本发明涉及敏捷卫星成像技术领域，特别是涉及一种敏捷卫星在轨图像质量调整方法及通用装置。
背景技术：
敏捷卫星在轨图像质量调整是保障航天光学遥感系统成像质量的关键步骤，主要涉及调焦与调偏流两个过程。在卫星发射升空过程中，振动、压强、温度等一系列因素直接造成了载荷光学系统的离焦问题；卫星在轨运行后，由于受卫星自身轨道运动及地球自转等因素影响，地面景物在成像系统焦平面的像同时存在垂轨向与延轨向像移，形成偏流角。离焦与偏流角的存在直接造成了成像系统像质的退化，影响高分辨率遥感图像的获取。因此，针对敏捷卫星在轨自主图像质量调整技术的研究十分重要。
目前在我国，敏捷卫星在轨图像质量调整的工作仍是复杂与繁琐的。针对图像质量调整中的自主调焦，通常先利用地面仿真的估计值进行预调节，在卫星入轨后，通过数据下传进行人工判断，通过经验多次调整后置于最佳状态，但这种方法过程繁琐，依赖人工干预，效率较低。针对图像质量调整中的自主调偏流，目前的方法主要为通过景物坐标到像面坐标间的多次坐标变换，计算当前卫星姿态轨道状态下的横纵像移与偏流角，通过偏流角的实时解算与调整实现像移补偿，但该过程模型十分复杂，效率较低。
技术实现要素：
基于此，有必要针对目前敏捷卫星在轨图像质量调整时的自主调焦和自主调偏流效率较低的问题，提供一种敏捷卫星在轨图像质量调整方法及通用装置。
为解决上述问题，本发明采取如下的技术方案：
一种敏捷卫星在轨图像质量调整方法，该方法包括以下步骤：
根据地面标定的焦深位置确定调焦区间；
在所述调焦区间内以第一步长对敏捷卫星载荷前端光学系统进行至少三次调焦，并在每次调焦后获取具有重叠区域的图像，得到图像序列；
利用评价函数对所述图像序列进行像质评价，确定最优成像焦面位置区间；
判断所述最优成像焦面位置区间是否大于预设调焦精度阈值，若是，则调整所述第一步长至第二步长，且所述第二步长小于所述第一步长，并在所述调焦区间内以所述第二步长对所述敏捷卫星载荷前端光学系统进行至少三次调焦，直至所述最优成像焦面位置区间小于或者等于所述预设调焦精度阈值；
确定所述最优成像焦面位置区间内所述评价函数的最大值所对应的焦面为最优焦面位置，并将所述敏捷卫星载荷前端光学系统的像面调整至所述最优焦面位置；
获取所述敏捷卫星载荷前端光学系统连续拍摄的至少两幅具有重叠区域的调焦后图像，得到调焦后图像序列；
利用图像配准法计算所述调焦后图像序列的第一失配信息；
计算敏捷卫星轨道运动造成的第二失配信息；
根据所述第一失配信息和所述第二失配信息计算所述敏捷卫星的实际失配信息，并根据所述实际失配信息计算偏流角；
判断所述偏流角是否大于或者等于预设偏流角调整阈值，若是，则根据所述偏流角调整所述敏捷卫星载荷前端光学系统的像面。
相应地本发明还提出基于上述敏捷卫星在轨图像质量调整方法的敏捷卫星在轨图像质量调整通用装置，该装置包括图像采集模块、成像解算模块、调焦组件和调偏流组件，所述图像采集模块与敏捷卫星载荷前端光学系统连接，所述成像解算模块分别与所述图像采集模块、所述调焦组件和所述调偏流组件连接，所述调焦组件和所述调偏流组件分别与所述图像采集模块连接；
所述图像采集模块用于从所述敏捷卫星载荷前端光学系统获取图像，并将获取到的所述图像序列和所述调焦后图像序列发送至所述成像解算模块；
所述成像解算模块用于确定所述最优焦面位置和计算所述偏流角；
所述调焦组件用于根据地面标定的焦深位置确定调焦区间，并在所述调焦区间内对所述敏捷卫星载荷前端光学系统进行调焦，以及将所述敏捷卫星载荷前端光学系统的像面调整至所述最优焦面位置；
所述调偏流组件用于根据所述偏流角调整所述敏捷卫星载荷前端光学系统的像面。
