環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星紅外相機(jī)擺掃行周期設(shè)計(jì)及影響分析

姚舜 朱軍 柴夢(mèng)陽 崔璨璨 張浩

(1 航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094) (2 中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 中國科學(xué)院紅外探測(cè)與成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200083) (3 南通智能感知研究院，江蘇南通 226000) (4 武漢大學(xué) 測(cè)繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430079)

擺掃式光學(xué)遙感相機(jī)相較于傳統(tǒng)推掃式光學(xué)遙感相機(jī)，可滿足廣域、大幅寬的成像需求[1]，廣泛用于國內(nèi)外光學(xué)遙感成像載荷，例如法國地球觀測(cè)系統(tǒng)斯波特-5(SPOT-5)衛(wèi)星上的高分辨率幾何成像相機(jī)(HRG)[2]、美國地球觀測(cè)系統(tǒng)(EOS)系列衛(wèi)星上的中分辨率成像光譜儀(MODIS)[3]、我國的環(huán)境減災(zāi)一號(hào)B和遙感14號(hào)衛(wèi)星上的紅外相機(jī)[4-5]等。其中，在成像系統(tǒng)前加裝掃描鏡是實(shí)現(xiàn)線陣擺掃成像常見的方式[6]，相較于整體光學(xué)系統(tǒng)擺掃的方式，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，掃描系統(tǒng)對(duì)光學(xué)成像質(zhì)量影響較小[7]，因而廣泛用于航天擺掃成像載荷中。然而，受限于帶動(dòng)掃描鏡的擺掃電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)能力，擺掃式光學(xué)遙感相機(jī)的掃描行周期需要根據(jù)衛(wèi)星的成像任務(wù)和工作模式進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)，從而保證相機(jī)在兩個(gè)掃描行間不漏縫的前提下，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的對(duì)地成像。

本文結(jié)合擺掃成像系統(tǒng)機(jī)理以及衛(wèi)星軌道模型，提出了一種適用于寬幅擺掃對(duì)地成像相機(jī)的行周期設(shè)計(jì)和仿真模型，并利用環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星上搭載的紅外相機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行了仿真，通過對(duì)兩顆星上的紅外相機(jī)在軌圖像的質(zhì)量進(jìn)行分析，驗(yàn)證了模型的合理性。這種行周期設(shè)計(jì)和仿真模型，可以為后續(xù)擺掃式成像相機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 行周期設(shè)計(jì)

為滿足大幅寬成像需求，采用擺掃成像體制的寬幅紅外相機(jī)的探測(cè)器一般會(huì)采用線陣探測(cè)器。假設(shè)衛(wèi)星高度為h，地球采用理想圓球模型，半徑為R，并掃方向(即沿軌方向)視場(chǎng)角為β，則沿軌幅寬ω為

(1)

假設(shè)相機(jī)掃描時(shí)間為t1，單次掃描完成后擺回的時(shí)間為t2，衛(wèi)星星下點(diǎn)速度為v，相機(jī)兩個(gè)掃描行的搭接率為p，則可建立如下關(guān)系：

ω(1-p)=v(t1+t2)

(2)

對(duì)于理想情況下的圓軌道，衛(wèi)星的速度[8]為

(3)

式中：μ=3.986 005×1014m3/s2，為地球引力常數(shù)；a為軌道半場(chǎng)軸，對(duì)于圓軌道a=h+R。

聯(lián)立式(1)～式(3)，可以得到在理想條件下，紅外相機(jī)星下點(diǎn)的搭接率p為

(4)

