FY-2自旋穩(wěn)定氣象衛(wèi)星動態(tài)月球觀測與圖像配準*

陳博洋,郭 強,常 翔,李榮旺,馮小虎,張志清

(1.國家衛(wèi)星氣象中心 北京 100081;2.云南天文臺,昆明 650011)

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FY-2自旋穩(wěn)定氣象衛(wèi)星動態(tài)月球觀測與圖像配準*

陳博洋1*,郭 強1,常 翔2,李榮旺2,馮小虎1,張志清1

(1.國家衛(wèi)星氣象中心 北京 100081;2.云南天文臺,昆明 650011)

為滿足基于月球輻射校正的內黑體絕對輻射定標對月球觀測數(shù)據(jù)的需求,設計了FY-2衛(wèi)星的動態(tài)月球觀測模式,在新的工作模式下觀測到了高質量的月球圖像。為獲取高質量的月球圖像,根據(jù)FY-2衛(wèi)星自旋穩(wěn)定平臺的特點,以及靈活的觀域調整和區(qū)域掃描功能,重新設計了衛(wèi)星工作時序,并更改了衛(wèi)星地面控制系統(tǒng)軟件,在衛(wèi)星常規(guī)20°×20°視場外,拓展出了10°×20°的月球觀測區(qū)域,實現(xiàn)了月球的動態(tài)追蹤觀測,實踐證明,觀測模型精度優(yōu)于30 s;根據(jù)月球圖像特點,設計了偽目標剔除算法,通過對目標位置、形態(tài)特性等條件自動判斷實現(xiàn)了從衛(wèi)星云圖中自動、準確提取出月球圖像的功能;根據(jù)月球在衛(wèi)星視場里的動目標特性,以FY-2衛(wèi)星自旋掃描成像的工作原理和具體的性能參數(shù),計算得到了動目標的相對角速度,據(jù)此發(fā)展了動目標配準算法、消除了月球運動造成的變形和位移,實現(xiàn)了月球圖像配準。工作獲得了常規(guī)觀測3倍數(shù)量的月球圖像,有力地保障了FY-2衛(wèi)星輻射定標性能,促進了遙感數(shù)據(jù)定量化應用。

衛(wèi)星遙感;月球;區(qū)域觀測;圖像配準

風云二號(FY-2)靜止軌道氣象衛(wèi)星是我國主用的氣象觀測衛(wèi)星,在天氣預報和防災減災中發(fā)揮著重要作用。2012年后,郭強等人提出了基于月球觀測的FY-2E星水汽波段交叉定標方法,220 K低溫目標區(qū)定標精度平均提高了約3.5 K[1],并進一步發(fā)展了一套全新的基于月球輻射校正的內黑體絕對輻射定標(CIBLE)方法[2]。在CIBLE方法中,月球是衛(wèi)星輻射定標的基準源,它決定了整體輻射測量精度中的系統(tǒng)性偏差量,因此月球觀測圖像的重要性凸顯。常規(guī)觀測中,只有當月球出現(xiàn)在衛(wèi)星視場內且沒有被地球遮擋時,才能被衛(wèi)星觀測,頻次遠遠不夠定標需求;并且由于FY-2視場內存在雜散光,月球觀測圖像的輻射精度也不夠,制約定標精度進一步提高。為滿足CIBLE定標對月球圖像的需求,新的觀測模式研究與應用迫在眉睫。CIBLE定標是我國具有自主知識產(chǎn)權的新定標方法,月球觀測與配準需求也是同類對地觀測衛(wèi)星首次面臨的新需求,國際上尚無此工作的公開報道。專用的對月觀測衛(wèi)星[3-4]的目標就是月球,因此觀測時長、空間分辨率等資源與FY-2有根本性差異,所以借鑒性不強。

