基于五谱段合一多光谱相机影像的卫星颤振检测和补偿

提出了一种利用光学卫星五谱段合一多光谱相机影像定量检测卫星颤振,并采用点扩展函数(PSF)空间移变降质模型对影像进行恢复的方法。从时间延迟积分(TDI)电荷耦合器件(CCD)的工作原理出发介绍了卫星颤振对TDICCD影像的影响,提出了利用五谱段合一多光谱相机影像进行卫星颤振定量检测的方法,在颤振检测技术中,利用了稳定的相位辐角相关匹配算法进行波段间配准,算法的匹配精度可达到1/50pixel。提出了利用PSF空间移变降质模型对影像进行恢复的方法。对资源三号(ZY-3)北京区域的影像进行了实验,用清晰度、细节能量、边缘能量和图像对比度作为客观评价标准。结果表明,恢复后的影像客观指标提高约2倍。同时,用SPOT5同区域正射影像进行了客观指标的横向对比,对比的结果也初步表明能较好地恢复卫星颤振降质。     

基于分时积分亚像元融合的地球静止轨道平台消颤振技术

相较于低轨卫星线阵扫描成像模式,地球静止轨道面阵成像的曝光时间相对更长,更容易受到平台颤振的影响而造成图像模糊.为了消除由平台颤振引起的像质退化,本文提出了基于分时积分亚像元融合的方法.由于地球静止轨道的凝视成像特性,相机观察区域在长时间内保持不变,因此分时短曝光可以获得多帧目标内容相同,但模糊尺度更低的短曝光图像.然后对多帧短曝光图像采用基于能量区域质心法的相位相关算法进行亚像元图像配准,计算相对偏移量并进行补偿,位移探测准确度可达0.1像元以内,满足卫星平台应用需求.再按亚像元偏移量对多帧图像进行融合,融合的过程可以提升由于曝光时间缩短而降低的单帧图像信噪比,最终可以获得图像清晰度更高、信噪比与原长曝光图像相当、信息辨识度更好的遥感图像.     

基于分时积分亚像元融合的地球静止轨道平台消颤振技术

相较于低轨卫星线阵扫描成像模式,地球静止轨道面阵成像的曝光时间相对更长,更容易受到平台颤振的影响而造成图像模糊.为了消除由平台颤振引起的像质退化,本文提出了基于分时积分亚像元融合的方法.由于地球静止轨道的凝视成像特性,相机观察区域在长时间内保持不变,因此分时短曝光可以获得多帧目标内容相同,但模糊尺度更低的短曝光图像.然后对多帧短曝光图像采用基于能量区域质心法的相位相关算法进行亚像元图像配准,计算相对偏移量并进行补偿,位移探测准确度可达0.1像元以内,满足卫星平台应用需求.再按亚像元偏移量对多帧图像进行融合,融合的过程可以提升由于曝光时间缩短而降低的单帧图像信噪比,最终可以获得图像清晰度更高、信噪比与原长曝光图像相当、信息辨识度更好的遥感图像.     

探月光学

介绍了我国首次绕月探测嫦娥一号卫星的主载荷CCD立体相机与干涉成像光谱仪的原理、设计思想、技术措施与特色、设计结果以及在轨图像质量评估与检测. CCD立体相机采用一个广角物镜加一块面阵CCD的独特技术方案,从而使立体相机具有结构紧凑、小型轻量、配准精度高、航天环境适应性强等优点. 4种曝光时间与4种电子学增益共16组合,可以实现同轨不同纬度的曝光量调整. 干涉成像光谱仪采用了大比尺缩小的图像传递、2×2像元合并、矩形孔径光阑、2种曝光时间与3种电子学增益共6种组合的在轨曝光量调整等技术措施. 在轨运行表明,各项技术措施有效,达到了预期目标.     

