[發(fā)明專利]一種星載TDI CMOS相機成像仿真方法及設備

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710616589.1
• 申請日: 2017-07-26
• 公開（公告）號: CN107451957B
• 公開（公告）日: 2020-08-07
• 發(fā)明（設計）人: 高小明;李國元;陳繼溢;袁小棋;劉詔;陳乾福;趙嚴銘
• 申請（專利權(quán)）人: 國家測繪地理信息局衛(wèi)星測繪應用中心
• 主分類號: G06T3/60
• 分類號: G06T3/60;G06T5/00;G06F30/20
• 代理公司: 北京三聚陽光知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11250
• 代理人: 陳博旸

本發(fā)明提供了一種星載TDI CMOS相機成像仿真方法及設備，該方法包括根據(jù)CMOS相機的幾何參數(shù)、衛(wèi)星姿軌數(shù)據(jù)，獲取CMOS瞬時焦面成像區(qū)域的數(shù)據(jù)源范圍，獲取成像區(qū)域地表反射率和大氣傳輸模擬參數(shù)，根據(jù)影像地面分辨率計算積分時間間隔，獲取每個積分時刻的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)，將CMOS像元均勻劃分為若干個子像元，根據(jù)上述參數(shù)獲取各積分時刻CMOS相機入瞳輻射度影像，對CMOS相機入瞳輻射度影像進行濾波，得到每個積分時刻的CMOS焦面輻射度影，將其轉(zhuǎn)換為電荷數(shù)影像，得到每個積分時刻的電荷數(shù)影像，將其進行積分延遲累加，并進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到一幅灰度值影像。本發(fā)明解決了現(xiàn)有的測繪遙感衛(wèi)星采用TDI CCD相機具有很多局限性，而針對TDI CMOS相機成像仿真研究少的問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及衛(wèi)星成像仿真技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種星載TDI CMOS相機成像仿真方法及設備。

背景技術(shù)

隨著航天遙感技術(shù)的發(fā)展，人們對遙感數(shù)據(jù)的更新頻率要求越來越高。遙感影像的時間分辨率須達到一天甚至數(shù)小時。然而，類似資源三號這種大平臺衛(wèi)星不僅成本高，衛(wèi)星機動性能有限，難以滿足日益提高的影像獲取速度。搭載CMOS成像傳感器的小型衛(wèi)星由于成本較低，可以形成衛(wèi)星星座，獲得小時級別時間分辨率的影像，正在成為航天遙感領(lǐng)域的一個新趨勢。

相比于傳統(tǒng)CCD成像傳感器，CMOS傳感器具有功耗低、集成度高、體積小、抗干擾能力強等優(yōu)點，并且CMOS傳感器可以在實現(xiàn)連續(xù)級數(shù)的積分成像，而CCD成像傳感器只能滿足幾個固定積分級數(shù)的成像要求。因此CMOS成像傳感器在航天遙感領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的潛力，有逐漸取代CCD傳感器的趨勢。

傳統(tǒng)的測繪遙感衛(wèi)星(如資源三號)大都采用TDI CCD成像傳感器，通過線陣推掃的方式獲取地表影像。而新型的CMOS成像傳感器在很多方面與CCD不同。CCD傳感器將入射的光子在光電轉(zhuǎn)換單元(像元)里形成的電荷轉(zhuǎn)依次轉(zhuǎn)移輸出，通過像元陣列外部的組件轉(zhuǎn)換為模擬信號，然后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。CMOS傳感器將控制和轉(zhuǎn)換組件集成到像元里面，在每個像元內(nèi)部將入射的光子轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。這使得CMOS傳感器與CCD傳感器具有不同的積分成像方式。另外，與CCD傳感器一次形成一行影像不同，星載CMOS傳感器一次成像輸出一幅二維影像。因此，星載CMOS傳感器獲取的影像與CCD線陣推掃影像具有很多不同的特性。

衛(wèi)星成像仿真已經(jīng)成為現(xiàn)代衛(wèi)星工程中的一個重要環(huán)節(jié)。我國首顆民用傳輸型立體測繪衛(wèi)星資源三號的成功很大程度上得益于先前對衛(wèi)星各項技術(shù)指標的詳細論證，而衛(wèi)星成像仿真在資源三號的技術(shù)指標論證和地面應用系統(tǒng)建設中都發(fā)揮了重要作用。然而傳統(tǒng)的CCD傳感器成像模擬方法不能直接運用于CMOS傳感器成像仿真與分析。為分析星載CMOS傳感器成像特性和外界影響因素對成像質(zhì)量和誤差定位的影響，反饋到衛(wèi)星和傳感器的優(yōu)化設計中，以便提高其影像的精度和使用價值，需要研究星載TDI CMOS相機成像仿真技術(shù)。

在衛(wèi)星成像仿真技術(shù)領(lǐng)域，國內(nèi)外學者提出了物理仿真、半物理仿真和計算機數(shù)值仿真三種技術(shù)途徑，其中計算機數(shù)值仿真的工程成本最低。采用計算機數(shù)值仿真實現(xiàn)在軌動態(tài)成像過程的全鏈路的流程，能比較全面地模擬衛(wèi)星的設計技術(shù)指標對衛(wèi)星在軌成像質(zhì)量的影響，建立起衛(wèi)星設計參數(shù)與在軌成像質(zhì)量之間的直接關(guān)聯(lián)。真實的衛(wèi)星相機成像是對真實的地面物理場景進行輻射信息采集和轉(zhuǎn)化的過程，進行計算機數(shù)值仿真同樣需要一個數(shù)值化的地面模型，這個地面模型需要包括地面每一點的幾何信息和輻射信息。換句話說，地面模型由幾何模型和輻射模型構(gòu)成，幾何模型提供每一地面點的幾何信息，輻射模型提供地面每一點的輻射信息。

現(xiàn)有的仿真軟件和方法大都針對傳統(tǒng)的TDI CCD成像傳感器，因此針對星載TDICMOS相機成像仿真研究十分迫切。衛(wèi)星影像質(zhì)量是傳感器性能、衛(wèi)星平臺運動、工作環(huán)境等一系列因素綜合作用的結(jié)果。實現(xiàn)星載TDI CMOS相機成像仿真需要綜合考慮各種影響因素，設計合理的技術(shù)指標和工作模式才能實現(xiàn)星載TDI CMOS相機在軌時間延遲積分成像仿真。

發(fā)明內(nèi)容