胡曉華， 張紅雷， 夏 明， 郝朝霞

(北京5111信箱 北京 100094)

引 言

近年來的高技術(shù)戰(zhàn)爭表明，夜間和晨昏時段是作戰(zhàn)的多發(fā)時段，而低云大霧嚴(yán)重影響作戰(zhàn)行動[1]，由于紅外云圖不易區(qū)分低云大霧與地表，普通可見光成像設(shè)備又難以在低照度條件下工作，因此微光云圖是判斷夜間和晨昏時段是否存在低云大霧的最有效手段。此外，目前氣象海洋衛(wèi)星測得的信息都是平面的，都是云的水平分布，得不到真正的三維立體云圖。而云的立體結(jié)構(gòu)對天氣系統(tǒng)模型的構(gòu)建和準(zhǔn)確預(yù)報都具有極其重要的意義[2]。目前，三維立體成像技術(shù)在測繪等領(lǐng)域均得到廣泛應(yīng)用，效果良好。將此技術(shù)應(yīng)用到云的立體成像，可以更好地構(gòu)造出云的三維模型，監(jiān)測低云大霧。

目前，世界上還沒有同時具備立體和微光成像能力的相機。鑒于微光成像技術(shù)和三維立體成像技術(shù)的日益成熟，在前期研制樣機的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，提出一個用于氣象海洋衛(wèi)星的星載微光立體CCD(Chargecoupled Device，電荷耦合元件)相機模型。它通過衛(wèi)星的飛行運動進(jìn)行掃描，經(jīng)過數(shù)據(jù)匹配、三維重建，可以解算出云的數(shù)字高程模型，獲得高動態(tài)范圍和高空間分辨率的三維立體云圖，可在多種光照條件下有效監(jiān)測低云大霧[3]。本文在分析國內(nèi)外微光成像和立體成像的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，對其成像原理做了介紹，初步設(shè)計了用于星載的微光CCD線陣掃描的立體成像系統(tǒng)，并分析了刈幅寬度、體視深度、基高比和高程分辨率等技術(shù)參數(shù)的實現(xiàn)結(jié)果。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 微光探測技術(shù)

微光云圖成像技術(shù)是指夜間和晨昏等低照度條件下獲得可見光圖像的相關(guān)技術(shù)。目前世界上唯一用于微光云圖探測的業(yè)務(wù)化微光成像載荷是美國國防氣象衛(wèi)星DMSP(Defense Meteorological Satellite Program)Block衛(wèi)星上的業(yè)務(wù)線掃描系統(tǒng)OLS(Operational Linescan System)[4，5]。DMSP衛(wèi)星采用雙星運行體制，分為06:00am軌道衛(wèi)星和10:30am軌道衛(wèi)星，雙星的重復(fù)觀測周期為12小時。星上搭載的業(yè)務(wù)線掃描系統(tǒng)OLS由兩個光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和一個光學(xué)倍增管組成，可以獲得夜間1/4月光條件下微光可見光云圖，在一定程度上彌補了傳統(tǒng)夜間可見光通道無法探測的缺點，是美國國防部主要的氣象信息源，同時也是美軍全球氣象中心云分析系統(tǒng)的主要信息源。OLS在伊拉克戰(zhàn)爭中發(fā)揮了重要作用。美軍在伊拉克戰(zhàn)爭中，使用了Block 5D-2系列中的三顆國防氣象衛(wèi)星Block 5D-2/F12～F14，并應(yīng)急發(fā)射了一顆Block 5D-3/F15衛(wèi)星，用于晝夜不間斷地提供伊拉克地區(qū)的戰(zhàn)場氣象信息，為美軍夜間和晨昏時段實施目標(biāo)偵察和轟炸提供了重要戰(zhàn)場環(huán)境信息保障。微光成像設(shè)備還能對夜間城市和重要戰(zhàn)區(qū)燈光和明火實施探測，具有重要的軍事價值。