上述敏捷卫星在轨图像质量调整方法及通用装置通过敏捷卫星平台稳定时刻的多次拍摄即可同时实现星上自主调焦与调偏流，利用图像计算方式更便捷的获取了最优焦面位置信息及偏流角信息，完成敏捷卫星在轨图像质量调整，避免了传统的复杂的调整方式，为高分辨率遥感图像的获取提供了保障。
附图说明
图1为本发明敏捷卫星在轨图像质量调整方法其中一个实施例的流程示意图；
图2为本发明敏捷卫星在轨图像质量调整方法其中一个具体实施方式的流程示意图；
图3为本发明敏捷卫星在轨图像质量调整通用装置其中一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细描述。
在其中一个实施例中，如图1所示，敏捷卫星在轨图像质量调整方法包括以下步骤：
S1根据地面标定的焦深位置确定调焦区间；
S2在调焦区间内以第一步长对敏捷卫星载荷前端光学系统进行至少三次调焦，并在每次调焦后获取具有重叠区域的图像，得到图像序列；
S3利用评价函数对图像序列进行像质评价，确定最优成像焦面位置区间；
S4判断最优成像焦面位置区间是否大于预设调焦精度阈值，若是，则调整第一步长至第二步长，且第二步长小于第一步长，并在调焦区间内以第二步长对敏捷卫星载荷前端光学系统进行至少三次调焦，直至最优成像焦面位置区间小于或者等于预设调焦精度阈值；
S5确定最优成像焦面位置区间内评价函数的最大值所对应的焦面为最优焦面位置，并将敏捷卫星载荷前端光学系统的像面调整至最优焦面位置；
S6获取敏捷卫星载荷前端光学系统连续拍摄的至少两幅具有重叠区域的调焦后图像，得到调焦后图像序列；
S7利用图像配准法计算调焦后图像序列的第一失配信息；
S8计算敏捷卫星轨道运动造成的第二失配信息；
S9根据第一失配信息和第二失配信息计算敏捷卫星的实际失配信息，并根据实际失配信息计算偏流角；
S10判断偏流角是否大于或者等于预设偏流角调整阈值，若是，则根据偏流角调整敏捷卫星载荷前端光学系统的像面。
具体地，在本实施例中，步骤S1根据地面标定的焦深位置确定敏捷卫星载荷前端光学系统的调焦区间。
确定调焦区间后，在该调焦区间内，以第一步长对敏捷卫星载荷前端光学系统进行N次调焦(N≥3)并在轨快速成像，在每次调焦后获取一次具有重叠区域的图像，共获取具有重叠区域的N幅图像，I1,I2,…IN，得到图像序列。
对得到的图像序列进行一系列量化、校正处理后，解算图像I1,I2,…IN的重叠区域，利用评价函数对图像序列进行像质评价，确定最优成像焦面位置d1和d2，从而确定最优成像焦面位置区间Δd＝d1-d2。本实施例中进行像质评价时所使用的评价函数可以有多种选择，例如现在常用的梯度能量函数、拉普拉斯函数、灰度差分绝对值之和函数等，也可以根据不同的应用场景定制评价函数。本发明中评价函数的选择并不是发明的重点，但无论应用哪种评价函数利用本发明的方法步骤方案达到了调焦的目的都在本发明的保护范围内。
确定最优成像焦面位置区间后，在步骤S4中，判断该最优成像焦面位置区间是否大于预设调焦精度阈值Δd'，若Δd≤Δd'，则执行步骤S5；若Δd＞Δd'，则返回步骤S2，并将第一步长调整为第二步长，且第二步长小于第一步长，例如第二步长为第一步长的一半，在调焦区间内以第二步长对敏捷卫星载荷前端光学系统进行N次调焦(N≥3)，获取调焦步长调整后的图像序列，利用评价函数对调焦步长调整后的图像序列进行像质评价，再次确定最优成像焦面位置区间，直至最优成像焦面位置区间小于或者等于预设调焦精度阈值，即Δd≤Δd'，停止调焦步长的调整，并执行步骤S5。
在最优成像焦面位置区间满足Δd≤Δd'后，以满足Δd≤Δd'条件的最优成像焦面位置区间内评价函数的最大值所对应的焦面为最优焦面位置，将敏捷卫星载荷前端光学系统的像面调整至最优焦面位置，至此完成对敏捷卫星在轨图像质量的自主调焦。
