對非均勻場景同一區(qū)域成像的姿態(tài)調(diào)整與非線性定標(biāo)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及對非均勻場景同一區(qū)域成像的姿態(tài)調(diào)整與非線性定標(biāo)方法，包括以下步驟：計算衛(wèi)星成像的初始偏流角并調(diào)整衛(wèi)星偏航角，轉(zhuǎn)入對非均勻場景同一區(qū)域成像的定標(biāo)模式；在定標(biāo)模式的成像過程中采取從粗到細的時間間隔步長精確計算像移大小，通過調(diào)整衛(wèi)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(qū)域成像；判斷所獲得的圖像數(shù)據(jù)是否滿足進行非線性定標(biāo)的條件，如果滿足則基于直方圖匹配建立非線性定標(biāo)映射關(guān)系表，否則重新確定成像場景繼續(xù)執(zhí)行在軌定標(biāo)獲取更多的圖像數(shù)據(jù)。本發(fā)明對地面場景的要求寬松，不需要較均勻的場景，非均勻場景即可滿足定標(biāo)任務(wù)，衛(wèi)星運行的每軌都可實現(xiàn)定標(biāo)，定標(biāo)頻次高。
【專利說明】對非均勻場景同一區(qū)域成像的姿態(tài)調(diào)整與非線性定標(biāo)方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及對非均勻場景同一區(qū)域成像的姿態(tài)調(diào)整與非線性定標(biāo)方法，屬于遙感衛(wèi)星定標(biāo)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別用于光學(xué)遙感衛(wèi)星線陣CXD相機對非均勻場景同一區(qū)域成像的姿態(tài)調(diào)整與非線性定標(biāo)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，光學(xué)遙感衛(wèi)星線陣C⑶相機主要采用推掃式成像方式獲取衛(wèi)星影像。但是，遙感衛(wèi)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(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)和CCD探測器等響應(yīng)的不一致性，直接表現(xiàn)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(xiàn)一些“條帶”或“條紋”現(xiàn)象。相對輻射定標(biāo)的目的就是獲取相對輻射定標(biāo)系數(shù)，并且利用系數(shù)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(yīng)。
[0003]通常有以下幾種方法獲取光學(xué)遙感衛(wèi)星的相對輻射定標(biāo)系數(shù)。①衛(wèi)星發(fā)射前的實驗室定標(biāo)法，該方法通過實驗室多個定標(biāo)燈圖像數(shù)據(jù)獲得定標(biāo)系數(shù)，但是衛(wèi)星經(jīng)過從發(fā)射到在軌運行后，所攜帶的器件將會發(fā)生一定的變化。②利用星上定標(biāo)裝置進行在軌定標(biāo)，該種方法需要標(biāo)準(zhǔn)的星上定標(biāo)源，但是由于定標(biāo)源的穩(wěn)定性不高，因此這種定標(biāo)方法的應(yīng)用效率低。③在地面建設(shè)大面積的均勻定標(biāo)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(biāo)一次耗費的周期很長，并且目標(biāo)單一，難以實現(xiàn)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(xiàn)高精度的非線性定標(biāo)。⑤基于多軌數(shù)據(jù)的在軌統(tǒng)計法，也是目前應(yīng)用比較廣的一種方法，該方法需要累積多軌圖像數(shù)據(jù)，基于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(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。⑥國外針對敏捷衛(wèi)星提出的Side-slither定標(biāo)方法(參見 Radiometric correction of RapidEye imagery using the on-orbitside-slither method, SPIE, 2011),將衛(wèi)星偏航角旋轉(zhuǎn)90° ,需要選擇雨林、沙漠、冰蓋等相對均勻的場景作為定標(biāo)源，因此，對定標(biāo)源的要求高，導(dǎo)致對定標(biāo)區(qū)域的選擇受限，從而影響了定標(biāo)頻次。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種與現(xiàn)有技術(shù)在原理和實現(xiàn)方法上有區(qū)別的對非均勻場景同一區(qū)域成像的姿態(tài)調(diào)整與非線性定標(biāo)方法，該方法對定標(biāo)場景的要求較低，不需要地面相對均勻的定標(biāo)場景，非均勻場景即可滿足要求，因此，衛(wèi)星運行的每軌都可以實現(xiàn)定標(biāo)，能夠滿足高頻次的定標(biāo)需求。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:對非均勻場景同一區(qū)域成像的姿態(tài)調(diào)整與非線性定標(biāo)方法，通過以下步驟實現(xiàn):