針對以上問題,基于FY-2靜止氣象衛(wèi)星采用自旋穩(wěn)定平臺、以精太陽敏感器提供信號來確定光學視場的指向[5],進而捕捉觀測目標的工作方式,建立了自旋穩(wěn)定靜止軌道氣象衛(wèi)星動態(tài)月球觀測模型,在衛(wèi)星地面控制系統(tǒng)中重新設置衛(wèi)星工作參數(shù),在FY-2衛(wèi)星原有的傳統(tǒng)20°×20°視場西側,新開辟了10°×20°視場,并利用衛(wèi)星南北掃描行可以設置為<2 500行[6]的區(qū)域掃描功能,實現(xiàn)了月球的連續(xù)追蹤觀測,獲取了高頻次、高輻射精度的月球圖像;為保證CIBLE定標高頻次不間斷運行的需求,設計了月球圖像自動提取算法;最后,靜止氣象衛(wèi)星對月觀測不同于對地觀測,地球在衛(wèi)星視場內位置基本固定不變,而月球在衛(wèi)星視場內的快速運動可以導致圖像幀內失配,幀內配準是月球數(shù)據(jù)應用的基礎[7],對月球在衛(wèi)星視場內的運動特性進行了準確分析,基于數(shù)字圖像處理技術重新設置了采樣函數(shù),完成了月球幀內配準,提供了高質量的月球觀測數(shù)據(jù)。

1 FY-2衛(wèi)星動態(tài)月球觀測

1.1 自旋穩(wěn)定衛(wèi)星觀測模型

FY-2是自旋穩(wěn)定靜止軌道氣象衛(wèi)星,觀測模型見圖1[8]。

圖1 FY-2觀測模型

圖1是FY-2的工作模型,衛(wèi)星以100 rad/min的轉速在其定點位置高速旋轉,類似于陀螺,有一定的穩(wěn)定度。衛(wèi)星光學視場窗口在衛(wèi)星側壁上,衛(wèi)星旋轉時,先由精太陽敏感器進行太陽觀測,然后以觀測太陽的脈沖作為時間基點,在轉過大小為β-10的角度后探測器開始采集數(shù)據(jù),β是太陽-衛(wèi)星-地球之間的夾角,這與常用的面陣太陽敏感器[9]不同,只能提供運動維上的指向信息。β由太陽、衛(wèi)星和地球三者的天文位置計算,保證探測器開始采集數(shù)據(jù)后的東西向20°視場內包含地球目標[10],衛(wèi)星旋轉20°后探測器關閉;探測器隨衛(wèi)星轉動,形成東西方向掃描,采集到目標區(qū)的一行圖像,在20°視場觀測完畢后,衛(wèi)星的南北指向鏡從北向南轉動一個角度,下一個20°觀測窗口開啟時,新一行圖像緊鄰上一行圖像,衛(wèi)星每0.6 s旋轉一圈,一張全圓盤云圖需要南北鏡步進2 500步,成像時間為0.6×2 500=1 500 s,即每25 min觀測一張完整的地球圓盤圖,圖上每個像素的觀測時間都不同。

1.2 結合區(qū)域掃描的月球動態(tài)觀測

月球圍繞地球公轉,不計天平動影響,月球軌道有規(guī)律的穿過天赤道區(qū),當月球穿過天赤道區(qū)出現(xiàn)在衛(wèi)星視場中時,有可能被衛(wèi)星觀測到,理論上每半個月可觀測到一次月球[11]。但是,由于地球的遮擋,常規(guī)的對地觀測的月球觀測頻次較低,并且FY-2云圖中臨近地球的區(qū)域雜散光比較強[12],為了提高月球觀測頻次、避免雜散光對輻射定標精度的影響,設計了拓展視場專門用于月球動態(tài)觀測,大大增加了月球觀測的頻次并提高了數(shù)據(jù)質量。拓展視場見圖2。

圖2 FY-2衛(wèi)星月球觀測視場

(1)

(2)

