支 政 ，曲宏松 ，李 靜 ，張貴祥

（1. 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林長春130033；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 中國科學(xué)院天基動態(tài)快速光學(xué)成像技術(shù)重點實驗室，吉林長春130033；4. 北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094）

1 引 言

空間遙感因其獨特的優(yōu)勢，不僅在資源勘測、防災(zāi)減災(zāi)、環(huán)境治理等民用方面得到了廣泛應(yīng)用，同樣也在導(dǎo)彈預(yù)警、海洋監(jiān)視、戰(zhàn)場監(jiān)視、偵查及定位等軍用領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。隨著空間對地觀測技術(shù)的發(fā)展，空間相機的地面分辨率越來越高，但受到衛(wèi)星載荷的體積和質(zhì)量的限制，多數(shù)相機的地面覆蓋寬度卻相對較窄，這使得空間相機的應(yīng)用在很大程度上受到了限制［1］?，F(xiàn)有的遙感衛(wèi)星大多數(shù)只能平行于飛行軌跡被動推掃成像，幅寬較窄。實際工程中，在保證高分辨的基礎(chǔ)上增大幅寬，人們通常采用多片CCD拼接以增大有效視場，或采用多臺視場重疊的線陣CCD 相機對地組合成像等方法［2-3］。這些方法雖然增大了視場，但是也增大了載荷體積。因此，敏捷成像性能的提高成為遙感衛(wèi)星實現(xiàn)高分辨大視場的有效途徑［4］。

目前，成像模式相對較少，敏捷衛(wèi)星的飛速發(fā)展，導(dǎo)致原有的成像模式已經(jīng)不足以發(fā)揮出敏捷衛(wèi)星的特點。張新偉等利用敏捷衛(wèi)星的姿態(tài)控制能力，提出了多目標(biāo)成像、立體成像、寬幅拼接成像和動態(tài)掃描成像4 種典型的工作模式，并明確了衛(wèi)星工作模式與姿態(tài)機動能力之間的關(guān)系［5］?；诰€陣CCD 推掃成像原理，黃群東等分析了姿態(tài)機動過程中的像移問題［6］。為了增大覆蓋幅寬，余婧等針對長寬均明顯大于相機幅寬的區(qū)域目標(biāo)的成像觀測，設(shè)計了敏捷衛(wèi)星同軌沿軌方向多條帶拼幅成像模式［7］。為了提高對感興趣目標(biāo)區(qū)域的成像效率，于龍江等針對敏捷衛(wèi)星對一軌內(nèi)任意走向條帶目標(biāo)的成像觀測需求，設(shè)計了一般軌跡主動推掃成像模式［8］。針對傳統(tǒng)衛(wèi)星調(diào)度方法難以滿足應(yīng)急觀測強時效性的問題，章登義等提出一種針對敏捷成像衛(wèi)星的調(diào)度方法，對提升應(yīng)急條件下高分辨率圖像的獲取能力具有十分重要的意義［9］。單軌調(diào)度可以有效地提高高分敏捷衛(wèi)星垂軌的覆蓋幅寬，但是犧牲了沿軌方向的覆蓋長度，為此敏捷衛(wèi)星的新型成像模式成為了研究的聚焦點。針對衛(wèi)星廣域搜索成像需求，宋明珠等提出了一種新型環(huán)掃成像模式［10］。李憲圣等針對動中成像中復(fù)雜多變的情況，提出了空間相機在軌成像模式來獲得高質(zhì)量的圖像［11］。Barschke 等同樣針對高機動敏捷衛(wèi)星的姿控能力，設(shè)計了4 種工作模式，與張新偉等的不同之處在于條帶掃描的方向可以是非沿軌方向［12］。Tonetti 等針對敏捷衛(wèi)星對點觀測序列問題，利用西班牙DEIMOS-2，設(shè)計了衛(wèi)星能力分析與全自動任務(wù)規(guī)劃工具（Capacity Analysis and Mission Planning，CAMP），該工具利用敏捷衛(wèi)星的姿控能力進行反復(fù)調(diào)度，并且選擇時間點實現(xiàn)任務(wù)規(guī)劃的最優(yōu)化［13］。Tanpattanaku 等提出了多用戶、多任務(wù)需求下的敏捷衛(wèi)星多目標(biāo)任務(wù)規(guī)劃模型［14］。綜上可知，國外學(xué)者的研究重點在軌道調(diào)度設(shè)計和優(yōu)化上，而國內(nèi)學(xué)者除了進行軌道方面的研究，還進行了新型成像模式的探索。