[0006]( I)衛(wèi)星需要在軌定 標(biāo)時，根據(jù)像移速度計算初始偏流角β C1,并根據(jù)初始偏流角調(diào)整衛(wèi)星偏航角，調(diào)整的方式為將衛(wèi)星偏航角逆時針旋轉(zhuǎn)90° -Ptl，進入對非均勻場景同一區(qū)域成像的定標(biāo)模式；
[0007](2)在定標(biāo)模式的成像過程中，通過對衛(wèi)星姿態(tài)的調(diào)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(qū)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(qū)域成像的圖像數(shù)據(jù)；
[0008](3)統(tǒng)計圖像數(shù)據(jù)的直方圖，判斷所獲得的圖像數(shù)據(jù)是否滿足進行非線性定標(biāo)的條件，如果滿足則利用直方圖匹配方法建立非線性定標(biāo)映射關(guān)系表，否則轉(zhuǎn)步驟(4);
[0009](4)重新確定成像場景，執(zhí)行步驟(1)、(2)，得到新的圖像數(shù)據(jù)，將新的圖像數(shù)據(jù)與之前的圖像數(shù)據(jù)一起組成待統(tǒng)計的圖像數(shù)據(jù)，執(zhí)行步驟(3 )。
[0010]所述步驟(2)中通過對衛(wèi)星姿態(tài)的調(diào)整控制線陣CXD成像的推掃方向通過以下步驟實現(xiàn):
[0011](2.1)將衛(wèi)星偏航角調(diào)整后的時刻t作為起始時刻，t等于0，計算該時刻的偏流角為P1，令步進次數(shù)η等于1，繼續(xù)執(zhí)行步驟(2.2);
[0012](2.2)計算t等于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(shù)，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小于預(yù)設(shè)閾值δ，則不需要對當(dāng)前時刻的衛(wèi)星偏航角進行調(diào)
整，將β2賦值給P1、步進次數(shù)η值加I之后，重復(fù)步驟(2.2)，否則需要在當(dāng)前η值所對應(yīng)的時刻之前對衛(wèi)星偏航角進行調(diào)整，即對衛(wèi)星偏航角進行調(diào)整的時刻在(n-1) XLXTint~nXLXTint之間，令i=l，繼續(xù)步`驟(2.4)精確計算對衛(wèi)星偏航角調(diào)整的時刻；
[0014](2.4)對于時刻V (n-1) X LX Tint+i X Tint, i=l, 2，…，L，該時刻\所對應(yīng)的偏流角β2'通過線性插值得到，β2' =β JiXW2-P D/L，計算當(dāng)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(dāng)Adi小于閾值δ時，貝U i加1，i為小于L的整數(shù)，重復(fù)步驟(2.4)，當(dāng)Adi大于閾值δ時，該時刻需要對衛(wèi)星偏航角進行調(diào)整，調(diào)整后重新開始執(zhí)行步驟(2.1)，直到在軌定標(biāo)任務(wù)執(zhí)行完畢。
[0015]所述步驟(3)中判斷所獲得的圖像數(shù)據(jù)是否滿足進行非線性定標(biāo)的條件通過以下步驟實現(xiàn):
[0016](I)將[0，H)的灰度區(qū)間分成三個灰度子區(qū)間，分別為子區(qū)間[0，Η/4)、子區(qū)間[Η/4，3Η/4]以及子區(qū)間(3Η/4，H)，H為灰度級數(shù)；
[0017](2)統(tǒng)計圖像數(shù)據(jù)的直方圖，計算所獲得的圖像數(shù)據(jù)在上述三個灰度子區(qū)間的像素數(shù)目，分別記為Mp M2, M3,并計算它們占所獲得圖像數(shù)據(jù)的總像素數(shù)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(biāo)模式下的所獲得的圖像數(shù)據(jù)不滿足進行非線性定標(biāo)的條件，否則滿足進行非線性定標(biāo)的條件。
[0019]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有益效果為:
[0020](I)本發(fā)明充分利用衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整能力進行定標(biāo)，不需要星上定標(biāo)裝置，并且無需專門的地面相對均勻的場景作為定標(biāo)源，一般的非均勻?qū)Φ赜^測場景即可滿足定標(biāo)要求。
[0021](2)本發(fā)明在定標(biāo)模式的成像過程中采取從粗到細的時間間隔步長精確計算像移大小，通過調(diào)整衛(wèi)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(qū)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(qū)域成像的圖像數(shù)據(jù)。
[0022](3)本發(fā)明相比較基于大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計的相對輻射定標(biāo)方法，不需要積累多軌成像數(shù)據(jù)，對定標(biāo)源的要求不高，因此保證每軌都能實現(xiàn)定標(biāo)成像，實現(xiàn)高頻次的定標(biāo)，同一軌的定標(biāo)可滿足當(dāng)前軌數(shù)據(jù)的輻射校正需求，真正做到“所定即所用”，避免了由于不同軌數(shù)據(jù)之間的不穩(wěn)定差異所帶來的定標(biāo)源本身不可靠的問題。
[0023](4)本發(fā)明提出利用統(tǒng)計圖像的直方圖概率密度函數(shù)判斷所獲得的圖像是否滿足建立非線性定標(biāo)的要求，保證了定標(biāo)數(shù)據(jù)的有效性，靈活制定在軌定標(biāo)任務(wù)，并且利用直方圖匹配方法建立非線性定標(biāo)映射關(guān)系表，克服了由于相機光子噪聲、暗電流噪聲等導(dǎo)致的各個探測器之間的非線性響應(yīng)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(fā)明對非均勻場景同一區(qū)域成像的姿態(tài)調(diào)整與非線性定標(biāo)的流程圖；
[0025]圖2為常規(guī)成像模式與在軌定標(biāo)成像模式對比示意圖；
[0026]圖3是本發(fā)明通過仿真給出的在軌定標(biāo)時需要對衛(wèi)星偏航角進行調(diào)整的大小，其中，圖3a?c分別為三個姿態(tài)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(wèi)星偏航角進行調(diào)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(wèi)星偏航角進行調(diào)整的大??；
[0027]圖4是本發(fā)明定標(biāo)模式下整個線陣CCD陣列依次經(jīng)過同一區(qū)域的示意圖；
[0028]圖5是本發(fā)明像平面運行線陣CXD長度后偏流角從β i變?yōu)棣?2的示意圖；
[0029]圖6是本發(fā)明滿足對同一區(qū)域成像的條件時對衛(wèi)星偏航角進行調(diào)整的最短時間，其中，圖6a?c分別為不同緯度下三個姿態(tài)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(diào)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(diào)整的時間間隔；
[0030]圖7是本發(fā)明衛(wèi)星定標(biāo)模式下的輸出圖像與旋轉(zhuǎn)45°后的示意圖。
【具體實施方式】
[0031]對非均勻場景同一區(qū)域成像的姿態(tài)調(diào)整與非線性定標(biāo)方法，具體步驟如圖1所示，該方法由以下步驟實現(xiàn):
[0032]1、衛(wèi)星需要在軌定標(biāo)時，根據(jù)像移速度計算初始偏流角β ο,并根據(jù)初始偏流角調(diào)整衛(wèi)星偏航角，調(diào)整的方式為將衛(wèi)星偏航角逆時針旋轉(zhuǎn)90° -Ptl，進入對非均勻場景同一區(qū)域成像的定標(biāo)模式。
[0033]對非均勻場景同一區(qū)域成像的定標(biāo)模式是將線陣CCD陣列的方向排布成與衛(wèi)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(qū)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(qū)域成像的大量數(shù)據(jù)。
[0034]線陣CXD相機在軌運行期間對地觀測，由于地球自轉(zhuǎn)導(dǎo)致線陣CXD運動的投影線速度方向與相機相對被攝目標(biāo)的移動方向不一致，兩者之間的夾角即為偏流角。在執(zhí)行定標(biāo)任務(wù)時，根據(jù)衛(wèi)星的姿態(tài)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(shù)，建立從地理坐標(biāo)系G到像面坐標(biāo)系P的變換關(guān)系(參見:航天光學(xué)遙感器像移速度矢計算數(shù)學(xué)模型，光學(xué)學(xué)報，24 (12)，2004年):[0035]
