本發明涉及一種視頻衛星成像系統，具體涉及一種地面像元分辨率優于0.5m，幅寬不低于4km×4km的高分辨率大幅寬視頻衛星成像系統。
背景技術：
視頻衛星是一種新型對地觀測衛星，與傳統的對地觀測衛星相比，其最大的特點是可以對某一區域進行“凝視”觀測。所謂“凝視”是指隨著衛星的運動，光學成像系統始終盯住某一目標區域，可以連續觀察視場內的變化。主要有兩種手段實現“凝視”，一是采用靜止軌道光學成像衛星，二是采用具備較高姿態敏捷能力或具備圖像運動補償能力的低軌光學成像衛星。靜止軌道衛星由于軌道動力學特性，衛星與地面相對靜止，從而實現凝視。但為了在高軌實現米級地面分辨率，其成像系統口徑必須足夠大，造價高昂。具備“凝視”能力的低軌衛星又分兩類，一類是具備高敏捷能力，采用傳統線陣探測器的衛星，以美國“世界觀測”(worldview)和法國“昴宿星”(pleiades)為代表。另一類是采用面陣探測器，綜合利用平臺的高敏捷能力從而實現“凝視”，典型代表為印尼與德國合作研制的“印度尼西亞國家航空航天研究所-柏林技術大學衛星”(lapan-tubsat)和美國“天空衛星”(skysat)等。
視頻衛星通過一定時間間隔的時序圖像組成視頻，適于對動態目標進行分析，獲得目標的速度和方向，這些重要信息從傳統靜態圖像中難以獲得。隨著工藝和技術的進步，面陣cmos圖像傳感器的成像質量已經接近ccd圖像傳感器的水平，而且已經具有高分辨率的產品，和ccd相比，還有體積和重量小，轉移速度快的優勢。高分辨率(像元數)的cmos圖像傳感器在地面像元分辨率優于0.5m，幅寬不低于4km×4km的視頻成像應用中，單級積分時間內入射光能量明顯不足，但不能像tdiccd那樣進行電荷域的延遲積分來增加曝光時間，使用數字域tdi工作方式又存在在短曝光時間內難以進行全幀電荷轉移的問題，必須采用新的視頻成像方法來實現高分辨率視頻成像。
技術實現要素：
本發明為解決現有高空間分辨率和大幅寬的視頻成像航天應用的可行性和可靠性是本發明所要解決的技術問題，提供一種基于空間應用的高分辨率視頻衛星成像系統。
高分辨率視頻衛星成像系統，包括視頻成像單元和視頻控制單元，所述視頻成像單元包括光學系統、面陣cmos圖像傳感器、fpga、存儲器和成像供電模塊，所述成像供電模塊分別為面陣cmos圖像傳感器、fpga和存儲器供電；
視頻控制單元包括成像控制器、視頻壓縮組、調焦模塊和控制供電模塊，所述控制供電模塊分別為成像控制器、視頻壓縮組和調焦模塊供電；所述光學系統將地面景物成像到面陣cmos圖像傳感器上，視頻控制單元控制面陣cmos圖像傳感器在全局快門工作方式或卷簾快門工作方式下的工作電壓，所述fpga對面陣cmos圖像傳感器在全局快門工作方式或卷簾快門工作方式下的寄存器配置，產生cmos圖像傳感器的驅動時序信號，接收面陣cmos圖像傳感器輸出的圖像數據，采用存儲器進行圖像數據調理后送入視頻壓縮組；所述成像控制器根據衛星的攝像任務和軌道參數，對fpga進行控制，并控制調焦模塊對光學系統進行焦距的改變，控制視頻壓縮組對輸入的圖像數據進行壓縮后進行星下傳輸。
本發明的有益效果：本發明所述的高分辨率視頻衛星成像系統，用于對地面像元分辨率優于0.5m，幅寬不低于4km×4km進行視頻成像。