大视场偏振多光谱相机的在轨辐射定标研究进展

大视场偏振多光谱相机比传统的光谱相机多探测角度和偏振两个维度的信息,尤其在气溶胶遥感监测领域,具有很大优势,所以在2020年前后全球将大量发射搭载该类载荷的卫星。作为定量化程度很高的光学载荷,在轨定标一直受到很大的重视。因受限于缺乏星上定标设备和低空间分辨率特点,使用自然景物作为替代参考光源进行在轨辐射定标。多角度偏振相机内部的辐射传递过程复杂,需要进行辐射定标的相机参数有多个。辐射定标系数包括辐射强度和偏振两种类型多个参数,使用的自然景物类型多,导致多种定标方法组合、并行发展。2018年新发射的高分五号卫星是我国第一颗,也是同期国际上唯一搭载偏振运行载荷的卫星,在其后国际上也会有多颗卫星搭载同类型传感器上天,有必要梳理替代定标的研究进展情况。文章系统介绍了大视场偏振多光谱相机的一般光学结构及其光谱设置等重要技术参数,梳理了相机的辐射传递模型。划分了绝对辐射强度、相对辐射强度和偏振参数三类来描述不同定标系数的在轨定标方法和原理。针对特定的待定标系数,介绍了在轨替代定标所需选用的自然景物目标和定标的流程方法。形成了大视场偏振多光谱相机在轨辐射定标的方法系统。并汇总了定标结果检验的一般方法。新的大视场偏振多光谱相机的在轨辐射定标,将继承原有研究基础,使用特殊自然景物开展定标。在后续的同类遥感相机在轨定标工作中,也可以充分借助同一个卫星平台上的其他载荷及其星上定标器、借助地面人工光源等方法开展新形式的在轨辐射定标。我国、欧洲以及美国等规划了新型偏振相机航天发射计划,面向未来几年的我国和欧美诸多同类相机,结合作者研究基础,对未来在轨定标方法进行了初步设计和展望。偏振类型的多光谱相机主要服务于大气颗粒物遥感监测,对我国当前关注的大气环境问题非常重要。卫星发射后持续的在轨辐射定标是保障卫星遥感产品反演精度的必要条件。系统的在轨定标研究梳理和在轨定标未来方法的初步设计将为后续卫星遥感应用系统提供方法和模型参考。     

无重叠图像期间的卫星平台颤振估计算法

提出了基于双重约束函数的无重叠图像期间的颤振估计算法。建立了视差图像与低频颤振相结合的双重约束函数,以评价无重叠图像期间颤振曲线的平滑度;采用共轭梯度法筛选颤振曲线平滑度最优解,并以此作为无重叠图像期间颤振的最佳估计;建立了无重叠图像期间与重叠图像期间颤振之间的函数关系式。以我国XX-1号可见光详查相机为例进行实验,颤振探测结果在被测颤振的频率既不等于也不接近特征频率的整数倍处具备有效性,证明了所提算法能够对无重叠图像期间非特征频率整数倍及其附近处的颤振进行有效探测。     

颤振对TDICCD相机像质的影响分析

为了分析卫星颤振对TDICCD相机像质的影响,给出了低频正弦颤振引起的相机像移,重点分析了滚动、俯仰、偏航三个方向的颤振对相机成像质量的影响.通过对两种卫星颤振动力学仿真数据的计算,具体研究了颤振对相机像质的影响程度.结果表明,TDICCD相机对卫星颤振幅值要求较高,且随TDI积分级数的增加,颤振的影响尤为突出,必须加以限制.     

风云三号C星全球导航卫星掩星探测仪首次实现北斗掩星探测

全球导航卫星掩星探测仪(GNOS)是国际首台北斗系统(BDS)和全球定位系统(GPS)双系统兼容掩星探测仪, 2013年9月23日随风云三号卫星C星(FY3 C)发射入轨, 目前已测得大量掩星数据. 介绍了FY3 C-GNOS的组成; 统计了2013年10月12日全天的FY3 C-GNOS掩星事件及其全球分布情况; 通过与GPS精密定轨结果进行对比分析, 测试了BDS在轨实时定位精度, 检验了BDS掩星产品的可靠性和一致性. 初步分析结果表明: 14颗BDS卫星在轨运营的条件下, BDS和GPS兼容掩星探测仪可将掩星事件数提高约33.3%; BDS实时定位平均偏差优于6 m, 标准偏差优于7 m; 5-25 km高度范围内, BDS与GPS内符合精度大气折射率优于2%, 温度优于2 K, 湿度优于1.5 g/kg, 压强优于2%, 电离层峰值密度优于15.6%. GNOS的在轨正常运行及BDS与GPS掩星定位精度及反演产品的一致性为北斗掩星探测的业务化运行奠定了基础.     

基于低体分SiC/Al主镜框的空间相机主支撑结构热特性分析与验证

基于微小卫星平台对高分辨相机的重量约束,以高分微纳卫星CX6-02数字超分辨相机研制为例,提出一种基于低体分SiC/Al主镜框的空间相机主支撑的结构形式,并开展主镜框一体拓扑优化设计分析和试验验证。Zernike多项式计算及光机热集成仿真结果验证了低体分SiC/Al主镜框作为空间相机主支撑结构的有效性。热光试验数据及在轨成像结果表明,兼具主支撑功能的低体分SiC/Al主镜框的空间相机试验数据与仿真数据基本吻合,且性能稳定,可为未来采用低体分SiC/Al主镜框作为主支撑的航天相机轻量化设计和研制提供理论与技术参考。     