【權(quán)利要求】
1.對非均勻場景同一區(qū)域成像的姿態(tài)調(diào)整與非線性定標(biāo)方法，其特征在于，通過以下步驟實現(xiàn): (I )衛(wèi)星需要在軌定標(biāo)時，根據(jù)像移速度計算初始偏流角β O，并根據(jù)初始偏流角調(diào)整衛(wèi)星偏航角，調(diào)整的方式為將衛(wèi)星偏航角逆時針旋轉(zhuǎn)90° -1n，進入對非均勻場景同一區(qū)域成像的定標(biāo)模式； (2)在定標(biāo)模式的成像過程中，通過對衛(wèi)星姿態(tài)的調(diào)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(qū)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(qū)域成像的圖像數(shù)據(jù)； (3)統(tǒng)計圖像數(shù)據(jù)的直方圖，判斷所獲得的圖像數(shù)據(jù)是否滿足進行非線性定標(biāo)的條件，如果滿足則利用直方圖匹配方法建立非線性定標(biāo)映射關(guān)系表，否則轉(zhuǎn)步驟(4)； (4)重新確定成像場景，執(zhí)行步驟(1)、(2)，得到新的圖像數(shù)據(jù)，將新的圖像數(shù)據(jù)與之前的圖像數(shù)據(jù)一起組成待統(tǒng)計的圖像數(shù)據(jù)，執(zhí)行步驟(3 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的對非均勻場景同一區(qū)域成像的姿態(tài)調(diào)整與非線性定標(biāo)方法，其特征在于:所述步驟(2)中通過對衛(wèi)星姿態(tài)的調(diào)整控制線陣CCD成像的推掃方向通過以下步驟實現(xiàn): (2.1)將衛(wèi)星偏航角調(diào)整后的時刻t作為起始時刻，t等于0，計算該時刻的偏流角為β i，令步進次數(shù)η等于I，繼續(xù)執(zhí)行步驟(2.2)； (2.2)計算t等于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(shù)，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小于預(yù)設(shè)閾值δ，則不需要對當(dāng)前時刻的衛(wèi)星偏航角進行調(diào)整，將β2賦值給P1、步進次數(shù)η值加I之后，重復(fù)步驟(2.2)，否則需要在當(dāng)前η值所對應(yīng)的時刻之前對衛(wèi)星偏航角進行調(diào)整，即對衛(wèi)星偏航角進行調(diào)整的時刻在(n-1) XLXTint~nXLXTint之間，令i=l，繼續(xù)步驟(2.4)精確計算對衛(wèi)星偏航角調(diào)整的時刻； (2.4)對于時刻\=(η-1) XLXTint+i XTint, i=l, 2,…，L，該時刻\所對應(yīng)的偏流角iV通過線性插值得到，iV =β JiX(P2-P1)/L，計算當(dāng)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(dāng)Adi小于閾值δ時,則i加I, i為小于L的整數(shù)，重復(fù)步驟(2.4)，當(dāng)Adi大于閾值δ時，該時刻需要對衛(wèi)星偏航角進行調(diào)整，調(diào)整后重新開始執(zhí)行步驟(2.1)，直到在軌定標(biāo)任務(wù)執(zhí)行完畢。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的對非均勻場景同一區(qū)域成像的姿態(tài)調(diào)整與非線性定標(biāo)方法，其特征在于:所述步驟(3)中判斷所獲得的圖像數(shù)據(jù)是否滿足進行非線性定標(biāo)的條件通過以下步驟實現(xiàn): (1)將[0，H)的灰度區(qū)間分成三個灰度子區(qū)間，分別為子區(qū)間[0，Η/4)、子區(qū)間[Η/4，3Η/4]以及子區(qū)間(3Η/4，H)，H為灰度級數(shù)； (2)統(tǒng)計圖像數(shù)據(jù)的直方圖，計算所獲得的圖像數(shù)據(jù)在上述三個灰度子區(qū)間的像素數(shù)目，分別記為A、M2、M3，并計算它們占所獲得圖像數(shù)據(jù)的總像素數(shù)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(biāo)模式下的所獲得的圖像數(shù)據(jù)不滿足進行非線性定標(biāo)的條件，否則滿足進行非線性定標(biāo)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(yōu)先權(quán)日:2014年1月14日
【發(fā)明者】李海超, 滿益云, 陳亮 申請人:中國空間技術(shù)研究院