一、本發明針對感興趣目標進行視頻成像時，根據衛星的機動能力設定視頻成像的軌道高度范圍，通過衛星的持續變速向后擺動來增加積分時間提高信噪比，采用全局快門工作方式來縮短整幀的曝光時間間隔，降低在衛星擺動過程姿態穩定度的要求，取消了焦面像移補償機構的使用，縮小了體積降低了重量且無運動部件提高了航天應用的可靠性；
二、本發明在進行推掃成像時，衛星保持光軸垂直對地的姿態，采用卷簾快門來降低讀出噪聲，采用數字域tdi工作方式來增加曝光時間，根據軌道高度和地面像元分辨率設置同時曝光的行數，根據入射光能量來設置數字域tdi的級數，從而獲得連續推掃成像的條帶圖像；
三、本發明可通過在軌應用目標的不同，進行星載視頻成像系統的工作模式的切換。
附圖說明
圖1為本發明所述的高分辨率視頻衛星成像系統的原理框圖。
具體實施方式
具體實施方式一、結合圖1說明本實施方式，高分辨率視頻衛星成像系統，主要由視頻成像單元和視頻控制單元兩部分組成。視頻成像單元主要包含光學系統、面陣cmos圖像傳感器、fpga、存儲器和成像供電模塊；視頻控制單元主要包含成像控制器、視頻壓縮組、調焦模塊和控制供電模塊。光學系統把地面景物成像到面陣cmos圖像傳感器上。成像供電模塊分別為面陣cmos圖像傳感器、fpga和存儲器供電，受視頻控制單元，能輸出滿足面陣cmos圖像傳感器全局或卷簾快門工作方式下的工作電壓。fpga實現面陣cmos圖像傳感器全局或卷簾快門工作方式下的寄存器配置，產生響應的驅動時序信號，接收面陣cmos圖像傳感器輸出的圖像數據，使用存儲器進行圖像數據調理后送入視頻控制單元的視頻壓縮組。控制供電模塊分別為成像控制器、視頻壓縮組和調焦模塊供電，所述成像控制器作為控制核心，根據衛星的攝像任務和軌道參數，對視頻成像單元內的fpga進行控制；控制調焦部分對視頻成像單元的光學系統進行焦距的改變；控制視頻壓縮組對輸入的圖像數據進行壓縮后進行星下傳輸。
本實施方式所述的衛星成像系統，根據衛星的機動能力確定視頻成像的軌道高度，根據視頻成像的軌道高度和衛星的前后擺能力確定對同一地區的視頻成像時間。針對感興趣目標進行視頻成像時，通過衛星的持續變速向后擺動來增加積分時間提高信噪比，采用cmos圖像傳感器的全局快門工作方式來縮短整幀的曝光時間間隔。
(1)衛星在軌道高度h下，則要求衛星能達到的最大的擺動角速度大于
(2)根據視頻成像的軌道高度h和衛星能實現的最大前后擺動角度(最大俯仰角)θmax對同一地區的視頻成像時間的確定步驟如下：
(a)由最大俯仰角θmax和衛星的軌道高度h計算衛星的最大斜距lmax，
(b)由最大斜距lmax計算對應的地心半張角amax
(c)由最大的地心半張角amax獲得衛星飛行的總弧長l_arcmax
(d)由總弧長l_arcmax獲得對同一地區的視頻成像時間tmax
式中g為萬用引力常數，m為地球的質量；
(3)針對感興趣目標進行視頻成像時，通過衛星的持續變速向后擺動來增加積分時間提高信噪比，cmos圖像傳感器在全局快門方式下工作，持續變速向后擺動的角速度為
式中w為衛星軌道運動的角速度，r為地球的半徑，h為衛星的軌道高度，θ和a分別為衛星持續向后擺動過程中對應的俯仰角和地心半張角。
(4)根據入射光能量l0下的最小信噪比snrmin，獲得面陣cmos圖像傳感器在全局快門工作方式下的最大積分時間tintmax，從而決定衛星的姿態穩定度