式(1)和式(2)可以計算出月球目標在衛(wèi)星視場內的俯仰角和方位角,當α和γ出現(xiàn)在衛(wèi)星常規(guī)視場左側10°×20°范圍內時,則調整衛(wèi)星觀測視場提前10°開啟進行觀測,為了配合現(xiàn)有的衛(wèi)星控制系統(tǒng)軟件工作模式,根據(jù)衛(wèi)星以β角控制觀測窗口的特性,月球觀測時生成β′=β-10代替β來控制衛(wèi)星,達到了提前開啟視場的目的;為了節(jié)省觀測時間,利用FY-2靈活的區(qū)域觀測功能,設置衛(wèi)星t0時刻的起始觀測行數(shù)為ls=1 250-γ*180/(0.008*π)-300,其中0.008是探測器瞬時視場,ls保證起始觀測行在月心北側300行,并設置衛(wèi)星觀測6 min即重新開始下一次觀測。

按照以上算法增加衛(wèi)星地面控制系統(tǒng)月球預報模塊并修改衛(wèi)星控制模塊。

1.3 觀測結果

利用FY-2F星進行實驗,用修改后的衛(wèi)星地面控制系統(tǒng)軟件控制衛(wèi)星,月球觀測圖像如圖3所示。

圖3 FY-2F區(qū)域掃描連續(xù)月球觀測圖

圖3累計了連續(xù)6次月球動態(tài)觀測數(shù)據(jù),顯示了月球由西向東的運動規(guī)律。在實際觀測圖像中確認月球質心在圖像中的真實位置[px0,py0],用其檢驗預報的月球質心在圖像中的位置[px1,py1],通過位置的差別計算出月球預報的精度,數(shù)據(jù)表明月球動態(tài)觀測模型誤差優(yōu)于30 s,由于預報精度僅由衛(wèi)星運行參數(shù)決定,與成像參數(shù)如空間分辨率、時間分辨率等無關,所以預報模型可拓展到其他衛(wèi)星應用;根據(jù)實觀月球圖像統(tǒng)計,有效月球圖像數(shù)量是常規(guī)觀測的3倍以上:月球觀測角度計算的精度符合衛(wèi)星控制需求、衛(wèi)星地面控制系統(tǒng)軟件更改正確,完成了月球動態(tài)觀測功能,獲取了高質量的月球圖像。

2 月球圖像自動提取

為實現(xiàn)月球觀測與處理的自動化運行,要從整幅云圖中自動提取出月球圖像,要求區(qū)域大小為100 pixel×100 pixel,并且區(qū)域內沒有計數(shù)值范圍接近月球的偽目標。目標提取需要根據(jù)目標特征設計相關算法[13],針對月球遙感特征,設計了一套月球自動提取算法。圖4是月球圖像自動提取算法的流程示意圖。

圖4 提取月球圖像的流程

根據(jù)月球在FY-2云圖中的位置特點、顯示特征以及噪聲特性等分別設計濾波器,具體提取算法流程為:

①圖中半徑8.7°的圓代表地球,以地球中心為圓心、(8.7+0.15)°為半徑剔除圓形區(qū)域,0.15°是考慮地球位置不確定性和近地大氣影響[14],以避免地球和月球過于接近時,地球及大氣對月球判斷的影響。

②以α和γ確定的月心位置為中心、設定邊長為600像元的正方形搜索區(qū)域,以像素灰度值>930為判據(jù)判斷矩形區(qū)域內可能是月球目標的像素,[930,1023]是月球在FY-2衛(wèi)星圖像中的灰度區(qū)間,不同衛(wèi)星可根據(jù)實際情況修改判據(jù)閾值。

③計算搜索區(qū)域內每一行及每一列里可能是月球目標的像素的連續(xù)個數(shù),月球在FY-2視場里的張角0.5°,FY-2紅外通道空間分辨率0.008°,所以小于60個連續(xù)像素的行和列可以判斷為月球,用來剔除衛(wèi)星結構的陰影區(qū)域。

