对非均匀场景同一区域成像的姿态调整与非线性定标方法

摘要

本发明涉及对非均匀场景同一区域成像的姿态调整与非线性定标方法，包括以下步骤：计算卫星成像的初始偏流角并调整卫星偏航角，转入对非均匀场景同一区域成像的定标模式；在定标模式的成像过程中采取从粗到细的时间间隔步长精确计算像移大小，通过调整卫星偏航角控制线阵CCD成像的精确推扫方向，使得线阵CCD能够依次对同一区域成像；判断所获得的图像数据是否满足进行非线性定标的条件，如果满足则基于直方图匹配建立非线性定标映射关系表，否则重新确定成像场景继续执行在轨定标获取更多的图像数据。本发明对地面场景的要求宽松，不需要较均匀的场景，非均匀场景即可满足定标任务，卫星运行的每轨都可实现定标，定标频次高。

说明书

技术领域

本发明涉及对非均匀场景同一区域成像的姿态调整与非线性定标方法，属 于遥感卫星定标技术领域，特别用于光学遥感卫星线阵CCD相机对非均匀场景 同一区域成像的姿态调整与非线性定标。

背景技术

目前，光学遥感卫星线阵CCD相机主要采用推扫式成像方式获取卫星影 像。但是，遥感卫星相机各个CCD探测器及放大增益存在非均匀性噪声和暗 电流噪声等问题，导致光学系统和CCD探测器等响应的不一致性，直接表现为 各个像元输出灰度值的不一致性，从而造成获取的图像出现一些“条带”或“条 纹”现象。相对辐射定标的目的就是获取相对辐射定标系数，并且利用系数对原 始图像进行相对辐射校正，最大可能的消除“条带”和“条纹”效应。

通常有以下几种方法获取光学遥感卫星的相对辐射定标系数。①卫星发射 前的实验室定标法，该方法通过实验室多个定标灯图像数据获得定标系数，但 是卫星经过从发射到在轨运行后，所携带的器件将会发生一定的变化。②利用 星上定标装置进行在轨定标，该种方法需要标准的星上定标源，但是由于定标 源的稳定性不高，因此这种定标方法的应用效率低。③在地面建设大面积的均 匀定标场，需要耗费大量的财力物力来维护，受到天气条件、轨道运动等的影 响，定标一次耗费的周期很长，并且目标单一，难以实现多点非线性校正。④ 利用自然界的均匀地面景物比如湖泊、草原、冰川等，但如此大面积的绝对均 匀的景物很少，同样也难实现高精度的非线性定标。⑤基于多轨数据的在轨统 计法，也是目前应用比较广的一种方法，该方法需要累积多轨图像数据，基于 直方图匹配建立直方图查找表，但是该方法必须确保各轨数据的稳定性。⑥国 外针对敏捷卫星提出的Side-slither定标方法（参见Radiometric correction of  RapidEye imagery using the on-orbit side-slither method，SPIE，2011），将卫星 偏航角旋转90°，需要选择雨林、沙漠、冰盖等相对均匀的场景作为定标源， 因此，对定标源的要求高，导致对定标区域的选择受限，从而影响了定标频次。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种与现有技术在 原理和实现方法上有区别的对非均匀场景同一区域成像的姿态调整与非线性定 标方法，该方法对定标场景的要求较低，不需要地面相对均匀的定标场景，非 均匀场景即可满足要求，因此，卫星运行的每轨都可以实现定标，能够满足高 频次的定标需求。

本发明的技术解决方案是：对非均匀场景同一区域成像的姿态调整与非线 性定标方法，通过以下步骤实现：

（1）卫星需要在轨定标时，根据像移速度计算初始偏流角β₀，并根据初始 偏流角调整卫星偏航角，调整的方式为将卫星偏航角逆时针旋转90°-β₀，进入 对非均匀场景同一区域成像的定标模式；

（2）在定标模式的成像过程中，通过对卫星姿态的调整控制线阵CCD成 像的推扫方向，使得线阵CCD阵列能够依次对非均匀场景同一区域成像，获得 线阵CCD阵列中不同CCD探测器对非均匀场景同一区域成像的图像数据；