本文針對遙感衛(wèi)星高分辨相機難以實現(xiàn)超寬覆蓋，考慮現(xiàn)有成像模式地面分辨率、衛(wèi)星載荷體積質(zhì)量和地面覆蓋寬度三者互相制約的問題，設(shè)計了一種高分相機實現(xiàn)超寬覆蓋的錐擺掃一體化成像模式。在該模式下，載荷軌道運動、衛(wèi)星平臺的軌道運動和自旋運動相結(jié)合的多維復(fù)合運動，以一個成像單元運動來代替多個成像單元拼接，在不影響成像分辨率的前提下，縮小探測器的靶面及尺寸，實現(xiàn)覆蓋視場的擴展。

2 錐擺掃一體化成像模型

2.1 坐標(biāo)系定義

錐擺掃一體化成像模型的設(shè)計需要建立一系列模型，這些模型在不同的坐標(biāo)系下建立，這些坐標(biāo)系滿足物面到像面的映射關(guān)系，如圖1所示［15］。

圖1 錐擺掃一體化成像模型的坐標(biāo)系映射關(guān)系示意圖Fig.1 Mapping relation diagram of reference coordinate systems for core-pendulum scanning integrated imaging model

（1）地心慣性坐標(biāo)系I（I1，I2，I3）

地球慣性坐標(biāo)系以地心為原點，I3軸在赤道面內(nèi)，指向軌道面和赤道面的交點，I2軸指向北極，I1 軸垂直于I2和I3兩軸形成的平面。

（2）地球坐標(biāo)系E（E1，E2，E3）

地球坐標(biāo)系固聯(lián)于地球，原點與I系原點重合，E2軸與I2軸重合，指向北極，地球坐標(biāo)系在I系內(nèi)繞I2軸逆時針方向以角速度ω自轉(zhuǎn)。

（3）衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系B（B1，B2，B3）

原點在衛(wèi)星軌道上，以衛(wèi)星質(zhì)心為原點，B1軸指向軌道前向（衛(wèi)星線速度方向），B3軸過I系原點指向天頂，B2軸與軌道面垂直（B1，B2軸在軌道面內(nèi)），B系在I系內(nèi)，沿軌道做以角速度為Ω的軌道運動。

（4）地理坐標(biāo)系G（G1，G2，G3）

地理坐標(biāo)系G3軸與B3軸重合，沿B3軸平移“-（H-h）”（航天器到星下點的真高度），即得到G系。G1，G2軸平行于B1，B2軸。

（5）衛(wèi)星坐標(biāo)系S（S1，S2，S3）

衛(wèi)星坐標(biāo)系原點于B系原點重合，衛(wèi)星無姿態(tài)運動時，S系與B系重合。衛(wèi)星有姿態(tài)運動時，以三軸姿態(tài)角（橫滾角φ、俯仰角θ和偏航角ψ）分別繞B1，B2，B3軸旋轉(zhuǎn)。

（6）相機坐標(biāo)系C（C1，C2，C3）

相機坐標(biāo)系原點為相機物鏡主點，當(dāng)相機無傾斜安裝時與S系重合。

（7）像面坐標(biāo)系P（P1，P2，P3）

像面坐標(biāo)系原點在像面中心，C系沿C3軸平移f（相機焦距），即得到P系，P1和P2組成像面。

2.2 錐擺掃一體化成像原理

錐擺掃一體化成像模式主要解決傳統(tǒng)成像模式下地面幅寬受限，及增大幅寬和探測器靶面導(dǎo)致的載荷體積越來越大的問題。傳統(tǒng)成像模式中，空間相機相對衛(wèi)星平臺靜止，光軸與衛(wèi)星坐標(biāo)系S3軸平行或成一定角度傾斜安裝，實現(xiàn)推掃成像。在這種成像模式下，為了進一步增大地面覆蓋幅寬，只能通過犧牲分辨率，減小焦距，或者通過犧牲載荷體積，進行探測器拼接成像來擴大幅寬，如圖2 所示。錐擺掃一體化成像模式通過相機往復(fù)的擺掃運動，來代替探測器拼接擴大像面的方法；通過衛(wèi)星平臺錐掃運動來減小焦距，在不犧牲分辨率及載荷體積的前提下，實現(xiàn)寬覆蓋、長覆蓋的廣域搜索。

圖2 錐擺掃成像模式與傳統(tǒng)成像模式的像面Fig.2 Image planes of cone-pendulum scanning imaging model and traditional imaging model