在DMSP/OLS的基礎(chǔ)上，美國“國家極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)準(zhǔn)備項目”(NPP)上搭載了可見光紅外成像儀/輻射計組(VIIRS)，它的DNB(Day/Night Band)探測通道繼承了DMSP上的OLS微光探測通道，輻射動態(tài)范圍很大，可以達(dá)到107量級。DNB與現(xiàn)行的OLS傳感器相比，主要做了以下幾個方面的改進(jìn)和優(yōu)化:(1)具有更小的瞬時視場，減少了空間圖像的模糊程度;(2)減少了像元飽和情況的發(fā)生;(3)增加輻射訂正功能，以得到更高的輻射分辨率;(4)與VIIRS其他通道共用一套光學(xué)和掃描裝置，可更精確獲知各波段像元的相對定位，有利于與其他傳感器多光譜探測資料的融合[6]。

目前我國在軌運行的氣象衛(wèi)星上只有可見光紅外掃描輻射計，獲取白天可見光云圖和晝夜紅外云圖，尚沒有微光云圖成像儀在軌運行。中科院上海技術(shù)物理研究所和航科集團508所都完成了微光相機的預(yù)研工作，并研制了工程樣機，可在1/4月光甚至星光照度條件下成像。

1.2 立體成像技術(shù)

目前立體CCD相機多作為測繪衛(wèi)星上的主要載荷[7，8]，還沒有氣象海洋衛(wèi)星搭載立體相機的先例。立體成像技術(shù)的研究在國際上始于上世紀(jì)八十年代初期，德國首先開展了MEOSS試驗，隨后制定了MOMS-01和MOMS-02計劃，研制多光譜掃描成像系統(tǒng)和多相機掃描立體成像系統(tǒng)。其中高分辨率直視掃描儀的分辨率為4.5m，立體圖像的高度分辨率達(dá)12m。日本在其發(fā)射的“月亮女神”探月衛(wèi)星上裝載了立體成像相機，分辨率為10m。法國在SPOT-5衛(wèi)星上，裝載了兩套高幾何分辨率的立體成像儀(HRS)，一個向前，一個向后，可形成立體圖像，其地面分辨率可達(dá)10m。美國和蘇聯(lián)也把空間立體成像技術(shù)作為遙感傳感器的發(fā)展重點，已經(jīng)研發(fā)了幾種用于空間遙感的立體成像系統(tǒng)。美國發(fā)射的TERRA衛(wèi)星上搭載的高級星載地球熱發(fā)射、反照輻射計(ASTER)上，一個鏡頭向下觀測，另一個鏡頭向后觀測，在同一軌道上具有立體成像能力。NASA發(fā)射的兩臺太陽觀測儀(STEREO)，像一雙人眼一樣從地球運行軌道外的兩個有利位置上觀測太陽，形成對太陽噴發(fā)及其對地球影響的三維觀測。美國“鳳凰”火星探測器也具有立體成像功能。這些衛(wèi)星的傳感器多采用線陣CCD探測器，按照推掃式掃描成像。為獲得同軌立體成像，在沿軌方向上前視、后視成像，形成無明顯時差的立體覆蓋。

我國首顆探月衛(wèi)星“嫦娥一號”于2007年10月24日發(fā)射升空，星上裝載了CCD立體相機和激光高度計。CCD立體相機以自推掃模式工作，衛(wèi)星在飛行時沿飛行方向?qū)υ卤砟繕?biāo)進(jìn)行推掃，可獲取月表同一目標(biāo)星下點、前視16.7°、后視16.7°三幅二維原始數(shù)據(jù)圖像，經(jīng)輻射定標(biāo)，重構(gòu)月表三維立體影像。同時激光高度計測量衛(wèi)星到星下點月球表面的距離，與衛(wèi)星軌道參數(shù)相結(jié)合，可提供三維影響處理所需的參數(shù)。