在完成自主调焦后，步骤S6获取敏捷卫星载荷前端光学系统连续拍摄的至少两幅具有重叠区域的调焦后图像，得到调焦后图像序列。
对得到的调焦后图像序列进行一系列量化、校正处理后，解算图像的重叠区域，步骤S7利用图像配准法计算调焦后图像序列的第一失配信息，其中第一失配信息包括第一垂轨向失配量和第一延轨向失配量。本实施例中用于计算图像失配信息的图像配准法可以有多种选择，例如现在常用的互相关法、投影匹配法、相位相关法、SUSAN算子法、SIFT算子法等一系列经典算法及相应的改进及创新算法。本发明中图像配准方法的选择并不是重点，但无论应用哪种图像配准方法利用本发明的方法步骤方案达到了调偏流的目的都在本发明的保护范围内。
步骤S8计算敏捷卫星平台轨道运动造成的调焦后图像之间的第二失配信息，其中第二失配信息包括第二垂轨向失配量和第二延轨向失配量。
在步骤S9中，根据步骤S7计算得到的第一失配信息和步骤S8计算得到的第二失配信息计算敏捷卫星的实际失配信息，并根据实际失配信息计算偏流角β。
例如，获取敏捷卫星载荷前端光学系统连续拍摄的两幅具有重叠区域的调焦后图像F1和F2，对调焦后图像F1和F2进行一系列量化、校正处理后，解算图像的重叠区域，利用图像配准法计算调焦后图像F1和F2的第一失配信息，其中第一失配信息包括第一横向(垂轨向)失配量x1和第一纵向(延轨向)失配量y1；计算敏捷卫星平台轨道运动造成的两幅调焦后图像F1和F2间的第二失配信息，其中第二失配信息包括第二横向(垂轨向)失配量x2和第二纵向(延轨向)失配量y2；根据第一失配信息和第二失配信息计算敏捷卫星的实际失配信息，其中实际失配信息包括实际垂轨向失配量Δx和实际延轨向失配量Δy，并且实际垂轨向失配量等于第一垂轨向失配量与第二垂轨向失配量之差，实际延轨向失配量等于第一延轨向失配量与第二延轨向失配量之差，即
Δx＝x1-x2，Δy＝y1-y2
计算获得敏捷卫星的实际失配信息后，根据实际失配信息计算偏流角β，具体地，偏流角β的正切函数值等于实际垂轨向失配量与实际延轨向失配量之比，即
β＝arctan(Δx/Δy)
最后，步骤S10判断偏流角β是否大于或者等于预设偏流角调整阈值β'，若β≥β'，则根据偏流角β调整敏捷卫星载荷前端光学系统的像面，以实现对敏捷卫星在轨图像质量的自主调偏流；若β＜β'，则返回步骤S6，重新获取敏捷卫星载荷前端光学系统连续拍摄的至少两幅具有重叠区域的调焦后图像，得到调焦后图像序列，循环执行步骤S6至S10。
上述实施例所提出的敏捷卫星在轨图像质量调整方法用于敏捷卫星在轨自动调焦及自动调偏流，该方法通过敏捷卫星平台稳定时刻的多次拍摄即可同时实现星上自主调焦与调偏流，利用图像计算方式更便捷的获取了最优焦面位置信息及偏流角信息，完成敏捷卫星在轨图像质量调整，避免了传统的复杂的调整方式，为高分辨率遥感图像的获取提供了保障。
作为一种具体的实施方式，在步骤S10根据偏流角调整敏捷卫星载荷前端光学系统的像面之后，还包括以下步骤：
S11判断是否接收到停止成像指令，若是，则停止获取敏捷卫星载荷前端光学系统连续拍摄的调焦后图像；若否，则重新获取敏捷卫星载荷前端光学系统连续拍摄的至少两幅具有重叠区域的调焦后图像，得到调焦后图像序列。
在本实施方式中，如图2所示，在步骤S10根据偏流角调整敏捷卫星载荷前端光学系统的像面之后，判断是否接收到地面控制中心发送的停止成像指令，若接收到停止成像指令，则停止获取敏捷卫星载荷前端光学系统连续拍摄的调焦后图像；若在根据偏流角调整敏捷卫星载荷前端光学系统的像面之后没有接收到停止成像指令，则重新执行步骤S6获取敏捷卫星载荷前端光学系统连续拍摄的至少两幅具有重叠区域的调焦后图像，得到调焦后图像序列，进入下一次自主调偏流过程。