④分別在所有小于60個連續(xù)像素的行和列中,選擇個數(shù)最多的行和列,交點作為搜索到的實際月球中心。

⑤判斷每個可能是月球目標的像素點周圍8鄰域內可能是月球目標的像素個數(shù),以>5為準則抑制孤立的點噪聲,準確確定月球區(qū)像素。

⑥以實際月球中心為圖像中心,輸出噪聲抑制后的小區(qū)域月球圖像,圖像規(guī)格為100 pixel×100 pixel。

圖5(a)是從云圖中自動提取出來的原始月球圖像,通過2年衛(wèi)星實際運行表明,平均每個月可以觀察到約4次月球,共計約100幅月球圖像,自動提取算法成功的完成了月球提取,成功率達到了100%,實踐證明自動提取算法的正確性。

3 月球圖像配準

圖5(a)是實際的紅外月球圖像,圖中月球的形狀是向右傾斜的,原因是月球在衛(wèi)星視場內有由西向東的速度矢量,FY-2成像原理決定,月球每個像素的成像時間都不相同,月球圖像的每個“下一行”比每個“上一行”都向東移動了一段距離,整體效果就是月球下部向右傾斜。月球配準工作要消除月球傾斜,生成符合相對位置關系的月球圖像。圖5是月球圖像配準的流程,圖5(b)是消除了行間偏差的5倍過采樣圖像,圖5(c)是按照儀器視場積分后的配準圖像。

圖5 失配月球圖和配準月球圖

3.1 月球配準算法

衛(wèi)星觀測模式已經(jīng)確定,因此地面控制系統(tǒng)只能通過數(shù)字圖像處理的辦法來消除月球幀內失配。對自然目標的成像過程可以用式(3)來表示。

y(k)=g*δ(xk)*f(x),k∈[0,N-1]

(3)

式中:f(x)是目標區(qū)的掃描線上的能量分布,y(k)是探測器輸出,δ(xk)是沖擊函數(shù),g是遙感儀器的響應,公式是傳感器對連續(xù)目標進行圖像采樣的過程,由于FY-2每個像素點成像時間的差別引起目標的運動,可以用方程表示為

y0(k)=gδ(xk)f1(x)y1(k)=gδ((x+Δ)k)f2(x)
?
yq(k)=gδ((x+qΔ)k)fq(x)

(4)

上式表示運動速度一定的目標在不同行的采樣位置有qΔ的位移,q為相對首行的行數(shù)。采用數(shù)字圖像處理辦法進行配準,即要消除行與行的相對位移[15],提出的配準算法如下:

①求出qΔ的大小

首先計算月球在衛(wèi)星視場內的東西向速度矢量vW-E=(α1-α0)/(T1-T0),α1和α0分別是T1和T0時刻的方位角,速度矢量vW-E是月球相對衛(wèi)星的角速度,然后計算每一行月球觀測數(shù)據(jù)相對第1行在東西方向的偏移量,根據(jù)FY-2性能參數(shù),第q行月球觀測數(shù)據(jù)采樣延遲Dq=qΔ=qvW-E×0.6,用像元數(shù)來表示延遲量,則相對于首行延遲了m=Dq/θ=qvW-E×0.6/θ個像元。

②整數(shù)序號調整

整數(shù)序號調整的目的是消除大于1個像元的行間偏差,是下一步做亞像元配準的基礎,整數(shù)序號調整通過每行掃描線的前后像元增減來完成,后續(xù)行減去floor(m)個整數(shù)序號,floor(m)表示不大于m的最大整數(shù)。

③求亞像元位移

在整數(shù)像元調整基礎上,進一步進行亞像元配準,為滿足離散化數(shù)字圖像處理需求,采用5倍像元細分,通過公式j@min{μ|μ=m-floor(m)-0.2j,j=0,1,2,3,4}求出亞像元位移量,大小為0.2j個像元。式中m的誤差僅由衛(wèi)星轉速引起,誤差區(qū)間是[-0.01,0.01],圖像經(jīng)5倍過采樣后,新圖像中像素與像素的相對距離是原圖像中的0.2像元,因此m的誤差不會超出一個計算單元(即0.2像元),在不超出計算單元的條件下,求解誤差最大值是計算單元的一半,所以亞像元求解的誤差是0.1像元,滿足配準需求。