錐擺掃一體化成像模式的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，與傳統(tǒng)成像模式星下點成像不同，錐擺掃一體化成像模式光軸在相機開拍時一直在運動，故定義光軸與地面交點為軸地點。相機應(yīng)用單片CMOS 傳感器成像，并且以傾角α傾斜安裝在衛(wèi)星平臺上，當(dāng)衛(wèi)星平臺繞中軸自旋時，結(jié)合后期圖像拼接，由推掃條帶變?yōu)槁菪綏l帶軌跡，就可以在橫向上大大增加成像幅寬。同時，相機以鐘擺式往復(fù)擺動，軌跡變?yōu)檎劬€式螺旋線，軸地點軌跡如圖3 所示，S點為起點，E點為終點，一個周期的擺動成像如圖中a-b-c，具體成像順序如圖4 所示。

圖3 軸地點與星下點軌跡示意圖Fig.3 Locus diagram of cross point of optical axis with ground and sub-satellite point

圖4 一個擺掃周期內(nèi)成像示意圖Fig.4 Schematic diagram for imaging in single pendulum scanning period

光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式主要有反射式、折反射式和折射式3 種結(jié)構(gòu)形式［16］。同軸反射式和折反式光學(xué)系統(tǒng)的視場角較小，通常不大于3°，且存在中心遮攔問題，能量利用率小，不能滿足視場要求。而離軸反射式光學(xué)系統(tǒng)體積大，不適用于本設(shè)計的輕量化和小型化。折射式結(jié)構(gòu)具有大視場、能量利用率高、結(jié)構(gòu)簡單和便于裝調(diào)等優(yōu)點，能夠更好地滿足錐擺掃一體化成像模式關(guān)于大視場、輕小型的要求。

錐擺掃一體化成像模式通過合理選取相機安裝傾角、衛(wèi)星平臺旋轉(zhuǎn)速度、相機擺動機動速度和軌道高度等參數(shù)，可以完成目標(biāo)區(qū)域的完整覆蓋；通過合理地規(guī)劃成像方式和成像參數(shù)選取，可實現(xiàn)寬覆蓋下數(shù)據(jù)量的最小化，并且通過合理的曝光時間控制，可以降低像移對成像質(zhì)量的影響。利用錐擺掃一體化成像模式，可將成像幅寬由十公里量級提升到千公里量級，并且不影響縱向的覆蓋范圍和載荷平臺的承重問題。這是原有的成像模式無法企及的特點，在廣域搜索等特定場合可發(fā)揮關(guān)鍵作用。

2.3 錐擺掃一體化地面軌跡設(shè)計

錐擺掃一體化成像過程中，相機傾角α、衛(wèi)星平臺旋轉(zhuǎn)速度、相機擺動機動速度、軌道高度及單次擺動成像幀數(shù)等參數(shù)，都會對其地面覆蓋軌跡模型產(chǎn)生影響。如果各參數(shù)選取不合理，則會導(dǎo)致地面目標(biāo)重復(fù)覆蓋或地面目標(biāo)覆蓋遺漏的問題。

首先進行地面軌跡模型設(shè)計。與傳統(tǒng)小幅寬成像不同，千公里超大幅寬條件下，需將地面視為球面。假設(shè)軌道高度為H，相機焦距為f，相機光軸傾角為μ（包括相機傾角α和相機擺掃傾角β），相機視場角為δ，錐擺掃成像模式初始狀態(tài)的幾何關(guān)系如圖5 所示。該時刻下衛(wèi)星平臺的軌道速度vt和衛(wèi)星平臺旋轉(zhuǎn)角速度ωs分別如下：

式中：GM為地心引力常數(shù)，R為地球半徑，η為幀間重疊率，通常選取10%，W為擺掃一周期的寬度，其關(guān)系式為：

根據(jù)圖5 所示幾何關(guān)系，式（3）中各參數(shù)的表達式如下：

式中：N為擺掃半個周期的成像次數(shù)，δ為相機視場角。

在該軌道高度和相機傾角下，一個擺掃周期內(nèi)，若遠視場點可實現(xiàn)搭接，那么近視場點也能實現(xiàn)搭接，由此計算出擺掃運動的轉(zhuǎn)動角速度ωc為：

式中δout為上下邊界上遠視場點像素間的夾角。

圖5 錐擺掃成像的幾何關(guān)系Fig.5 Geometry relationship of cone-pendulum scanning imaging model