從式(4)可以看出，在相機(jī)擺掃方向視場(chǎng)角α和并掃視場(chǎng)角β確定的情況下，掃描行搭接率p與地球半徑R、衛(wèi)星高度h、像元瞬時(shí)視場(chǎng)角(IFOV)γ、駐留時(shí)間ΔT和擺回時(shí)間為t2均相關(guān)。其中，在相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)和探測(cè)器確定的情況下，相機(jī)的IFOV也為確定值[9]，因此相機(jī)的掃描時(shí)間t1只與駐留時(shí)間ΔT相關(guān)。相機(jī)的擺回時(shí)間t2與擺鏡電機(jī)的能力相關(guān)，理論上為了保證兩個(gè)掃描行搭接率，t2越短越好。然而，為了保證掃描的停止和擺鏡的擺回，擺鏡在擺回的瞬間會(huì)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)軸施加一個(gè)較大的反向力矩，會(huì)造成整星的姿態(tài)抖動(dòng)，嚴(yán)重的會(huì)對(duì)衛(wèi)星的安全產(chǎn)生影響。

而由于地球本身為不規(guī)則橢球體，對(duì)于衛(wèi)星的星下點(diǎn)位置的地球半徑也在不斷變化[10]。同時(shí)衛(wèi)星在軌時(shí)軌道不可能保證嚴(yán)格的偏心率為0的圓軌道，因此軌道高度會(huì)在軌道的不同位置發(fā)生一定的變化，即式(4)中的地球半徑R和衛(wèi)星高度h也在實(shí)際衛(wèi)星在軌時(shí)會(huì)動(dòng)態(tài)變化。因此，為了保證兩個(gè)掃描行的搭接率和成像質(zhì)量，相機(jī)對(duì)于駐留時(shí)間ΔT需要具備在軌可調(diào)的功能。

2 載荷設(shè)計(jì)

環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星上搭載的紅外相機(jī)為寬幅擺掃型成像體制，具備可見近紅外、短波紅外以及中長波紅外的探測(cè)能力，相機(jī)的主要指標(biāo)見表1。

表1 紅外相機(jī)主要指標(biāo)Table 1 Specification of IR camera

由表1可知，環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星的紅外相機(jī)為了適應(yīng)衛(wèi)星高度帶來的變化，其駐留時(shí)間設(shè)計(jì)為在軌可調(diào)，從而對(duì)成像質(zhì)量提供了保障。相機(jī)探測(cè)器采用線陣CCD探測(cè)器，在像面上的相對(duì)位置關(guān)系如圖1(a)所示。由于各探測(cè)器在像面上的分布有一定的間隔，因此相機(jī)擺掃成像過程中電機(jī)擺掃的穩(wěn)定程度會(huì)對(duì)各譜段間的配準(zhǔn)精度造成一定的影響[11]。

從式(4)可以看出，為了保證搭接率，擺鏡在擺回時(shí)的時(shí)間越短越好。但是由于擺鏡本身存在一定的質(zhì)量，擺鏡擺回時(shí)間越短將會(huì)導(dǎo)致越大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。針對(duì)環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星的紅外相機(jī)，受限于掃描電機(jī)能力，相機(jī)的擺回時(shí)間設(shè)計(jì)為1.331 s，而相機(jī)的掃描鏡與轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子等轉(zhuǎn)動(dòng)部分慣量為0.07 kg·m2，因此根據(jù)掃描速度可以計(jì)算得到掃描鏡角動(dòng)量曲線如圖1(b)所示。由圖1(b)可知，在擺回過程中，紅外相機(jī)擺鏡的最大角動(dòng)量可達(dá)到0.064 2 kg·m2/s，已經(jīng)對(duì)整星的姿控造成了影響，威脅到整星的安全。

圖1 紅外相機(jī)各探測(cè)器位置分布和單次掃描角動(dòng)量曲線Fig.1 Detectors’ distribution of infrared camera and single scanning angular momentum curve