2 微光立體成像原理

月光、星光和大氣輝光等微弱的“可見”光也就是夜間的可見光，統(tǒng)稱微光[5]。微光云圖成像技術(shù)是指夜間和晨昏等低照度條件下獲得可見光圖像的相關(guān)技術(shù)。微光成像與可見光成像原理基本相同，只是在探測儀器的靈敏度和動態(tài)范圍上具有更高要求。下面重點對立體成像原理進(jìn)行介紹。

空間立體圖像通常是靠空間體視效應(yīng)實現(xiàn)的，其體視覺深度和分辨率取決于體視儀器的基線長度。為了增加體視深度和分辨率，就必須加大基線長度。目前星體的尺寸均在幾米和十幾米范圍，在這樣的長度范圍內(nèi)裝置空間立體相機，其基線長度一般不會超過10m，這樣的基線長度所達(dá)到的體視深度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了立體成像的要求，實際上也得不到測量要求的立體圖像。為了增加基線長度，一般在星體上采用前視、直視和后視的方式安裝三個CCD掃描陣列(如圖1所示)[9，10]，以達(dá)到一定的基高比?；弑仍酱螅Ⅲw成像效果越好。目前世界上主要的空間立體相機的基高比都大于0.6，有的甚至達(dá)到1.0。

這樣在衛(wèi)星飛行中依次對地面進(jìn)行掃描，可以在三個相近時刻得到同一地面目標(biāo)在三個不同視角下的圖像。工作過程如圖2所示

在T0時刻，前視陣列A在+Y的傾角下獲得地物目標(biāo)P處的信息，當(dāng)飛行到T1時刻時，直視陣列B在直視下獲得P的信息，飛行到T2時刻時，后視陣列C在后傾角 -Y下獲得P的信息。T0和T2時刻，兩個攝影位置對同一地面進(jìn)行攝影，獲得一個立體像對，經(jīng)過后期數(shù)據(jù)處理，可以得到立體圖像。

圖2 地物點P立體像對獲取示意圖

3 成像系統(tǒng)設(shè)計

要想在氣象海洋衛(wèi)星上實現(xiàn)微光立體成像，有效監(jiān)測低云大霧，探測云的三維立體結(jié)構(gòu)，則需要大的刈幅寬度(衛(wèi)星掃過的寬度)和有效立體觀測技術(shù)，并且要有較大的體視深度和較高的高程分辨率。

3.1 多鏡頭立體觀測布局

氣象海洋預(yù)報保障要求衛(wèi)星觀測具有寬的探測范圍，這就要求微光立體相機應(yīng)具有寬視場覆蓋能力。目前對于推掃式成像儀實現(xiàn)寬視場覆蓋技術(shù)的方案主要分為兩大類。第一類是采用單個超廣角光學(xué)系統(tǒng)和單個大規(guī)模長線列探測器構(gòu)成的寬視場成像系統(tǒng)，但其成像性能(視場能量分布和像差校正)難以保證和提高，圖像邊緣的空間分辨率下降非常嚴(yán)重，大規(guī)模探測器的采購和成本均存在問題。第二類是采用較小視場光學(xué)系統(tǒng)和較小規(guī)模探測器構(gòu)成成像模塊，并由多個成像模塊進(jìn)行視場合成，實現(xiàn)寬視場覆蓋，MERIS就是采用這種視場分割方案。此方案中的光學(xué)系統(tǒng)和探測器均可保證技術(shù)性能以及獲取渠道。從實際結(jié)果來看，第二類方案光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計和裝校簡單，方案可行。