錐擺掃一體化成像時，當(dāng)載荷相機、幀間重疊率、軌道高度和擺掃半周期成像次數(shù)確定時，由式（1）～式（6）計算得到的衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)速度和擺掃運動的轉(zhuǎn)動角速度為最佳速度，可保證地面覆蓋的合理性。

2.4 錐擺掃一體化成像參數(shù)計算

曝光時間與成像幀頻是影響成像質(zhì)量的重要參數(shù)，直接影響著拍攝圖像的地面清晰度和圖像的重疊率，以及拼接難度。

錐擺掃一體化成像相機應(yīng)用CMOS 傳感器作為傳感器元件。為了減小像移的影響，保障成像質(zhì)量，在曝光時間內(nèi)的像移量要小于一個像元。假設(shè)像元尺寸為a×a，此時的曝光時間需要滿足：

式中vp，vv分別為沿軌和垂軌方向的像移分速度。

傳統(tǒng)成像模式中，星下點為光軸與地面交點，在t時刻的像移速度可由七次坐標(biāo)變換求得。錐擺掃成像與傳統(tǒng)成像模式的不同之處在于：增加了錐掃和擺掃兩個運動，并且相機與衛(wèi)星有一個安裝傾角，在變換過程中需要考慮錐擺掃產(chǎn)生的像移影響和安裝傾角的影響。地理坐標(biāo)系到像面坐標(biāo)系的變換過程如圖6 所示。

圖6 地理坐標(biāo)系到像面坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換過程Fig.6 Process of coordinate transformations from geographic coordinate system to image plane

圖 6 中，R為地球半徑；H為衛(wèi)星軌道高度；h為目標(biāo)景物高程；i0為軌道傾角；f為相機鏡頭焦距；γ=γ0+vt·t；γ0為衛(wèi)星星下點的地心角；α為相機安裝傾角；ψ，θ，φ分別為衛(wèi)星坐標(biāo)系相對于軌道坐標(biāo)系的偏航角、俯仰角和橫滾角。

分別考慮軌道運動、錐擺掃運動和地球自轉(zhuǎn)影響下的像移速度，綜合總像移速度來計算合理的曝光時間。當(dāng)像面上遠離衛(wèi)星的最外側(cè)像素點滿足在曝光時間內(nèi)，像移量沒有超過一個像元，那么內(nèi)側(cè)像素點均滿足條件。

軌道速度引起的像移速度vf1與軌道速度vt的關(guān)系為：

式中vf1為沿軌方向。

vf2s為平行于地表的任意方向。擺掃運動引起的像移速度vf2c與擺掃角速度ωc的關(guān)系為：

vf2c方 向 垂 直 于vf2s。

地球自轉(zhuǎn)影響的像移速度相比于上述兩個引起的像移速度非常小，并且方向為垂軌方向，所以忽略不計。

由式（8）～式（10）可知，沿軌方向速度vp＞垂軌方向速度vv，所以沿軌方向的速度范圍為：

以遠視場像為基準(zhǔn)（遠視場像素拼接，內(nèi)視場像素必然拼接），衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)360°所需的成像幀數(shù)為：

此時，相對應(yīng)的環(huán)掃幀頻為：

3 錐擺掃一體化成像仿真

根據(jù)上述分析，假設(shè)衛(wèi)星軌道高度為500 km，此時的軌道速度vt近似為7.06 km/s；幀間重疊率η取 10%，CMOS 選取像元尺寸為 2.5 μm×2.5 μm，像元個數(shù)為5 120×5 120；相機安裝傾角α為 30°，焦距f為 360 mm，視場角δ為 2.04°，擺動半周期內(nèi)成像幀數(shù)N為10。

錐擺掃成像模式在該參數(shù)下的地面覆蓋仿真如圖7 所示。此時衛(wèi)星的旋轉(zhuǎn)角速度ωs為10.5（°）/s，擺掃角速度為 69.7（°）/s，曝光時間為6 μs。單片CMOS 作為像面，進行星下點推掃，地面覆蓋仿真如圖8 所示。

語文教育是任何學(xué)科教育的基礎(chǔ)，它在學(xué)生素質(zhì)培養(yǎng)中有不可估量的作用。語文課是工具性和人文性的統(tǒng)一，它的作用也可以從這兩個方面得到體現(xiàn)。

由圖7 和圖8 可以看出，傳統(tǒng)星下點推掃地面覆蓋寬度大概為20 km，而錐擺掃一體化成像模式下地面覆蓋寬度可以達到約1 200 km，幅寬明顯增大，并且覆蓋完全無遺漏。