（3）统计图像数据的直方图，判断所获得的图像数据是否满足进行非线性 定标的条件，如果满足则利用直方图匹配方法建立非线性定标映射关系表，否 则转步骤（4）；

（4）重新确定成像场景，执行步骤（1）、（2），得到新的图像数据，将新 的图像数据与之前的图像数据一起组成待统计的图像数据，执行步骤（3）。

所述步骤（2）中通过对卫星姿态的调整控制线阵CCD成像的推扫方向通 过以下步骤实现：

（2.1）将卫星偏航角调整后的时刻t作为起始时刻，t等于0，计算该时刻 的偏流角为β₁，令步进次数n等于1，继续执行步骤（2.2）；

（2.2）计算t等于n×L×T_int时刻的偏流角为β₂，L×T_int为时间间隔步长， 其中，L为线阵CCD的长度，即线阵CCD包含的探测器个数，T_int为线阵CCD 的积分时间；

（2.3）计算整个线阵CCD首末两个探测器的像移大小Δd，Δd=L×tan|β₂-β₁|， |.|表示取绝对值，如果Δd小于预设阈值δ，则不需要对当前时刻的卫星偏航角 进行调整，将β₂赋值给β₁、步进次数n值加1之后，重复步骤（2.2），否则需 要在当前n值所对应的时刻之前对卫星偏航角进行调整，即对卫星偏航角进行 调整的时刻在(n-1)×L×T_int～n×L×T_int之间，令i=1，继续步骤（2.4）精确计算对 卫星偏航角调整的时刻；

（2.4）对于时刻t_i=(n-1)×L×T_int+i×T_int，i=1,2,…,L，该时刻t_i所对应的偏流 角β₂′通过线性插值得到，β₂′=β₁+i×(β₂-β₁)/L，计算当前时刻第一个探测器与第i 个探测器的像移大小Δd_i=i×tan|β₂′-β₁|，当Δd_i小于阈值δ时，则i加1，i为小于 L的整数，重复步骤（2.4），当Δd_i大于阈值δ时，该时刻需要对卫星偏航角进 行调整，调整后重新开始执行步骤（2.1），直到在轨定标任务执行完毕。

所述步骤（3）中判断所获得的图像数据是否满足进行非线性定标的条件通 过以下步骤实现：

（1）将[0，H)的灰度区间分成三个灰度子区间，分别为子区间[0，H/4)、 子区间[H/4，3H/4]以及子区间(3H/4，H)，H为灰度级数；

（2）统计图像数据的直方图，计算所获得的图像数据在上述三个灰度子区 间的像素数目，分别记为M₁、M₂、M₃，并计算它们占所获得图像数据的总像 素数目N的百分比λ₁、λ₂、λ₃，λ₁=(M₁/N)×100%，λ₂=(M₂/N)×100%， λ₃=(M₃/N)×100%；

（3）如果λ₁<10%或λ₂<30%或λ₃<10%，则定标模式下的所获得的图像数 据不满足进行非线性定标的条件，否则满足进行非线性定标的条件。

本发明与现有技术相比有益效果为：

（1）本发明充分利用卫星姿态调整能力进行定标，不需要星上定标装置， 并且无需专门的地面相对均匀的场景作为定标源，一般的非均匀对地观测场景 即可满足定标要求。

（2）本发明在定标模式的成像过程中采取从粗到细的时间间隔步长精确计 算像移大小，通过调整卫星偏航角控制线阵CCD成像的精确推扫方向，使得线 阵CCD阵列能够依次对非均匀场景同一区域成像，获得线阵CCD阵列中不同 CCD探测器对非均匀场景同一区域成像的图像数据。

（3）本发明相比较基于大量数据统计的相对辐射定标方法，不需要积累多 轨成像数据，对定标源的要求不高，因此保证每轨都能实现定标成像，实现高 频次的定标，同一轨的定标可满足当前轨数据的辐射校正需求，真正做到“所定 即所用”，避免了由于不同轨数据之间的不稳定差异所带来的定标源本身不可靠 的问题。

（4）本发明提出利用统计图像的直方图概率密度函数判断所获得的图像是 否满足建立非线性定标的要求，保证了定标数据的有效性，灵活制定在轨定标 任务，并且利用直方图匹配方法建立非线性定标映射关系表，克服了由于相机 光子噪声、暗电流噪声等导致的各个探测器之间的非线性响应问题，避免了直 接拟合线性模型所带来的拟合误差。

附图说明

图1是本发明对非均匀场景同一区域成像的姿态调整与非线性定标的流程 图；

图2为常规成像模式与在轨定标成像模式对比示意图；

图3是本发明通过仿真给出的在轨定标时需要对卫星偏航角进行调整的大 小，其中，图3a～c分别为三个姿态角都为0°、不同滚动角与不同俯仰角（0°、 10°、20°、30°、40°）在不同纬度时需要对卫星偏航角进行调整的大小，图3d 为北纬40°时不同滚动角且不同俯仰角时需要对卫星偏航角进行调整的大小；