因此，紅外相機(jī)在掃描電機(jī)的基礎(chǔ)上，為了抑制過大的掃描角動(dòng)量，設(shè)計(jì)了消角動(dòng)量機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。該消角動(dòng)量裝置安裝在掃描鏡機(jī)構(gòu)電機(jī)的另一側(cè)，利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)不銹鋼慣量盤同軸反向運(yùn)轉(zhuǎn)方案進(jìn)行角動(dòng)量補(bǔ)償。在增加了消角動(dòng)量裝置后，環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星紅外相機(jī)擺掃成像過程中地面實(shí)測(cè)的剩余角動(dòng)量曲線如圖2(b)所示。從圖2(b)中可以看出，消角動(dòng)量裝置可對(duì)掃描鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行有效抑制，剩余角動(dòng)量最大為0.002 6 kg·m2/s，基本不會(huì)對(duì)整星姿態(tài)控制產(chǎn)生影響，同時(shí)也提高了成像過程中的穩(wěn)定度，為高質(zhì)量成像提供了有效保障。

圖2 紅外相機(jī)消角動(dòng)量裝置和剩余角動(dòng)量曲線Fig.2 Anti angular momentum device of infrared camera and angular momentum residue curve

3 仿真分析

環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星的理論軌道高度為645 km，軌道類型為太陽同步軌道。然而由于地球本身為橢球體且地表也有不規(guī)則的起伏，因而在軌衛(wèi)星的軌道高度會(huì)時(shí)刻發(fā)生變化[12]。因此，根據(jù)紅外相機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，首先假設(shè)地球半徑R取地球平均半徑6 371.14 km，計(jì)算衛(wèi)星分別在625 km、645 km和665 km軌道高度下，利用式(4)計(jì)算得到的紅外相機(jī)理論搭接率見表2。由表2可知，紅外相機(jī)在625～665 km軌道高度下，兩條掃描行之間均可以搭接，即從理論分析上相機(jī)滿足在軌使用要求。

表2 紅外相機(jī)搭接率理論值Table 2 Theoretical value of infrared camera overlapping ratio

結(jié)合地球橢球模型，并考慮地球引力對(duì)軌道攝動(dòng)影響，仿真得到一天時(shí)間內(nèi)的不同軌道高度下的衛(wèi)星位置和速度數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)在擬真條件下對(duì)紅外相機(jī)在軌的掃描行搭接率的仿真結(jié)果，如圖3(a)所示。從圖3(a)中可以看出，在645～665 km軌道高度時(shí)，紅外相機(jī)搭接率在3.8%～10.2%之間，然而在625 km軌道高度時(shí)，搭接率已經(jīng)接近極限，部分時(shí)間段的搭接率甚至已經(jīng)降到0以下，出現(xiàn)了負(fù)值。此時(shí)出現(xiàn)負(fù)值原因主要是，表2的計(jì)算結(jié)果是在地球?yàn)榘霃? 371.14 km的圓球體，且未考慮地面高程起伏理想條件情況下得到的。然而，由于地球是一個(gè)不規(guī)則的橢球體，當(dāng)在地面高程較高、地球曲率較大且衛(wèi)星軌道較低時(shí)，圖3(a)仿真結(jié)果會(huì)與表2的理論結(jié)果出現(xiàn)較大的偏差。此時(shí)如果紅外相機(jī)掃描成像的話，兩個(gè)掃描行之間就有可能出現(xiàn)漏縫，會(huì)對(duì)圖像產(chǎn)品的后續(xù)使用造成影響。

針對(duì)我國緯度范圍內(nèi)(3.85°N～53.55°N)的紅外相機(jī)搭接率情況仿真結(jié)果如圖3(b)示?？梢钥闯?，在標(biāo)稱軌道下，紅外相機(jī)在我國境內(nèi)成像時(shí)的掃描行搭接率可以達(dá)到4%及以上，但是當(dāng)衛(wèi)星軌道降低到625 km時(shí)，在我國低緯度地區(qū)紅外相機(jī)的掃描行會(huì)出現(xiàn)無法搭接的情況，獲取的圖像將會(huì)存在漏縫現(xiàn)象。由此可見，衛(wèi)星軌道高度會(huì)直接影響到紅外相機(jī)圖像的質(zhì)量情況，需要衛(wèi)星在軌期間始終將軌道高度維持在標(biāo)稱軌道上，才不會(huì)對(duì)紅外相機(jī)的成像質(zhì)量產(chǎn)生影響。

