)間長度（瞬時(shí)， 0. 25ms，0. 5ms，Ims)對(duì)應(yīng)的仿真圖像生成及MTF曲線（姿態(tài)穩(wěn)定度0.00Γ /s，顫振頻率 1170HZ，幅度 0· 00Γ，離散間隔 0· 05ms)。
[0018] 圖11示出本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的考慮衛(wèi)星綜合運(yùn)動(dòng)的凝視成像仿真與質(zhì)量評(píng)估裝 置的結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更全面的描述，其中說明本發(fā)明的示例性實(shí)施例。
[0020] 圖1示出本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的考慮衛(wèi)星綜合運(yùn)動(dòng)的凝視成像仿真的流程圖。圖2 示出本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的考慮衛(wèi)星綜合運(yùn)動(dòng)的凝視成像仿真與質(zhì)量評(píng)估方法的流程圖。 如圖1-2所示，該方法主要包括：
[0021] 步驟101，根據(jù)應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)載荷物理參數(shù)指標(biāo)。
[0022] 具體地，載荷物理參數(shù)指標(biāo)包括如面陣相機(jī)傳感器大小及探元尺寸、焦距、曝光時(shí) 間、相機(jī)安裝角等。
[0023] 步驟102,根據(jù)衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)計(jì)指標(biāo)，仿真理想狀態(tài)下衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌跡，并進(jìn)行攝動(dòng)因 素改正。
[0024] 具體地，根據(jù)衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)計(jì)指標(biāo)和初始軌道數(shù)據(jù)，利用數(shù)值積分的