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高分七号卫星足印光斑质心提取方法与稳定性监测.docx
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2023-02-23
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高分七号卫星足印光斑质心提取方法与稳定性监测.docx
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摘要
高分七号卫星激光测高仪搭载激光监视相机和激光足印相机,获取的激光光斑和光学足印影
像可辅助激光定位。提出一种考虑外界环境对足印光斑成像质量影响的足印光斑质心提取
方法。将足印光斑和监视光斑进行最小二乘影像匹配,获取转换模型;由灰度重心法提取监
视光斑质心;利用监视光斑质心、通过转换模型得到足印光斑质心。对 100 组仿真光斑和 1
轨高分七号卫星足印光斑数据进行测试。结果表明:本文方法提取的光斑质心偏移量标准差
小于 0.08 pixel,较灰度重心法和高斯拟合法提高 0.1 pixel 以上。对时间跨度为 7 个月的 30
轨高分七号卫星足印光斑进行测试,得到两束足印光斑质心在地面的抖动范围均小于 1.2 m,
且其具有较好的中长期稳定性的结论。实验结果表明高分七号卫星激光测高仪激光器与光
学足印影像之间的几何关系稳定,可以使用光学足印影像辅助激光器进行在轨指向标定和几
何定位处理。
Abstract
The laser altimeter of the Gaofen-7 satellite is equipped with a laser surveillance camera
and a laser footprint camera to obtain laser spots and optical footprint images, so as to
assist laser positioning. In this paper, we proposed a method of extracting the footprint
spot centroid that took into account the influence of the external environment on the
image quality of the footprint spot. The least squares image matching between the
footprint spot and the surveillance spot was carried out to obtain the conversion model.
Then, the surveillance spot centroid was extracted by the gray centroid method. Finally,
the surveillance spot centroid was converted to the footprint spot centroid by the
conversion model. The data of 100 groups of simulated spots and 1 track of Gaofen-7
satellite footprint spot were used for the test. The results show that the offset standard
deviation of the spot centroid extracted by the proposed method was less than 0.08 pixel
and 0.1 pixel larger than those of the gray centroid method and the Gaussian fitting
method. 30 tracks of Gaofen-7 satellite footprint spots over a time span of seven months
were tested. The results show that both the two footprint spot centroids have a jitter
scope of fewer than 1.2 m on the ground, with good long-term stability. The experimental
results demonstrate that there is a stable geometrical relationship between the Gaofen-7
laser altimeter laser and the optical footprint image and that the optical footprint image
can be used to assist the in-orbit pointing calibration and geometric positioning
processing.
1 引言
激光作为一种主动遥感探测工具,由于具有方向性好、发散度小的优点,在航天测绘领域得
到了广泛的应用。美国率先开始激光测高技术方面的研究,并在 1971 年阿波罗计划中首次
开展了月球表面的激光探测
[1-4]
。我国于 2007 年成功发射嫦娥一号卫星,首次开展了月球表
面的高程观测
[5]
,并于 2016 年 5 月成功发射资源三号 02 星,利用其获取的卫星激光测高数
据有效提高了立体影像无地面控制的高程精度,也为接下来国产卫星激光测高的应用提供了
重要参考
[6]
。2019 年 11 月 3 日成功发射的高分七号卫星是我国首颗民用亚米级光学传输
型立体测绘卫星,搭载一个双波束激光测高仪,记录激光回波全波形数据和激光发射时的能
量分布状态,以确定激光的指向和光斑位置信息,从而为国产卫星地面高程控制点提供精确
的三维坐标数据
[7-9]
。
高分七号卫星搭载的激光测高仪可以高效精准地获取地面高程和地物高度等信息,但平面定
位精度还有很大的提升空间,因此以更高精度提取足印光斑质心具有重要的现实意义。目前
提取足印光斑质心的方法,如 Hough 变换法
[10]
、曲线拟合法
[11]
、灰度重心法(GCM)
[12]
、高
斯拟合法(GFM)
[13]
等,都在其适合的领域有较高的提取精度
[14-24]
。激光足印相机能同时对激
光光斑和地面成像,形成足印光斑影像。受地面地物反射和大气环境等外界因素的干扰,足
印光斑会出现光斑形状不规则、光强不均匀的现象,使用上述方法直接获取的激光指向和光
斑位置信息的精度不高。
基于上述问题,本文利用高分七号卫星激光测高仪激光监视相机受外界干扰较小的优点,使
用灰度重心法提取监视光斑质心,以监视光斑作为模板,使用最小二乘影像匹配法将监视光
斑与足印光斑匹配,获取转换模型,将提取的监视光斑质心转换成对应的足印光斑质心。在
使用 100 组仿真光斑测试验证方法精度后,选择 1 轨高分七号卫星足印光斑进行实验,以验
证所提方法的适用性;同时统计分析高分七号长时间序列的光斑质心变化,监测高分七号卫
星激光测高仪激光器与光学足印影像之间几何关系的稳定性,以为后续的星载激光器设计和
数据处理提供一定的参考。
2 本文方法
如图 1 所示,高分七号卫星搭载的激光测高仪有两个激光器,发射两道激光波束。在两个激
光器前分别安装一个带有分光器的取光组件,其中:98%的激光能量透过取光组件,经过二级
扩束系统准直后,在地面形成足印光斑;2%的剩余能量经过接收望远镜到达激光监视相机焦
面,形成监视光斑
[25]
。
图 1. 激光监视相机与激光足印相机的工作示意图
[25]
Fig. 1. Working diagrams of laser surveillance camera and laser footprint camera
[25]
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如图 2 所示,利用足印光斑影像同时对光斑与地物成像。受地物和天气等因素的影响,曝光
过程中会出现光斑形状不规则、光斑强度不均匀等现象,用传统方法直接进行光斑质心提取
会产生较大的误差。监视光斑影像是在激光监视相机焦面同时对两束激光光斑成像的结果,
该过程避免了外界的干扰。足印光斑与监视光斑能量强度不同,但两者来自同一束光,光斑
的能量分布状态一致,因此可以将监视光斑作为模板。
图 2. 高分七号监视光斑影像和足印光斑影像。(a)监视光斑影像;(b)足印光斑 1 影像;(c)足
印光斑 2 影像
Fig. 2. Gaofen-7 surveillance spot image and footprint spot images. (a) Surveillance
spot image; (b) image of footprint spot 1; (c) image of footprint spot 2
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资源评论
- WANGYunqi2023-03-25资源太好了,解决了我当下遇到的难题,抱紧大佬的大腿~
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