一种高分辨率相机不同视场积分时间确定方法
【专利摘要】本发明一种高分辨率相机不同视场积分时间确定方法，首先确定精确计算积分时间需要的相机有关参数，并确定相机θ视场对应的Ф、θ角，分别准备卫星星历参数和卫星姿态参数；然后实现相机θ视场视向到WGS84坐标系的转换，并进行相机θ视场对应视向在WGS84坐标系下与地球椭球交汇确定摄影点的地理坐标，依据摄影点地理坐标与卫星位置便可以获得摄影点斜距。此外，计算相机θ视场对应摄影点在J2000坐标系下的运动速度，结合相机到WGS84坐标系的转换关系便可以确定摄影点像移。最后，根据计算得到的摄影点斜距和摄影点像移，按照本发明中的积分时间计算模型得到相机θ视场对应摄影点的积分时间。
【专利说明】一种高分辨率相机不同视场积分时间确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学遥感领域，涉及一种高分辨率相机不同视场积分时间确定方法。
【背景技术】
[0002] 目前，高分辨率相机一般均采用TDI推扫成像技术，以便相机既可以取得优异的 图像质量又还能实现相机的轻小型化设计。
[0003] 对于推扫成像的相机，地物在焦面成的图像移动一行所需要的时间即相机的行周 期，CCD生成电荷包转移一次的时间即为相机积分时间，通常相机积分时间的最大取值即为 相机的行周期。为保证相机系统具有较高的信噪比，一般设计相机积分时间与行周期相等， 即理想的积分时间为地物在焦面成的像移动一行所需要的时间，当满足此条件时，像的移 动速度和C⑶电荷包转移速度同步，不产生非正常的像移；否则，产生的非正常像移将导致 图像质量下降，即系统MTF下降。
[0004] 针对使用TDI推扫成像技术的高分辨率相机，其最突出的特点是能够利用多级光 敏兀对运动的同一地物多次积分，而每个光敏兀积分所得的较弱信号可叠加为一强信号输 出，但必须保证每一级光生电荷包的转移与焦面上图像的移动同步，否则任何的不同步都 将导致相机系统MTF下降。当相机使用的TDI级数越大，电荷包的转移速度与像的移动速 度不同步将导致非正常像移越明显，系统MTF下降越严重。
[0005] 在相机的瞬时视场角（IF0V)和C⑶行积分时间T 一定的情况下，为了保持地物图 像的移动速度与电荷包的转移速度同步，图像移动的角速度应该保持IF0V/T不变，根据相 机成像的三角关系，亦即地物相对相机在焦平面内沿飞行方向的速度分量与相机成像高度 的比值（简称速高比）应该是固定不变的。然而实际在轨飞行过程中，相机的成像高度会 随纬度的变化、地形的起伏以及卫星姿态等发生变化，卫星地物相对相机在焦平面内沿飞 行方向的速度分量也随纬度的不同而变化。因此，在相机成像过程中必须根据速高比的变 化实时进行积分时间的调整，亦即根据摄影点的速高比来调整相机要使用的积分时间，确 保相机使用的积分时间引起的非正常像移对相机系统MTF的影响最小。
[0006] 常规的积分时间计算一般根据卫星星历数据（包括时间、位置、速度，如图1)、卫 星姿态参数（包括时间、姿态，如图2)计算出摄影点速高比，然后根据相机像元尺寸、主距 计算积分时间，具体公式为：
[0007]
【权利要求】
1. 一种高分辨率相机不同视场积分时间确定方法，其特征在于步骤如下： 1) 建立相机积分时间计算模型：
式中，Tint为计算的积分时间；d为CCD像元尺寸；(Vg/L) θ为Θ视场对应摄影点像移 速度与摄影点斜距的比值；fe为相机Θ视场对应的视线长度，其与相机视主距&关系为： f e = f0/c〇S θ ； 其中，所述θ视场为与中心视场成夹角θ的视场； 定义坐标系以飞行方向为X向，指向地心方向为Ζ向，Υ向按右手定则确定；则沿Χ、Υ、 Ζ方向旋转口角的旋转矩阵如下：
2) 将Θ视场对应的视向转换到WGS84坐标系下，获得Θ视场在WGS84坐标系间的视 向
21) 根据Θ视场对应的视向与相机之间的转换关系 RCD = Rx(〇)Ry(0) 将Θ视场对应的视向转换到相机坐标系下；式中，Rm为Θ视场到相机的转换矩阵；Φ 为相机偏场角；θ = η · (F0V/2)，其中η取值范围为[-1，1]，FOV为相机的视场角； 22) 根据相机坐标系与卫星本体坐标系的转换关系