圖3 立體相機視場覆蓋示意圖

云的立體觀測可以得到云高、云的形狀和結(jié)構(gòu)信息，有利于區(qū)分云和地表，增進(jìn)對颶風(fēng)和強風(fēng)暴等的了解[11]。但目前氣象海洋衛(wèi)星探測得到的云圖都是單視角的二維平面云圖，無法提取出高程信息。要想獲得立體觀測效果，可采用2n個相同的中等視場的光學(xué)鏡頭，將其分為A、B兩組，A組為前視相機，B組為后視相機，每組n個鏡頭，如圖3所示。每組內(nèi)的n個鏡頭在刈幅方向(衛(wèi)星掃描方向)上依次按扇形排列，鏡頭之間的夾角按總視場等分設(shè)計。中間一個對中觀測，其它n-1個傾斜觀測，每個成像模塊中配置一片CCD(1024×1024)探測器。這樣兩組相機就形成±Y°的前視和后視立體成像角度，形成前視1線列(前視相機第1024行)、后視1線列(后視相機第1行)、星下點正視1線列(前視相機第1行)的3線列立體成像探測。這樣的設(shè)計既實現(xiàn)了寬視場覆蓋，又實現(xiàn)了空間立體觀測。

微光立體CCD相機采用模塊化設(shè)計方案:系統(tǒng)由2n個性能完全相同的具有中等視場的成像模塊、1個綜合電子模塊以及相機平臺組成。微光立體CCD相機的系統(tǒng)總體功能框圖如圖4所示。

每個成像模塊單獨完成中等視場的低光照觀測功能，輸出數(shù)字圖像信號。綜合電子模塊能夠同步提供2n個成像模塊的驅(qū)動時序信號，以及對成像模塊的工作模式控制與通信，完成對2n個成像模塊的通光口徑控制，并對數(shù)字圖像輸出進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖4 微光立體CCD相機系統(tǒng)總體功能框圖

3.2 刈幅寬度

各類天氣系統(tǒng)和海洋現(xiàn)象的特點是空間尺度大、發(fā)展變化快，大尺度天氣系統(tǒng)的水平尺度在1000～3000km之間，海洋中尺度現(xiàn)象的水平尺度為幾十至幾百千米。因此，為完整監(jiān)測大尺度天氣系統(tǒng)和海洋中尺度現(xiàn)象，氣象海洋衛(wèi)星儀器一般都要求觀測幅寬較大。另外，幅寬大的儀器重復(fù)觀測周期短，也有利于監(jiān)測天氣系統(tǒng)和海洋現(xiàn)象的發(fā)展變化。

刈幅寬度和總視場之間的關(guān)系由式(1)決定。

其中，W為刈幅寬度，Re為地球半徑，H為衛(wèi)星軌道高度，單位均為km。FOV為總視場角，單位為(°)。

表1 視場角與刈幅寬度實現(xiàn)結(jié)果(單位:km)

表1是搭載微光立體相機的氣象海洋衛(wèi)星可實現(xiàn)的視場角和刈幅寬度。可以看出，衛(wèi)星高度越高、視場角越大時，幅寬越寬。目前在軌運行的氣象衛(wèi)星光學(xué)成像載荷的幅寬都在2800km以上，因此選擇表1中灰色區(qū)域的衛(wèi)星高度和立體視場角組合，可實現(xiàn)氣象海洋探測需要的幅寬。

3.3 體視深度

立體圖像的體視深度和分辨率取決于體視儀器的基線長度(對于人眼，就是瞳孔距)。人眼的瞳孔距一般為55～65mm，經(jīng)過計算其體視深度為1000m左右，體視分辨率也不高。為了增加體視深度和分辨率，就要加大基線長度。目前飛機和星體的尺寸為幾米到十幾米，在這樣的尺寸范圍內(nèi)安放空間體視設(shè)備，其基線長度一般不會超過10m。這樣的基線長度所能達(dá)到的體視深度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了星載立體成像的要求，實際上得不到立體圖像。

體視深度的表達(dá)式為:

其中，B為基線長度，IFOV為儀器的瞬時分辨率。從式(2)可以看出，為了增加體視深度，應(yīng)增加基線長度，減小儀器的瞬時分辨率。

首先分析本成像系統(tǒng)的基線長度。在衛(wèi)星飛行過程中，實現(xiàn)對地物目標(biāo)的掃描成像，在一定的時間間隔內(nèi)前視和后視相機可以獲得同一目標(biāo)在不同視角下的信息，如圖2所示。實際上在(T2-T0)的時間間隔內(nèi)載體飛行的水平距離就是基線長度。該長度與飛行速度、相機的前后傾夾角以及飛行高度有關(guān)，即