式中，σgr為面陣cmos圖像傳感器在全局快門工作方式下的讀出噪聲方差，de為暗信號，ad為面陣cmos圖像傳感器的單個像元面積，f為光學系統的焦比，hν為單個光子的能力，τo為光學系統的透過率，η為面陣cmos圖像傳感器的量子效率，δn為累加像元偏差對應的像元個數。
本實施方式所述的衛星成像系統在進行推掃成像時，衛星保持光軸垂直對地的姿態，采用卷簾快門來降低讀出噪聲，采用數字域tdi工作方式來增加曝光時間，根據軌道高度和地面像元分辨率設置同時曝光的行數，根據入射光能量來設置數字域tdi的級數，從而獲得連續推掃成像的條帶圖像；
(1)根據設置的地面像元分辨率gsd和衛星的軌道高度，確定單次的最大積分時間tr_intmax；
(2)由單次的最大積分時間tr_intmax和輸入的光能量確定tdi的級數m和同時曝光的行數p(p≤m)；
式中，σrr為面陣cmos圖像傳感器在卷簾快門工作方式下的讀出噪聲方差，de為暗信號，ad為面陣cmos圖像傳感器的單個像元面積，f為光學系統的焦比，hν為單個光子的能力，τo為光學系統的透過率，η為面陣cmos圖像傳感器的量子效率，snrr_min為卷簾快門工作方式下的最小信噪比；ttansfer和textra分別為面陣cmos圖像傳感器在卷簾快門工作方式下每行的電荷轉移時間和額外的轉移時間。
(3)面陣cmos圖像傳感器在卷簾快門工作方式下具體工作方式如下：
(a)若p＝m，則使用面陣cmos圖像傳感器前p行(行地址為0～p-1)同時曝光，同時將p行的數字圖像順序轉移出，進行p級的數字域tdi積分累加；
(b)若p<m，則：
(aa)剛開始使用面陣cmos圖像傳感器前p行(行地址為0～p-1)同時曝光，同時將p行的數字圖像順序轉移出，進行p級的數字域tdi積分累加；然后使用行地址為1～p的p行進行曝光成像，接著使用行地址為2～p+1的p行進行曝光成像，直到使用(行地址為m-p～m)行進行數字域tdi積分；
(bb)重復(aa)的過程，但p行曝光的行地址從m-p+1～m+1，每次地址遞增，重復m-p此，直到使用(行地址為2(m-p)～2m-p)行進行數字域tdi積分；
(cc)重復(bb)的過程，直到行地址變為q-p～q)結束推掃；式中q為面陣cmos圖像傳感器的行數；連續推掃可獲得的條帶寬度為
本實施方式所述的衛星成像系統可通過在軌應用目標的不同，進行星載視頻成像系統中面陣cmos圖像傳感器的全局快門和卷簾快門工作方式的切換。其具體的工作步驟為：
(1)視頻成像單元停止攝像，停止輸出圖像數據；
(2)視頻成像單元內停止產生面陣cmos圖像傳感器的驅動時序；
(3)視頻成像單元斷電；
(4)成像控制器對視頻成像單元的工作電壓進行控制，輸出滿足卷簾或全局快門工作方式的工作電壓；
(5)視頻成像單元內開始進行面陣cmos圖像傳感器內的寄存器配置(配置為卷簾或全局快門工作方式)，產生面陣cmos圖像傳感器的驅動時序；
(6)視頻成像單元開始攝像，輸出圖像數據。
本實施方式所述的面陣cmos圖像傳感器采用長光辰芯公司的cmos圖像傳感器，可工作在全局和卷簾快門兩種方式下；所述的fpga選用采用xilinx公司的fpga6vlx550tff1760；所述的存儲器采用美光公司的ddr3存儲器；所述成像供電模塊采用ldo結合數字電位器；成像控制器采用arm芯片；視頻壓縮組采用華為海思的視頻壓縮芯片；調焦模塊采用步進電機及其驅動電路；控制供電模塊采用dc/dc和ldo；所述光學系統采用同軸三反光學系統。