图4是本发明定标模式下整个线阵CCD阵列依次经过同一区域的示意图；

图5是本发明像平面运行线阵CCD长度后偏流角从β₁变为β₂的示意图；

图6是本发明满足对同一区域成像的条件时对卫星偏航角进行调整的最短 时间，其中，图6a～c分别为不同纬度下三个姿态角都为0°、不同滚动角与不同 俯仰角（0°、10°、20°、30°、40°）需要对偏航角进行调整的时间间隔，图6d 为北纬40°时不同滚动角且不同俯仰角时需要对偏航角进行调整的时间间隔；

图7是本发明卫星定标模式下的输出图像与旋转45°后的示意图。

具体实施方式

对非均匀场景同一区域成像的姿态调整与非线性定标方法，具体步骤如图 1所示，该方法由以下步骤实现：

1、卫星需要在轨定标时，根据像移速度计算初始偏流角β₀，并根据初始偏 流角调整卫星偏航角，调整的方式为将卫星偏航角逆时针旋转90°-β₀，进入对 非均匀场景同一区域成像的定标模式。

对非均匀场景同一区域成像的定标模式是将线阵CCD阵列的方向排布成 与卫星运动方向相近的方式，使得线阵CCD阵列能够顺序的对非均匀场景的同 一区域成像，这样就可以获得不同CCD探测器对非均匀场景同一区域成像的大 量数据。

线阵CCD相机在轨运行期间对地观测，由于地球自转导致线阵CCD运动 的投影线速度方向与相机相对被摄目标的移动方向不一致，两者之间的夹角即 为偏流角。在执行定标任务时，根据卫星的姿态速度、所摄景物星下点的地理 位置和高度、相机的焦距等参数，建立从地理坐标系G到像面坐标系P的变换 关系（参见：航天光学遥感器像移速度矢计算数学模型，光学学报，24（12）， 2004年）：

由公式（1）推导可得到公式（2）的像移速度和公式（3）的初始偏流角β₀：

$\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}}{|}_{t=0}=\left(\begin{array}{c}{\mathrm{dP}}_1/\mathrm{dt}\\ {\mathrm{dP}}_2/\mathrm{dt}\\ {\mathrm{dP}}_3/\mathrm{dt}\\ 0\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{V}_{P_1}\\ V_{P_2}\\ V_{P_3}\\ 0\end{array}\right)---\left(2\right)$

${\beta }_0=\arctan (V_{P_2}/V_{P_1})---\left(3\right)$

式中，f为线阵CCD的焦距，R为地球半径，H为卫星轨道高度，h为景 物地形高度，i₀为轨道倾角；γ表示在摄影时刻从升交点开始到卫星所对应的地 球中心角：γ=γ₀+Ωt，ω为地球自转角速率，Ω为在摄影时刻卫星轨道运行相 对地心的角速度；表示摄像时刻的偏航、俯仰和滚动角：以及分别表示初始姿态角及其角速度。

如图2所示为常规成像模式与在轨定标成像模式对比示意图，由于地球自 转导致的对星下点O₁成像时的偏流角为β₀，在轨定标模式下需要逆时针旋转卫 星偏航角90°-β₀。

本发明对在执行定标任务时需要对卫星偏航角进行调整的大小进行了仿 真，给定相机焦距2600mm，线阵CCD探测器个数12288个，卫星姿态参数都为0，偏航角ψ为0°（无偏航），俯仰角θ和滚动角取0°～45°范围内变 化值，卫星轨道高度645km，轨道倾角98°。如图3所示，通过仿真给出了执 行在轨定标时需要对卫星偏航角进行调整的大小，其中，图3a为三个姿态角都 为0°时在不同纬度需要对卫星偏航角进行调整的大小，可以看出，赤道附近偏 航角变化率小，越往两极方向偏航角变化率增大，在纬度±82°时偏航角调整大 小为90°。图3b为不同滚动角时在不同地球纬度需要对卫星偏航角进行调整的 大小，升轨时，在同一纬度滚动角增大，偏航角调整大小减小；降轨时，滚动 角增大，偏航角调整大小增大；无论升轨还是降轨，在纬度±82°时偏航角调整 大小为90°。图3c为不同俯仰角在不同地球纬度需要对卫星偏航角进行调整的 大小，升轨时，在同一纬度俯仰角增大，偏航角调整大小增大，在对星下点成 像时偏航角的调整最小；降轨时，在同一地球纬度俯仰角增大，偏航角调整大 小减小，在对星下点成像时偏航角的调整最大。图3d为纬度40°时不同滚动角 且不同俯仰角需要对偏航角进行调整的大小，随着滚动角增大，对偏航角调整 大小减小，俯仰角越大偏航角减小趋势越快。

