TDI相机垂轨旋转摆扫成像的行频计算方法与流程

本发明涉及光电成像技术领域，具体涉及一种tdi相机垂轨旋转摆扫成像的行频计算方法。

背景技术：

目前，光学遥感卫星为实现更大范围内的推扫成像，已经由沿轨星下点或大侧摆推扫成像模式向垂轨旋转摆扫成像模式发展，沿轨推扫成像一般采用多个ccd拼接或者同时增大相机侧摆能力实现大范围区域内一定视场的推扫成像，无法实现超大幅宽范围成像，而垂轨旋转摆扫成像则是利用卫星快速旋转使与卫星飞行方向平行的线阵ccd探测器360°连续自旋，实现垂轨方向的快速推扫成像，从而实现卫星对地成像覆盖范围的最大化。

光学遥感卫星推扫成像过程中需要保证成像行频与沿轨速度精确匹配，实现清晰的成像影像。与沿轨推扫成像行频计算方法不同，垂轨旋转摆扫成像过程中存在卫星动态旋转角速度，地球自转速度和卫星进动速度等三个空间速度矢量；因此，本文在沿轨推扫成像行频计算的基础上，提出了利用速度矢量投影映射的方法计算tdi相机垂轨旋转摆扫成像行频，实现动态摆扫成像各速度矢量投影映射合成与行频的精确快速计算。

技术实现要素：

本发明为了解决卫星快速旋转超大幅宽推扫成像时多个速度矢量动态变化导致行频计算困难的难题，提供一种tdi相机垂轨旋转摆扫成像的行频计算方法。

tdi相机垂轨旋转摆扫成像的行频计算方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、分别计算地球自转速度矢量、卫星进动速度矢量和卫星旋转速度矢量，并将各速度矢量投影至物面上进行合成；具体为：

v地＝ω地×r地；

v卫旋＝ω卫×l侧；

上式中，ω地＝7.2921×10^-5rad/s，r地＝6371.004km，ω卫为卫星旋转角速度，v卫旋为卫星旋转速度；μ＝3.986×10¹⁴；h0为地心距，h0＝h+r地；h为卫星轨道高度，φ为卫星旋转对应的侧摆角位置；

v地速投影＝v地×cosφ；

将卫星进动速度与卫星旋转速度进行合成，获得合成速度v合；

将地球速度投影与所述合成速度进行合成，获得物面上的合成速度v物；

α＝atan(v卫旋/v卫星)+i0-π/2

式中，i0为轨道倾角，α为地面与物面之间的夹角；

步骤二、将物面上的合成速度转换到像面，获得像面合速度v像，并获得行频；

将上公式合并，获得行频的计算公式：

式中，f为tdi相机焦距，a为像元尺寸。

本发明的有益效果：本发明所述的方法主要是依据轨道高度、景物纬度和旋转角位置，分别计算出卫星垂轨旋转摆扫成像过程中地球自转速度、卫星进动速度和卫星旋转速度，然后将三个速度矢量投影至物面进行合成，最后计算像面上的合速度矢量，最后利用像元尺寸与像面合速度矢量之比，计算出动态摆扫成像实时行频。

传统推扫成像的行频计算，是利用像元尺寸与地球自转速度和卫星进动速度的合速度之比进行行频计算，成像过程为静态成像，对应的速度分量少，成像过程中行频基本不变，无法适应当前卫星旋转摆扫动态成像快速响应的任务需求。

本发明综合考虑了tdi相机行频控制能力和卫星的姿态控制能力，依据卫星垂轨动态摆扫成像各速度矢量的变化规律，设计了不同速度矢量投影映射合成的行频计算方法，实现卫星旋转速度、地球自转速度和卫星进动速度三者的合成，从而实现垂轨动态摆扫成像行频的实时计算获取。这种方法在传统的推扫二个速度矢量基础上提升为快速旋转三个速度矢量的快速合成，方法简单易行，扩大了多速度矢量合成的范围。

本发明方法简单可靠、易行，扩大了动态成像过程中多速度矢量合成的计算方法，扩展了动态摆扫卫星的应用领域。本发明是国内首个针对垂轨动态摆扫成像模式提出的行频快速计算的可靠方法。

附图说明

图1为卫星垂轨自旋飞行示意图；

图2为本发明所述的一种tdi相机垂轨旋转摆扫成像的行频计算方法中各速度矢量投影映射与合成示意图；

图3为本发明所述的一种tdi相机垂轨旋转摆扫成像的行频计算方法中卫星旋转成像角位置与侧视物距之间的对应关系。

图4为旋转成像三个速度矢量示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图4说明本实施方式，tdi相机垂轨旋转摆扫成像的行频计算方法行频是由目标景物在像面上的运动合速度和ccd像元大小决定的，卫星在轨运行时，由于卫星动态旋转，存在地球自转速度、卫星进动速度和卫星旋转角速度三个速度矢量。因为三个速度矢量不在一个平面上；

首先要分别计算出各速度矢量并将其投影至物面上进行合成。

v地＝ω地×r地；

v卫旋＝ω卫×l侧；

其中，ω地＝7.2921×10^-5rad/s；r地＝6371.004km；ω卫＝10°/s；μ＝3.986×10¹⁴；h0＝h+r地；φ为旋转对应的角位置；

v地速投影＝v地×cosφ

然后将卫星速度与相机旋转速度在物面上进行合成，

然后将地球速度投影与前面的速度合成。

α＝atan(v旋/v卫星)+i0-π/2

其中：i0为轨道倾角；

最后将物面上的合速度转换到像面上，得到像面合速度并求解行频。

将以上公式合并后，行频计算公式如下：

各速度投影映射关系如图2所示，l侧计算如图3所示。

具体实施方式二、本实施方式为具体实施方式一所述的一种tdi相机垂轨旋转摆扫成像的行频计算方法的实施例：根据轨道高度，地理纬度和摆扫角位置，推算探测器垂轨摆扫行频大小。

(1)假设卫星轨道高度h＝500km，地球半径r＝6371km，纬度0°，垂轨摆扫成像至侧摆45°时，存在的三个速度矢量如图4所示，分别为：

地球自转速度v地＝ω地×r地＝464.58m/s

卫星进动速度

卫星旋转摆扫速度v旋＝ω卫×l侧＝123385.68m/s

(2)物面上合速度矢量的计算

i0＝97.4°

α＝atan(v旋/v卫星)+i0

(3)像面上行频的计算

其中f＝2m为焦距；a＝7×10^-6为像元尺寸。

经计算，焦距2m，轨道高度500km，像元尺寸7μm的卫星自旋10°/s时对应的ccd行频为50.08khz。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。