式中，H為飛行高度，V為平臺(衛(wèi)星或飛機)飛行速度，Y為對稱立體角，T0和T2是前、后視相機對同一地物點的成像時刻?？梢园堰@樣獲得的基線長度稱為合成基線長度。

儀器的瞬時分辨率IFOV是像元尺寸與焦距的比值，即

式中，GSD為地面像元分辨率，f為焦距，d為探測器相鄰像元中心距。隨著焦平面探測器水平的進(jìn)步，填充因子能達(dá)到100%，可以認(rèn)為探測器像元尺寸與相鄰像元中心距相等。按照目前氣象海洋衛(wèi)星光學(xué)儀器的星下點分辨率和衛(wèi)星高度，如果取GSD=250m，H為800km，則IFOV=0.3125mrad，B=H×0.67=536km，根據(jù)式(2)，體視深度為D=536/0.3125=1.7×103km。顯然，這對于軌道高度在1000km以下的遙感立體成像毫無問題。

考慮到工程設(shè)計，比較合理的途徑是在可能獲得的探測器規(guī)格中，在中等地面分辨率情況下，選擇像元尺寸較大，使得采用焦距相對較長的光學(xué)系統(tǒng)，能降低光學(xué)設(shè)計難度，并且保證較高的像質(zhì)。圖5是選用的焦平面(FPA)探測器照片。

3.4 高程分辨率

高程分辨率ΔH決定了立體相機對于高程數(shù)據(jù)的測量精度[12]，它取決于三方面因素:基高比(B/H)、地面分辨率(GSD)和像點量測精度，即

其中，K是立體像對重組時像點坐標(biāo)量測精度的倒數(shù)，目前一般能夠達(dá)到的像元坐標(biāo)量測精度為0.5個像元，即K=2。

基高比(B/H)就是攝影基線B和航高H的比值。根據(jù)式(3)，基高比為:

根據(jù)式(5)和式(6)可以計算出系統(tǒng)的高程分辨率。

表2 高程分辨率實現(xiàn)結(jié)果(單位:m)

表2是不同立體角及地面分辨率相應(yīng)的高程分辨率結(jié)果。立體角Y范圍在±15°～±20°，基高比＞0.6，是立體成像最佳配置要求，也是國際上大多數(shù)立體相機采用的基高比。目前氣象海洋衛(wèi)星光學(xué)儀器的白天可見光通道和紅外通道的星下點分辨率最高可達(dá)250m[13]。因此，表2中立體角大于17°時，基高比＞0.6，立體角越大，高程分辨率越高(數(shù)值越小)，測量精度越高。如果地面分辨率優(yōu)于當(dāng)前星下點分辨率250m，則高程分辨率小于817.7m。

常見的云高在幾十公里以下，厚度為0～20km，目前美國專用云探測衛(wèi)星Cloudsat上搭載的云廓線雷達(dá)垂直分辨率為500m，817.7m的高程分辨率可以識別較厚的云層，尤其是對流云系。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)晨昏及夜晚月光等微弱光照條件下監(jiān)測低云大霧以及云三維立體成像的需求，提出了星載微光立體成像技術(shù)，介紹了微光成像和立體成像的原理，設(shè)計了成像系統(tǒng)，并對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了分析。根據(jù)前期載荷試驗和氣象海洋衛(wèi)星常用軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真計算，結(jié)果表明:采用星載微光立體成像技術(shù)，微光立體相機的掃描幅寬可達(dá)到2800km以上，體視深度在1000km以上，高程分辨率可達(dá)到817.7m，可在低照度條件下監(jiān)測低云大霧，獲取高分辨率的三維立體云圖，滿足氣象海洋探測的需求。

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