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星载斜视等距扫描成像.docx
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星载斜视等距扫描成像.docx
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0. 引 言
大幅宽成像可以缩短卫星的重访周期,提高观测的时间分辨率;高分辨遥感图像可以
提供更精细的几何特征信息,提高目标识别能力
[1]
;多角度遥感通过地面目标多个方向的
观察,使得对目标的观测信息更加丰富,为定量遥感提供了多元的信息,有利于提高遥感
数据定量化水平
[2]
;大幅宽、高分辨率、多角度三者结合,将会是未来对地遥感的重要发
展方向。
目前超大幅宽对地成像方式主要有多载荷视场拼接、高轨成像和光机扫描成像。其
中,光机扫描成像方式具有机动、灵活、容易实现且成本低的特点,在机载、航天大幅宽
成像观测中得到广泛应用
[3]
,如:美国 MODIS
[4]
、我国风云三号中分辨率成像光谱仪采用
反射镜摆扫的光机扫描方案
[5]
,美国 VIIRS、我国海洋一号 C/D 星上定标光谱仪以及正在
研制的新一代海洋水温水色仪采用主光学望远扫描的光机扫描方案
[6-9]
。但超大幅宽成像
时,传统光机扫描成像方式受观测斜距、地球曲率的影响,使得地面空间分辨率随扫描角
度增大而迅速降低,降低视场边缘目标可探性的;同时带来观测天顶角逐渐增大,成像幅
宽范围内大气斜程路径差异大,影响定量化应用的问题。
文中提出了一种基于斜视等距扫描的成像方法,旨在解决大幅宽光机扫描成像过程中
视场边缘地面空间分辨率急剧降低、不同像元大气程辐射差异大而影响定量化应用的问
题。推导了大幅宽斜视等距扫描成像过程中扫描方向与垂直扫描方向(线阵方向)空间分
辨率随扫描角度的关系式,幅宽随扫描角度的关系式;进一步给出了该成像体制,通过卫
星平台俯仰机动实现多角度观测时分辨率、幅宽的数学表达式,并进行了仿真分析。为大
幅宽成像提供了一种新的解决途径,对推动超大幅宽、高分辨率、多角度遥感的发展具有
一定参考意义。
1. 穿轨光机扫描问题分析
由于受观测斜距、地球曲率的双重影响,穿轨光机扫描成像方式空间分辨率随扫描角
度增大而迅速降低,导致地面轨迹存在明显的蝴蝶结效应
[10-11]
。以卫星运行轨道高度 705
km、相机焦距 4250 mm、探测器像元尺寸 10 μm、扫描角度范围[−60∘,60∘][−60∘,60∘]为
例,图 1 给出了中心视场像元沿轨 GSDxGSDx 及穿轨 GSDyGSDy 两个方向分辨率的退化
情况,可以看出沿轨与穿轨方向地面分辨率从星下点 1.66 m 分别退化到扫描边缘 4.25、
15.44 m,分辨率退化严重。图 2 给出了 1976 年美国标准大气、乡村可视距离 5 km 气象条
件下,该相机从星下点到视场边缘成像,可见到长波红外全谱段的大气程辐射在相机入瞳
总能量的占比随观测天顶角的变化趋势,星下点观测天顶角为 0°时大气程辐射占比为
图 2 大气程辐射在相机入瞳总能量的占比
Fig. 2 Proportion of atmospheric radiation in the total energy of imager entrance pupil
下载: 全尺寸图片 幻灯片
2. 斜视等距扫描成像
2.1 成像原理
如图 3 所示,建立坐标系,X 方向为卫星平台飞行方向,Z 方向指向地心,Y 方向满
足右手坐标系扫描镜与 XOY 平面夹角为 θθ,扫描镜旋转轴为 P,卫星不姿态机动时,P 轴
与 Z 方向平行。光学系统光轴方向与 Y 轴平行,探测器位置固定,线阵方向平行于 X 轴,
垂直线阵方向平行于 Y 轴。扫描成像过程中,探测器任一像元 ii 扫描的物方矢量为圆锥
形,对应的探测斜距相同,地面投影扫描轨迹为环带,中心视场像元对应的观测天顶角为
2θ2θ。因此,可以消除传统穿轨光机扫描成像时探测斜距对分辨率的影响。此外,采用斜
视等距观测时大气路径相同,大幅宽成像时不同视场的大气程辐射接近,利于降低大气程
辐射的影响及载荷的定量化应用。
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