圖3 不同軌道高度下和我國范圍內(nèi)的紅外相機(jī)搭接率Fig.3 Infrared camera overlapping ratio in different orbit altitudes and latitude range of China

4 在軌影響分析

針對(duì)環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星紅外相機(jī)掃描搭接情況，衛(wèi)星在軌穩(wěn)定后，分別對(duì)A/B星各抽取了三景圖像數(shù)據(jù)，對(duì)每景圖像中的各個(gè)譜段的掃描行搭接情況統(tǒng)計(jì)，并與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見表3和表4。一般認(rèn)為，兩個(gè)掃描行之間的搭接率在1%及以上，在地面處理中即可找到相同的地物區(qū)域，對(duì)兩個(gè)掃描行圖像實(shí)現(xiàn)有效的拼接。從結(jié)果中可以看出，環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星的紅外相機(jī)在軌圖像的各譜段掃描行搭接情況良好，相機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)可以滿足使用需求。同時(shí)，通過對(duì)比實(shí)際搭接率與仿真搭接率結(jié)果可以看出，雖然由于實(shí)際搭接率受限于人工統(tǒng)計(jì)，與仿真結(jié)果存在一定的偏差，但二者一致性良好，且偏差也在容許范圍內(nèi)，由此可以看出，通過仿真可以有效得到掃描式紅外相機(jī)在軌搭接率情況，可以作為紅外相機(jī)指標(biāo)設(shè)計(jì)時(shí)的參考。

表3 HJ-2A實(shí)際搭接率和仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 3 Real and simulated overlapping ratio of HJ-2A

表4 HJ-2B實(shí)際搭接率和仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 4 Real and simulated overlapping ratio of HJ-2B

5 結(jié)束語

掃描式光學(xué)遙感相機(jī)的行周期是保證相機(jī)在軌成像過程中搭接效果的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，從理論分析可知，行周期中的擺掃時(shí)間與成像幅寬有關(guān)，擺回時(shí)間與電機(jī)能力、剩余角動(dòng)量等約束直接相關(guān)，兩個(gè)時(shí)間會(huì)同時(shí)影響圖像中相鄰兩個(gè)掃描行之間的搭接率情況，因此該參數(shù)需要與成像幅寬、相機(jī)電機(jī)擺掃能力剩余角動(dòng)量、衛(wèi)星姿態(tài)控制能力等約束條件下進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，從而實(shí)現(xiàn)相機(jī)在軌的高質(zhì)量成像。本文針對(duì)掃描相機(jī)搭接率的仿真模型進(jìn)行了研究，并結(jié)合環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星的紅外相機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，仿真了該相機(jī)在軌搭接率情況，并對(duì)實(shí)際在軌獲取的圖像數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：本文提出的搭接率仿真模型可有效模擬掃描式光學(xué)遙感相機(jī)在軌圖像的真實(shí)情況，同時(shí)環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星紅外相機(jī)的在軌圖像質(zhì)量良好，搭接率、調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)和波段配準(zhǔn)等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。本文方法可有效指導(dǎo)后續(xù)掃描式遙感相機(jī)行周期指標(biāo)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，相機(jī)實(shí)際在軌圖像數(shù)據(jù)質(zhì)量情況也為后續(xù)設(shè)計(jì)提供了一定的參考價(jià)值，但目前模型中仍未考慮地形起伏、大氣折光等地面因素對(duì)掃描行搭接和成像質(zhì)量的影響，后續(xù)研究將在這些方面對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，從而能夠更加真實(shí)地模擬掃描式相機(jī)在軌成像質(zhì)量情況，提高模型的仿真精度。