TDICCD相机的卫星姿态稳定度确定

为解决卫星平台振动造成的图像质量下降问题,提高TDI CCD相机成像质量,分析了卫星姿态稳定度的范围及影响。讨论了卫星平台振动与TDI CCD成像质量的相关性,推导了卫星平台姿态稳定度和像移的关系公式,得出TDI CCD相机对卫星姿态稳定度的要求与轨道高度以及积分级数有关。实验验证了公式推导,结果显示：轨道高度越高,积分级数越大,对卫星姿态稳定度的要求就越严格。数据表明：轨道高度在200～1000 km变化时,对卫星姿态稳定度的要求从0.0377 rad/s提升至0.00635 rad/s;TDI CCD 相机的积分级数在1～100间变化时,对卫星姿态稳定度的要求从0.014 rad/s提升到0.00014 rad/s。本文工作确定了卫星姿态稳定度和轨道高度以及积分级数的关系,有助于TDI CCD成像质量的提升。     

基于稳定场地再分析资料的多源遥感器替代定标

为监测多源卫星遥感器在轨辐射性能,提出了基于均匀稳定目标再分析基准数据库的替代定标方法。以均匀稳定的敦煌辐射校正场为实验场区,在分析场区历史光谱和大气数据的基础上,建立了地表反射率参考与实时气溶胶估算模型;并结合现有反射率基法定标模型实现了资源一号02C(ZY-1 02C)、资源三号(ZY-3)和高分一号(GF-1)卫星多个遥感器的辐射定标。采用星地同步实测数据和常规外场定标方法对获取的定标系数进行验证,结果表明:基于类似敦煌场的稳定目标再分析资料可实现多源遥感器的辐射定标;定标后的辐亮度与基于实测数据反演的辐亮度平均差异小于5.0%,且与常规外场定标结果总体精度相近。该方法可用于多源卫星遥感器在轨辐射性能日常检测,并为定标系数修订提供参考。     

一种适合高光谱卫星云识别的Fmask改进算法

近年来，我国卫星高光谱技术发展迅猛，高分五号、高分五号02星、资源一号02D星、资源一号02E星等相继发射为遥感领域带来了丰富的高光谱数据源。但高光谱卫星在成像过程中不可避免地会受到云及云阴影的影响，如何准确识别成为保障后续应用的关键，Fmask算法作为国内外诸多算法中的典型代表，已被Landsat和Sentinel业务化产品生产系统采用。Fmask算法作为国内外诸多算法中的典型代表，已被Landsat和Sentinel业务化产品生产系统采用。但该算法对于缺少热红外波段的数据精度偏低，例如对Sentinel-2数据的云和云阴影识别精度分别为84.5%和50%左右。鉴于此，本文通过在原有算法中优化云及云阴影识别算法结构、增加高亮地物识别辅助判据等改进手段，提出了一种适合高光谱卫星的Fmask改进算法，并在含有城区、山地、平原等三类不同下垫面场景的20景高分五号和资源一号高光谱影像中进行检验，结果表明：云识别的用户精度和生产者精度可达91.26%和99.97%，云阴影识别精度达到78.66%和79.41%，明显优于原始算法。本文算法对于高光谱数据的云及云阴影识别具有精度高、效果稳定和易于工...     

带噪声模拟仿真星图的实现

本文对星敏感器的姿态参数进行仿真计算,实现了观测星的提取及星图模拟。根据二维高斯分布模型对星点进行灰度弥散;考虑了噪声等因素的影响,实时模拟星敏感器在轨状态下拍摄星空的真实星图。实验证明,通过仿真模拟在轨运行卫星所拍摄的星图,可以为星敏感器星点提取、星图识别、姿态解算等功能算法提供验证。     

实践十号返回式卫星自主安全控制策略设计

自主运行和健康管理是航天技术发展的一个重要趋势。为确保实践十号返回式卫星在飞行中的设备安全、整星能源安全和自主运行需求,从卫星系统层面进行了自主安全控制设计。首先,可以使卫星在测控弧段之外出现地面无法反应的故障时能够启动自主安全保护模式;其次,可以使卫星自主执行程序化的功能,减轻地面人员的遥控数据上注压力。实践十号卫星在轨飞行中所采取的系统级自主安全控制策略以及工程设计经验,是对航天自主运行和健康管理技术的有益探索和尝试,对后续航天器的设计有很大的借鉴意义。     

