[发明专利]一种面阵旋转扫描航天相机成像系统的参数设计方法

说明书

本发明公开了一种面阵旋转扫描航天相机成像系统的参数设计方法，该成像系统主要由光学系统、探测器系统和一维扫描系统组成，光学系统和探测器系统组成的面阵相机以一定的倾斜角度安装在一维扫描系统上，通过面阵相机的一维旋转实现对地面的“环形扫描”从而实现超大幅宽覆盖。该相机成像系统设计目标主要关注面阵旋转扫描航天相机的四个关键性能指标，包括幅宽、分辨率、扫描重叠率、信噪比，通过分析以上四个性能指标与相机系统参数之间的关系，提出一种基于“宽幅高分”“无漏扫”“可检测”三个设计原则的系统关键参数设计方法，实现输入对面阵旋转扫描航天相机的性能要求即可完成面阵旋转扫描航天相机的系统关键参数设计。

技术领域：

本发明涉及到航天相机设计领域，具体指一种面阵旋转扫描航天相机成像系统的关键参数设计。

背景技术：

宽幅高分辨率成像是当今光学遥感相机的发展趋势。目前通用的光学遥感相机增大成像幅宽的成像方法有：多星组网、卫星快速机动、多相机组合、多CCD探测器拼接、扫描成像。其中前四种方案虽然一定程度上增大了成像幅宽，但同时也大大增加了系统的数量、体积、重量、功耗，硬件成本巨大。目前一种新型的面阵旋转扫描航天相机利用简单的旋转机构即可对地物的旋转扫描进而实现超宽幅覆盖，但是对于这种面阵旋转扫描航天相机的系统参数设计研究较少，现有的相关文献只对个别系统参数进行了设计需求的研究，亟需提出一种包括完整系统参数的系统设计方法。

发明内容

本发明的目的在于弥补现有技术的上述空白，解决面阵旋转扫描航天相机的系统参数设计问题。

本发明所述一种面阵旋转扫描航天相机的系统设计方法，该方法将基于四个关键性能指标，包括幅宽、分辨率、帧间重叠率、信噪比，通过分析以上四个性能指标与相机系统参数之间的关系，提出一种基于多目标优化的系统参数设计方法，为面阵旋转扫描航天相机的系统参数设计提供技术支持。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

步骤一，选定面阵探测器规模(M，N)，根据相机成像系统的幅宽SW、地面分辨率GSD要求，利用次要目标约束化结合内点法的优化方法，得到相机成像系统的轨道高度H、相机安装倾角θ、镜头焦距f和探测器像元尺寸a：

以设计幅宽SW和分辨率GSD分别达到目标幅宽SW₀＝1000km和目标分辨率GSD₀＝1m为约束条件，优化目标设定为相机角分辨率ε最大：

采用次要目标约束化的思想将多目标非线性约束的优化问题化为单目标约束问题求解，将前两个优化目标设置为约束，对于轨道发射能耗控制要求轨道高度约束在范围[H₁，H₂]；对于转动机构稳定性要求相机安装倾角约束在范围[θ₁，θ₂]；对于探测器制造能力要求像元尺寸a约束在范围[a₁，a₂]；对于镜头设计能力要求焦距f约束在范围[f₁，f₂]，则优化问题表述为：

其中，

SW(H，θ，a，f)＝2R_e·θ_e(x₁，y₁)

θ(x，y)＝arccos(cos(θ+arctan(xε))cos(arctan(yε)))