圖7 錐擺掃成像模式地面覆蓋仿真Fig.7 Ground cover simulation of cone-pendulum scanning imaging model

圖8 星下點成像模式地面覆蓋仿真Fig.8 Ground cover simulation of sub-satellite point scanning imaging model

4 錐擺掃一體化成像參數(shù)分析

4.1 地面覆蓋寬度

空間相機錐擺掃一體化成像的主要目的是擴大單軌搜索下的地面覆蓋，最重要的參數(shù)就是地面幅寬。傳統(tǒng)成像模式下，幅寬很小，對應(yīng)的地心角也很小，可以將地面簡化為平面，相應(yīng)的地面覆蓋寬度為：

式（14）、式（15）分別為星下點成像和側(cè)擺α成像時的地面覆蓋寬度。當(dāng)單軌且軌道高度一定時，傳統(tǒng)的成像模式的地面覆蓋寬度僅由單幀幅寬決定。假設(shè)軌道高度H為500 km，像元尺寸a為 2.5 μm，焦距為360 mm，垂軌像元數(shù)M為5 120，則星下點成像時地面覆蓋寬度為35.5 km。

而當(dāng)采用錐擺掃一體化成像模式時，地面覆蓋寬度不再僅由單幀幅寬決定，而是由增加的錐擺掃二維運動繞著衛(wèi)星平臺旋轉(zhuǎn)劃過沿垂軌方向的弦長決定。錐擺掃一體化成像模式由于超寬覆蓋，不能像傳統(tǒng)成像模式一樣簡化地面模型，需要將地面作為球面來建立模型，對應(yīng)的錐擺掃一體化成像模式下的最大地面覆蓋寬度表達式如下：

當(dāng)軌道高度確定時，影響地面覆蓋寬度的有安裝傾角α和半周期成像幀數(shù)N。分別以安裝傾角α、半周期拍攝幀數(shù)N作為自變量對錐擺掃一體化成像模式下的地面覆蓋寬度變化進行分析。此時的相機視場角為：

取半周期成像幀數(shù)N為10，地面幅寬隨相機傾角的變化曲線如圖9 所示。

圖9 地面幅寬隨相機安裝傾角α 的變化曲線Fig.9 Curve of swath width changes with camera installed inclination angle

表1 特定相機安裝傾角下地面幅寬Tab.1 Swath width with special camera installed inclination angle

從圖9 及表1 中可以看出，地面幅寬隨相機安裝傾角α的增大而增大，當(dāng)安裝傾角α分別為0°，10°，20°，30°，40°時地面幅寬分別是傳統(tǒng)星下點成像（35.5 km）的 8.4，14.2，21.3，31.1，47.4倍。取相機安裝傾角為30°，地面覆蓋寬度隨擺掃半周期成像幀數(shù)N的變化曲線如圖10 所示。

圖10 地面幅寬隨擺掃成像幀數(shù)的變化曲線Fig.10 Curve of swath width changes with pendulum scanning imaging frames

表2 特定擺掃成像幀數(shù)下的地面幅寬Tab.2 Swath width with special pendulum scanning imaging frames

從圖10 及表2 中可以看出，地面幅寬隨擺掃半周期成像幀數(shù)N的增大而增大，當(dāng)半周期成像幀數(shù)N分別為 0，5，10，15，20 時，對應(yīng)的地面幅寬分別為星下點成像（35.5 km）時的15.3，22.0，31.1，42.0，79.0 倍。

由于錐擺掃一體化成像模式顯著提升了地面幅寬，相比于傳統(tǒng)成像模式，重訪周期也有顯著提升。美國WorldView-1 的軌道高度為500 km，單顆衛(wèi)星的重訪周期為5 d。而錐擺掃成像模式在相機安裝傾角為30°、擺掃成像幀數(shù)為10的條件下，地面幅寬為1 105.7 km，赤道附近某點最短的重訪周期為0.5 d，增大了10 倍。

4.2 地面像元分辨率

與傳統(tǒng)成像模式相比，錐擺掃一體化成像模式由于相機安裝傾角和增加的二維運動，其地面像元分辨率隨著對面目標(biāo)與星下點距離的變化而變化。在相機坐標(biāo)系C下，建立傳感器上各個像元的地面分辨率的數(shù)學(xué)模型，相應(yīng)關(guān)系如圖11所示。

圖11 像面單個像元與對應(yīng)地物的幾何關(guān)系Fig.11 Geometry relationship between single pixel on image surface and corresponding ground target