同时，本发明还提出一种基于上述敏捷卫星在轨图像质量调整方法的敏捷卫星在轨图像质量调整通用装置，在其中一个实施例中，如图3所示，该通用装置包括图像采集模块100、成像解算模块200、调焦组件300和调偏流组件400，图像采集模块100与敏捷卫星载荷前端光学系统500连接，成像解算模块200分别与图像采集模块100、调焦组件300和调偏流组件400连接，调焦组件300和调偏流组件400分别与图像采集模块100连接，本实施例通过图像采集模块100、成像解算模块200、调焦组件300和调偏流组件400四部分共同协作完成敏捷卫星在轨图像质量调整。
在本实施例中，图像采集模块100用于从敏捷卫星载荷前端光学系统500获取图像，并将获取到的图像序列和调焦后图像序列发送至成像解算模块200。优选地，图像采集模块100包括焦平面单元、面阵探测器和成像处理单元，以更高效地从敏捷卫星载荷前端光学系统500获取图像。
成像解算模块200用于确定最优焦面位置和计算偏流角。具体地，成像解算模块200通过图像采集模块100获取每次调焦后具有重叠区域的图像，得到图像序列；利用评价函数对图像序列进行像质评价，确定最优成像焦面位置区间；判断最优成像焦面位置区间是否大于预设调焦精度阈值，若是，则调焦组件300调整第一步长至第二步长，且第二步长小于第一步长，并在调焦区间内以第二步长对敏捷卫星载荷前端光学系统500进行至少三次调焦，直至成像解算模块200判断最优成像焦面位置区间小于或者等于预设调焦精度阈值；成像解算模块200确定最优成像焦面位置区间内评价函数的最大值所对应的焦面为最优焦面位置。同时，成像解算模块200还用于通过图像采集模块100获取敏捷卫星载荷前端光学系统500连续拍摄的至少两幅具有重叠区域的调焦后图像，得到调焦后图像序列；利用图像配准法计算调焦后图像序列的第一失配信息；计算敏捷卫星轨道运动造成的第二失配信息；根据第一失配信息和第二失配信息计算敏捷卫星的实际失配信息，并根据实际失配信息计算偏流角。
调焦组件300用于根据地面标定的焦深位置确定调焦区间，并在调焦区间内对敏捷卫星载荷前端光学系统500进行调焦，以及将敏捷卫星载荷前端光学系统500的像面调整至最优焦面位置。调焦组件300分别与成像解算模块200和图像采集模块100连接，调焦组件300通过制定步长控制图像采集模块100中像面移动进而达到实现调整光学相机焦深的目的，调焦组件300可以包括调焦框架、蜗轮蜗杆减速箱、丝杠组件、直线运动机构、步进电机和编码器等。
调偏流组件400用于根据偏流角调整敏捷卫星载荷前端光学系统500的像面。调偏流组件400通过制定偏流角度控制图像采集模块100中像面移动进而达到实现调整光学相机偏流的目的，调偏流组件400包括调偏流基座、转接板、驱动组件、滑块组件、圆弧导轨轴系组件、编码器组件等。
上述实施例所提出的敏捷卫星在轨图像质量调整通用装置用于敏捷卫星在轨自动调焦及自动调偏流，该装置通过敏捷卫星平台稳定时刻的多次拍摄即可同时实现星上自主调焦与调偏流，引入成像解算模块，利用图像计算方式更便捷的获取了最优焦面位置信息及偏流角信息，完成敏捷卫星在轨图像质量调整，避免了传统的复杂的调整方式，为高分辨率遥感图像的获取提供了保障。
作为一种具体的实施方式，获取模块100还用于判断是否接收到停止成像指令，若接收到停止成像指令，则获取模块100停止获取敏捷卫星载荷前端光学系统500连续拍摄的调焦后图像；若获取模块100判断没有接收到停止成像指令，则获取模块100重新获取敏捷卫星载荷前端光学系统500连续拍摄的至少两幅具有重叠区域的调焦后图像，得到调焦后图像序列，进入下一次自主调偏流过程。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。