[发明专利]一种星载TDI CMOS相机成像仿真方法及设备

说明书

本发明提供了一种星载TDI CMOS相机成像仿真方法及设备，该方法包括根据CMOS相机的几何参数、卫星姿轨数据，获取CMOS瞬时焦面成像区域的数据源范围，获取成像区域地表反射率和大气传输模拟参数，根据影像地面分辨率计算积分时间间隔，获取每个积分时刻的卫星轨道数据和姿态数据，将CMOS像元均匀划分为若干个子像元，根据上述参数获取各积分时刻CMOS相机入瞳辐射度影像，对CMOS相机入瞳辐射度影像进行滤波，得到每个积分时刻的CMOS焦面辐射度影，将其转换为电荷数影像，得到每个积分时刻的电荷数影像，将其进行积分延迟累加，并进行模数转换，得到一幅灰度值影像。本发明解决了现有的测绘遥感卫星采用TDI CCD相机具有很多局限性，而针对TDI CMOS相机成像仿真研究少的问题。

技术领域

本发明涉及卫星成像仿真技术领域，具体涉及一种星载TDI CMOS相机成像仿真方法及设备。

背景技术

随着航天遥感技术的发展，人们对遥感数据的更新频率要求越来越高。遥感影像的时间分辨率须达到一天甚至数小时。然而，类似资源三号这种大平台卫星不仅成本高，卫星机动性能有限，难以满足日益提高的影像获取速度。搭载CMOS成像传感器的小型卫星由于成本较低，可以形成卫星星座，获得小时级别时间分辨率的影像，正在成为航天遥感领域的一个新趋势。

相比于传统CCD成像传感器，CMOS传感器具有功耗低、集成度高、体积小、抗干扰能力强等优点，并且CMOS传感器可以在实现连续级数的积分成像，而CCD成像传感器只能满足几个固定积分级数的成像要求。因此CMOS成像传感器在航天遥感领域展现了巨大的潜力，有逐渐取代CCD传感器的趋势。

传统的测绘遥感卫星(如资源三号)大都采用TDI CCD成像传感器，通过线阵推扫的方式获取地表影像。而新型的CMOS成像传感器在很多方面与CCD不同。CCD传感器将入射的光子在光电转换单元(像元)里形成的电荷转依次转移输出，通过像元阵列外部的组件转换为模拟信号，然后转换为数字信号。CMOS传感器将控制和转换组件集成到像元里面，在每个像元内部将入射的光子转换为数字信号。这使得CMOS传感器与CCD传感器具有不同的积分成像方式。另外，与CCD传感器一次形成一行影像不同，星载CMOS传感器一次成像输出一幅二维影像。因此，星载CMOS传感器获取的影像与CCD线阵推扫影像具有很多不同的特性。

卫星成像仿真已经成为现代卫星工程中的一个重要环节。我国首颗民用传输型立体测绘卫星资源三号的成功很大程度上得益于先前对卫星各项技术指标的详细论证，而卫星成像仿真在资源三号的技术指标论证和地面应用系统建设中都发挥了重要作用。然而传统的CCD传感器成像模拟方法不能直接运用于CMOS传感器成像仿真与分析。为分析星载CMOS传感器成像特性和外界影响因素对成像质量和误差定位的影响，反馈到卫星和传感器的优化设计中，以便提高其影像的精度和使用价值，需要研究星载TDI CMOS相机成像仿真技术。

在卫星成像仿真技术领域，国内外学者提出了物理仿真、半物理仿真和计算机数值仿真三种技术途径，其中计算机数值仿真的工程成本最低。采用计算机数值仿真实现在轨动态成像过程的全链路的流程，能比较全面地模拟卫星的设计技术指标对卫星在轨成像质量的影响，建立起卫星设计参数与在轨成像质量之间的直接关联。真实的卫星相机成像是对真实的地面物理场景进行辐射信息采集和转化的过程，进行计算机数值仿真同样需要一个数值化的地面模型，这个地面模型需要包括地面每一点的几何信息和辐射信息。换句话说，地面模型由几何模型和辐射模型构成，几何模型提供每一地面点的几何信息，辐射模型提供地面每一点的辐射信息。

现有的仿真软件和方法大都针对传统的TDI CCD成像传感器，因此针对星载TDICMOS相机成像仿真研究十分迫切。卫星影像质量是传感器性能、卫星平台运动、工作环境等一系列因素综合作用的结果。实现星载TDI CMOS相机成像仿真需要综合考虑各种影响因素，设计合理的技术指标和工作模式才能实现星载TDI CMOS相机在轨时间延迟积分成像仿真。

发明内容