光軸處像元對應(yīng)的地面分辨率為：

式中：la，lb分別為像素邊界A，B點在地面的投影到相機的距離；ε為任一像素的視場角，表達式中M為垂軌像元數(shù)；μ為光軸傾角，μ=α+β。

對像面內(nèi)徑向和垂直徑向各像素點對應(yīng)的地面像元分辨率變化進行分析。地面分辨率在徑向和切向的區(qū)別在于徑向方向有相機安裝傾角和擺掃傾角的影響，即切向的光軸傾角μ=0。假設(shè)衛(wèi)星軌道高度H為500 km，像素尺寸a為2.5 μm，焦距為 360 mm，擺掃半周幀數(shù)N為 10，垂軌像元數(shù)M為5 120。像面切向方向各像素點的地面像元分辨率如圖12 所示。以相機安裝傾角為自變量，分別在 0°，10°，20°，30°，40°傾角下，相應(yīng)的像面上徑向方向上各像素點的地面分辨率如圖13 所示，各安裝傾角下相對α=0°時的擴大倍數(shù)如表3 所示。固定相機傾角為30°，擺掃幀數(shù)分別為 0，5，10，15，20 時，地面像元分辨率與像面徑向方向的像素關(guān)系如圖14 所示，各擺掃成像幀數(shù)相對N=0 時的擴大倍數(shù)如表4所示。

圖12 地面像元分辨率隨切向像元位置的變化曲線Fig.12 Curve of Ground Sample Distance（GSD）changes with tangential pixel position

圖13 不同安裝傾角下地面像元分辨率與徑向像素位置的關(guān)系曲線Fig.13 Curve of Ground Sample Distance（GSD）with radial pixel position at different camera installed inclination angles

圖14 不同擺掃幀數(shù)下地面像元分辨率與徑向像素位置的關(guān)系曲線Fig.14 Curve of Ground Sample Distance（GSD）with radial pixel position at different pendulum scanning imaging frames

從圖12～圖14 可以看出，像面上切向方向，以中間像元為基準(zhǔn)越靠近外側(cè)，地面像元分辨率越大。在徑向方向上，靠近星下點的像素點比遠離星下點的像素點地面像元分辨率更小，且隨著相機安裝傾角、擺掃成像幀數(shù)的增大而增大。由表3 和表4 可知，地面像元分辨率與相機安裝傾角和擺掃成像幀數(shù)并不呈線性關(guān)系，因此，在錐擺掃一體化成像模式中，需要根據(jù)實際情況對相機安裝傾角和擺掃成像幀數(shù)進行分析選取，以保證地面像元分辨率滿足成像需求。

表3 不同安裝傾角相對0°安裝傾角時地面像元分辨率的擴大倍數(shù)Tab.3 Expansion times of ground sample distance of different camera installed inclination angles relative to 0° installed inclination angel

表4 不同擺掃幀數(shù)相對0 幀時地面像元分辨率的擴大倍數(shù)Tab.4 Expansion times of ground sample distance of different pendulum scanning imaging frames relative to 0 frame

5 結(jié) 論

針對航天遙感地面像元分辨率和幅寬相互制約的問題，本文設(shè)計了錐擺掃一體化成像模式，讓航天遙感能夠在大覆蓋的應(yīng)用背景下發(fā)揮優(yōu)勢。該新型動中成像模式能夠很好地兼容大視場、高分辨、輕小型的優(yōu)點。首先對運動參數(shù)進行分析，后對成像參數(shù)進行計算，設(shè)計出最佳的地面軌跡覆蓋模型。其次，進行模型覆蓋仿真驗證其合理性。最后，分析成像模式的地面覆蓋寬度和地面分辨率的變化情況。仿真分析表明，錐擺掃一體化成像模式能夠在完全覆蓋和保證一定高分辨率的條件下實現(xiàn)千公里量級的超寬覆蓋；在500 km 的軌道高度，360 mm 的焦距，2.5 μm 的像元尺寸，像元數(shù)為 5 120×5 120，擺掃成像10 幀，相機安裝傾角30°下能達到1 105.7 km 的地面覆蓋寬度。但是，由于擺掃速度過快，CMOS 傳感器的曝光時間較短。本文研究目前處于理論推導(dǎo)和設(shè)計階段，下一步研究要解決該模式下CMOS 傳感器曝光時間較短的問題，并且基于該成像模式拍攝的特殊圖像進行圖像拼接以及后續(xù)圖像處理，從而優(yōu)化該成像模式的成像質(zhì)量。