2、在定标模式的成像过程中，通过对卫星姿态的调整严格控制线阵CCD 成像的推扫方向，使得线阵CCD阵列能够对非均匀场景同一区域成像，这样就 可以获得线阵CCD阵列中不同CCD探测器对非均匀场景同一区域成像的图像 数据。

执行定标任务在轨卫星偏航角旋转90°-β₀后，按照卫星在轨道的运行方向， 线阵CCD上的所有探测器可以对同一区域成像。但是，CCD相机在对景物点 成像过程中，由于飞行器轨道运动、地球自转和飞行器姿态变化，在成像过程 中都会存在景物和相机像间的相对运动，因此需要对卫星偏航角进行不断调整。 为了使所有探测器得到同一个区域的成像数据，它们必须通过同样点，一个接 一个地沿着地面上相同的轨线。在轨定标模式必须有一个合理的控制方式，允 许每一个探测器对准同一个区域，但是每个探测器的成像时间会有一个相应的 延迟。

如图4所示，卫星在位置A采用常规成像模式，通过调整偏航角之后，在 位置B采用定标成像模式，位置C为地面分辨率大小的景物，因此，本发明的 条件要求是整个线阵CCD必须能够对C按照顺序成像，即所有CCD探测器依 次经过位置C。

为保证在轨定标模式下对同一区域成像，需要不断计算偏流角，并根据偏 流角不断调整卫星偏航角控制线阵CCD的推扫方向。要求线阵CCD中的第一 个探测器与最后一个探测器的像移偏差不超过阈值δ，δ取值1～2个像素，如果 超过阈值δ则需要对卫星偏航角进行调整，否则不做调整。在定标成像模式下 下面给出判断是否需要对卫星偏航角进行调整的具体步骤：

（1）将卫星偏航角调整后的时刻t作为起始时刻，t等于0，计算该时刻的 偏流角为β₁，令步进次数n等于1，继续执行步骤（2）；

（2）计算t等于n×L×T_int时刻的偏流角为β₂，L×T_int为时间间隔步长，其 中，L为线阵CCD的长度，即线阵CCD包含的探测器个数，T_int为线阵CCD 的积分时间；

（3）计算整个线阵CCD首末两个探测器的像移大小Δd，Δd=L×tan|β₂-β₁|， |.|表示取绝对值，如果Δd小于预设阈值δ，不需要对当前时刻的卫星偏航角进 行调整，将β₂赋值给β₁、步进次数n值加1之后，重复步骤（2），否则需要在 当前n值所对应的时刻之前对卫星偏航角进行调整，即对卫星偏航角进行调整 的时刻在(n-1)×L×T_int～n×L×T_int之间，令i=1，继续步骤（4）精确计算对卫星偏 航角调整的时刻；

（4）对于时刻t_i=(n-1)×L×T_int+i×T_int，该时刻t_i所对应的偏流角β₂′通过线 性插值得到，β₂′=β₁+i×(β₂-β₁)/L，计算当前时刻第一个探测器与第i个探测器的 像移大小Δd_i=i×tan|β₂′-β₁|，当Δd_i小于阈值δ时，则i加1，i为小于L的整数， 重复步骤（4），当Δd_i大于阈值δ时，该时刻需要对卫星偏航角进行调整，调 整后重新开始执行步骤（1），直到在轨定标任务执行完毕。

本发明仿真在实现时取积分时间T_int等于0.32ms，线阵CCD长度L为12288 个像元，阈值δ取1个像元。

如图5所示为运行时间T_int×L后，即像平面运行线阵CCD长度后偏流角从 β₁变为β₂的示意图，要求这段时间内线阵CCD所有探测器都对同一区域成像。

为满足本发明方法的在轨相对辐射定标，需要12288个探测器经过非线性 场景的同一区域，按照上述偏航角的调整步骤，如图6所示仿真给出卫星降轨 运行时俯仰角θ和滚动角取0°～45°范围内变化对应的偏航角的调整时间间隔 （附图给出了卫星降轨运行时的仿真结果）。其中，图6a为三个姿态角都为0° 时在不同纬度需要对偏航角进行调整的时间间隔，可以看出在赤道附近对卫星 偏航角的调整间隔长、频次低，越往低纬度区域其间隔越短、频次相对高。图 6b为在不同纬度不同滚动角时需要对偏航角进行调整的时间间隔，可以看出在 相同纬度区域，滚动角越大调整时间间隔越长。图6c为在不同纬度不同俯仰角 时需要对偏航角进行调整的时间间隔，可以看出在相同纬度区域，俯仰角越大 调整时间间隔越小。图6d为北纬40°，不同滚动角且不同俯仰角时需要对偏航 角进行调整的时间间隔，可以看出随着卫星滚动角的增大对偏航角的调整间隔 越长、频次越低；在相同滚动角，俯仰角越大调整时间间隔越小、频次相对高。