动态阈值云检测算法改进及在高分辨率卫星上的应用

基于先验地表反射率数据库支持的动态阈值云检测算法(UDTCDA)可以显著提高卫星数据的云检测精度。为进一步提高其在波段相对较少的高空间分辨率卫星数据云检测应用中的精度,改进了UDTCDA中先验地表反射率数据与待检测卫星数据的空间匹配方法。与原方法使用重采样达到空间分辨率一致不同,该方法根据待检测影像高空间分辨率的特点,采用逐像元空间地理坐标配准的方法与真实地表反射率数据进行配准,然后进行云像元检测。该方法保留了高分辨率影像空间分辨率的优势,可以有效降低空间重采样造成的像元信息丢失。分别使用资源3号、高分1号、高分2号和高分4号高分辨率卫星数据开展云检测实验。通过遥感目视解译的方法对结果进行精度验证,并与UDTCDA云识别结果进行对比。结果表明,改进后的算法能以较高的精度识别不同高分辨率卫星影像中的云,总体精度可达到93.92%,对于碎云和薄云具有整体较高的识别精度,漏分误差和错分误差分别低于10.40%和9.57%。     

采用时序多谱段信号分析的空间目标运动状态辨识

为表征在轨卫星的自旋稳定、三轴稳定和"翻滚"三种运动状态,提出了一种基于可见光时序多谱段信号分析的目标运动状态辨识方法,分析了目标运动状态与观测星探测视场内时变的目标表面材料间的对应关系,以及材料属性/种类与时序双色比聚类信息之间的关联性。提出了基于时序双色比特征高斯混合聚类的目标表面材料种类判别算法以及目标运动状态辨识算法。综合考虑卫星的背景特性、材料特性、结构特性、轨道特性,对三种运动状态卫星的多谱段信号进行了数学仿真,对目标运动状态辨识算法进行了验证,证明了所提出算法的有效性。     

采用时序多谱段信号分析的空间目标运动状态辨识EI北大核心CSCD

为表征在轨卫星的自旋稳定、三轴稳定和"翻滚"三种运动状态,提出了一种基于可见光时序多谱段信号分析的目标运动状态辨识方法,分析了目标运动状态与观测星探测视场内时变的目标表面材料间的对应关系,以及材料属性/种类与时序双色比聚类信息之间的关联性。提出了基于时序双色比特征高斯混合聚类的目标表面材料种类判别算法以及目标运动状态辨识算法。综合考虑卫星的背景特性、材料特性、结构特性、轨道特性,对三种运动状态卫星的多谱段信号进行了数学仿真,对目标运动状态辨识算法进行了验证,证明了所提出算法的有效性。     

基于改进迭代最近点算法的两视角激光雷达数据配准

两视角激光雷达数据配准是空地探测遮蔽目标研究领域中的一项重要内容,迭代最近点（ICP）算法为其提供了理论基础,但遮蔽条件下激光雷达数据的复杂性使ICP算法在对应点确定上面临很大困难。在分析ICP算法基本原理和遮蔽条件下激光雷达数据特点的基础上,从控制点选择、对应点匹配和伪点对剔除三个方面给出了ICP算法的具体应用策略和改进措施,并提出一种基于固定-自适应重叠率的伪点对剔除方法。详细阐述了基于改进ICP算法的两视角激光雷达数据配准的具体步骤,并进行了实验验证。实验结果表明：改进后的ICP算法能够有效实现了遮蔽条件下的激光雷达数据配准,且与其他算法相比,具有较强的稳建性和较高的配准精度。     

运动状态对卫星多谱段光学特性的影响分析

综合考虑卫星的背景特性、材料特性、结构特性和轨道特性,研究了在轨运行卫星存在的自旋稳定、三轴稳定和"翻滚"三种运动状态对卫星光学特性的影响。基于光辐射理论,结合探测器的性能参数,建立了自旋稳定、三轴稳定和"翻滚"三种运动类型卫星的多谱段光学特性计算的数学模型,并进行了实验验证。以海洋一号卫星和实践二号卫星为例,进行了运动状态对卫星多谱段光学特性影响的仿真分析。仿真结果表明,不同运动状态的卫星多谱段辐射特性存在较大的差异。分析结果可为卫星的探测和辨识提供一定的参考价值。     

光场相机中微透镜阵列与探测器配准误差分析

为了减少光场相机结构对光场图像数字对焦结果的影响,针对微透镜阵列为矩阵式排列的光场相机结构,定性分析了微透镜阵列与成像探测器之间的耦合距离误差、旋转角度误差和倾角误差这三个主要配准误差来源,分别提出了配准条件,并通过仿真实验加以验证。实验结果表明,当配准超出限制条件时,会导致对焦重构图像出现模糊、混叠等失真,缩小精确对焦的深度范围。