将相机坐标系下Θ视场对应的视向转换到卫星本体坐标系下；式中，RBC为相机到卫星 本体的转换矩阵；κ为相机绕偏航轴旋转的夹角；ω为相机经偏航旋转后的滚动轴旋转的 夹角；0为相机经上述两次旋转后经俯仰轴旋转的夹角； 23) 将卫星本体坐标系下Θ视场对应的视向转换到WGS84坐标系下；当获取的卫星姿 态为卫星本体相对于轨道系且转序为3-1-2的姿态角时，进入步骤231);当获取的卫星姿 态为卫星本体相对于J2000坐标系的四元数$时，进入步骤233); 231) 根据卫星本体坐标系与轨道坐标系的转换关系 Rbo = Ry (pitch) · Rx(roll) · Rz(yaw) 将卫星本体坐标系下Θ视场对应的视向转换到轨道坐标系下；式中，RM为卫星本体相 对轨道坐标系的转换矩阵；yaw为卫星本体相对轨道坐标系的偏航角；roll为卫星本体相 对轨道坐标系的滚动角；pitch为卫星本体相对轨道坐标系的俯仰角； 232) 根据轨道坐标系与WGS84坐标系的转换关系
将轨道坐标系下Θ视场对应的视向转换到WGS84坐标系下，获得Θ视场在WGS84坐 标系间的视向
并跳转至步骤3);式中，RWQ为轨道坐标系到WGS84坐标系的转换矩阵；
其中，
为轨道坐标系偏航轴，
为t时刻卫星的位置；
其中，
为轨道坐标系俯仰轴，
为t时刻卫星的运行速度；
其中，
为轨道坐标系滚动轴； 233) 根据卫星本体坐标系与J2000坐标系的转换关系
将卫星本体坐标系下Θ视场对应的视向转换到J2000坐标系下；式中，RBT为卫星本体 相对J2000坐标系的转换矩阵；
为卫星姿态四元数，其中％为标量部 分； 234) 根据J2000坐标系与WGS84坐标系的转换关系 RffJ = ff (t)R(t)Q(t) 将J2000坐标系下Θ视场对应的视向转换到WGS84坐标系，获得Θ视场在WGS84坐 标系间的视向
式中，Q(t)为岁差和章动矩阵，采用IERS2010协议模型；R(t)为地球自 转矩阵，其涉及到的时间差采用IERS广播的时间差数据拟合而成；W(t)为极移矩阵，采用 IERS广播的极移数据拟合而成； 3)获取摄影点斜距； 31)根据公式
及
计算获得摄影点Μ的位置坐标（X，Y，Z)，所述的摄影点Μ为Θ视场的视向对应的地面 点；式中，λ为比例因子，
A = a+h，B = b+h，a为WGS84椭球长半轴， b为WGS84椭球短半轴，h为摄影点高程； 32)根据步骤31)得到的摄影点Μ的位置坐标（X，Y，Z)，计算获得Θ视场对应摄影点 Μ的斜距
4) 获取摄影点像移； 41) 计算获得J2000坐标系下摄影点Μ相对于相机的速度
式中，
为摄影点Μ的转动速度，
为摄影点在J2000坐标系下相对相机的运动速 度，满足：
其中，
为摄影点Μ在平行于轨道面的切向速度；
为摄影点Μ在平行于轨道面的径 向速度；
为摄影点Μ在垂直于轨道面的法向速度；
为摄影点Μ相对卫星姿态转动的运 动速度； 42) 将J2000坐标系下摄影点Μ相对于相机的速度
转换到相机焦面并投影到推扫 方向，得到摄影点Μ的像移速度
式中，Vge为Θ视场对应的摄影点Μ的像移；
为摄影点Μ相对相机在J2000坐 标系下的速度；当获取的卫星姿态为卫星本体相对于轨道系且转序为3-1-2的姿态角时，
当获取的卫星姿态为卫星本体相对于J2000坐标系的四元数
时，
5) 根据步骤3)获得的摄影点斜距U以及步骤4)获得的Θ视场对应的摄影点Μ的 像移Vg0，利用步骤1)建立的模型，计算获得相机积分时间Tint。
【文档编号】H04N5/353GK104144304SQ201410320492
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年7月4日 优先权日:2014年7月4日
【发明者】赵鸿志, 王付刚, 孙峻, 曹启鹏, 朱军, 于生全 申请人:航天东方红卫星有限公司