3、在获取线阵CCD对非均匀场景同一区域成像的图像数据后，判断所获 得的图像数据是否满足进行非线性定标的条件，如果满足则利用直方图匹配方 法建立非线性定标映射关系表，否则转步骤4。

同一探测器对不同光照度下的响应通常表现为非线性，特别是光照度较低 区域，非线性特征更为明显。采用直方图匹配的方法进行非线性定标，一方面 可以解决CCD响应非线性的特点，另一方面相对线性定标模型来说，采用对地 面定标场景的选择不再要求是相对均匀的，而是一个非均匀的自然场景即可满 足定标要求。

3.1、判断所获得的图像数据是否满足进行非线性定标的条件。

为避免所获得图像数据中的某些灰度区间没有数据或数据过少，而影响建 立的非线性定标映射关系表，因此，需要对所获得图像数据的灰度分布情况进 行分析。

（1）将[0，H)的灰度区间分成三个灰度子区间，分别为子区间[0，H/4)、 子区间[H/4，3H/4]以及子区间(3H/4，H)，H为灰度级数；

（2）统计图像数据的直方图，计算所获得的图像数据在上述三个灰度子区 间的像素数目，分别为M₁、M₂、M₃，并计算它们占所获得图像数据的总像素 数目N的百分比λ₁、λ₂、λ₃，λ₁=(M₁/N)×100%，λ₂=(M₂/N)×100%，λ₃=(M₃/N)×100%；

（3）如果λ₁<10%或λ₂<30%或λ₃<10%，则定标模式下的所获得的图像数 据不满足进行非线性定标的条件，转步骤4，否则满足进行非线性定标的条件， 继续下述步骤3.2。

3.2、利用直方图匹配方法建立非线性定标映射关系表。

（1）对定标模式下的输出图像进行45°旋转，其旋转图像的同一行为所有 探测器对同一区域的成像。

每个探测器的成像数据在输出图像上表现为一列数据，而由于线阵CCD所 有探测器对同一区域先后依次成像，导致输出图像的45°对角线上的数据为不 同探测器对同一区域的成像。如图7所示为定标成像模式下的输出图像与旋转 45°后的示意图，旋转后每个行向量代表不同像元对基本相同输入的响应，每个 列向量代表同一探测器对不同场景的响应结果。

（2）计算整个图像的直方图概率密度函数p(l)=N_l/N，作为目标期望直方 图，其中，l=0,1,…,L-1，L为灰度级数，N_l是灰度值为l的像素数目，N是总 像素数目，期望直方图灰度值l对应的累积概率密度为：

（3）计算每个探测器图像的直方图概率密度函数，作为原始直方图，第h 个探测器的直方图中像素的灰度值为k的概率密度函数为：其 中，k=0,1,…,L-1，L为灰度级数，为第h个探测器中灰度值为k的像素数 目，M为总像素数目。第h个探测器的直方图灰度值k对应的累积概率密度为： $C_h\left(k\right)=\underset{i=0}{\overset{k}{\Sigma }}{p}_h\left(i\right)=\underset{i=0}{\overset{k}{\Sigma }}(M_i^h/M).$

（4）基于直方图匹配建立原始直方图与目标期望直方图的直方图映射关 系，得到该探测器的非线性定标映射关系表。对第i个探测器灰度值k的图像 数据来说，在期望直方图上总能找到一个l，使得C(l)≤C_h(k)≤C(l+1)，如果 |C(l)-C_h(k)|≤|C_h(k)-C(l+1)|，则用l代替k，如果|C(l)-C_h(k)|>|C_h(k)-C(l+1)|， 则用l+1代替k。

（5）重复步骤（3）和（4），用同样的方法处理所有的探测器，便可以得 到所有探测器的非线性定标映射关系表。

4、重新确定成像场景，执行步骤1、2，得到新的图像数据，将新的图像 数据与之前的图像数据一起组成待统计的图像数据，执行步骤3。例如，如果 步骤3中的λ₁不满足要求，说明缺少低灰度信息的数据，则需要选择海洋、植 被等低亮度区域进行定标成像；如果步骤3中的λ₃不满足要求，说明缺少高灰 度信息的数据，则需要选择沙漠等高亮度区域进行定标成像。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。