④定義新的沖擊函數(shù)重新采樣

3.2 配準結果

為清晰顯示處理過程,圖5(b)是消除了行間偏差的5倍過采樣圖像,即按照新沖擊函數(shù)δ′(xk)過采樣后沒有累加的圖像,圖5(c)是按照儀器視場積分后的配準圖像。圖5整體顯示了月球配準工作消除了月球相對衛(wèi)星的運動,恢復了月球的真實輪廓,對月球像元級定位至關重要。

4 結論

新的定標方法對月球圖像的需求很迫切,準確預報月球可視性、引導衛(wèi)星自動月球觀測,以及從云圖中自動提取月球圖像是必不可少的重要工作。

根據(jù)FY-2自旋穩(wěn)定衛(wèi)星的工作模式和性能參數(shù),建立了月球觀測模型,計算月球觀測角度,在傳統(tǒng)視場西側開拓了10°×20°新視場,并修改了衛(wèi)星地面控制系統(tǒng)軟件,通過FY-2F實驗證明,新的算法和控制軟件使衛(wèi)星獲取了高頻次、高輻射精度的月球觀測圖像,模型精度優(yōu)于30 s,拓展了該類衛(wèi)星新的觀測功能。

設計了有效的濾波算法,自動、準確提取出月球,濾除地球、衛(wèi)星結構陰影和噪聲等影響,在100 pixel×100 pixel區(qū)域內提供了完整的、抑制偽目標和噪聲后的月球圖像。

在分析月球圖像幀內失配原理的基礎上,基于數(shù)字圖像處理技術設計了月球配準算法,算法采用5倍亞像素細分,誤差小于0.1 pixel,配準后的圖像符合月球的實際物理結構,完成了幀內配準工作。

工作拓展了FY-2的觀測模式,是類似結構的衛(wèi)星首次進行專門的月球觀測,獲取了高質量的月球圖像,有力地支撐了CIBLE定標工作,提高了FY-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)定量化應用水平,促進了遙感數(shù)據(jù)的定量應用。

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Moon’s Remote Sensing Using FY-2 and Moon Image Registration*

CHEN Boyang1*,GUO Qiang1,CHANG Xiang2,LI Rongwang2,FENG Xiaohu1,ZHANG Zhiqing1

(1.National Satellite Meteorological Center,Beijing 100081,China;2.Yunnan Observatories,Kunming 650011,China)

Calibration of inner blackbody corrected by lunar emission(CIBLE)is developed,the moon emission is stability and is used to correct system error,so the moon image is very important to CIBLE. A new scanning model of FY-2 for moon’s remote sensing comes true,many high quality moon images have been got. The new scanning model is based on the character of spin stabilization of satellite and flexible segmental scanning model,a new software for generating new orders takes part in the controlling system of satellite,besides traditional 20°×20° field of view,a new 10°×20° field of view is developed,the precession of the model is less than 30 seconds. An image process algorithm recognize automatic picking the moon image from the whole full disk image,the algorithm removes the false targets and noise based on the moon’s size and emission character. The moon registration algorithm is designed because the moon is mobile in the field of the FY-2 satellite,the angle speed is calculated out based on the characters of the satellite,by which the position error is corrected. After the beginning of the work,more than three times moon images of conditional remote sensing have been got,which accelerates the usage of CIBLE.

remote sensing of satellite;moon;regional observation;image registration

陳博洋(1980-),男,黑龍江哈爾濱人,博士,副研究員,2003年于中國科學技術大學獲得學士學位,2008年于中科院上海技術物理研究所獲得博士學位,現(xiàn)為國家衛(wèi)星氣象中心風云四號地面系統(tǒng)工程主任設計師,主要從事空間遙感儀器頂層設計、遙感資料預處理和圖像處理與評價,chenby@cma.gov.cn。

項目來源:國家自然科學基金項目(41375023)

2016-08-19 修改日期:2017-01-21

TP751.1

A

1004-1699(2017)05-0703-05

C:6135E;7710B

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.05.012