CN101751662A - 类球形天体敏感器多图像复合方法 - Google Patents

Abstract

类球形天体敏感器多图像复合方法，首先用棱镜展开的方法确定各个子成像系统的等效视轴，等效视轴的方向为光学平场成像镜头的光轴方向经过平面反射镜和多面反射棱锥反射以后的方向。然后通过建立各子成像系统坐标系与总坐标系的转换关系将各子成像系统所成像点代表的矢量转换到总坐标系下。转换得到的总坐标系下的图像即为等效全视场单一镜头所成的图像。通过本发明方法，可以将不同视场所成的像转换到同一基准坐标系下，以解决多系统视场复合大视角光学系统图像处理问题，为类球形星体敏感器的姿态提取提供基础。

Description

类球形天体敏感器多图像复合方法

技术领域

本发明属于图像处理领域，涉及一种类球形天体敏感器多个视场所成图像的归一化处理方法。

背景技术

在航天器自主导航领域，存在多种姿态信息测量方法，其中包括恒星敏感器、红外地球敏感器、太阳敏感器等等。采用成像的方式摄取参考天体目标信息，经过图像处理得到航天器姿态的敏感器类型主要有星敏感器、静态红外地球敏感器、成像式太阳敏感器、紫外地球敏感器等。

专利申请号为CN200810057342，名称为《一种紫外月球敏感器的光学系统》的中国专利公开了一种紫外月球敏感器光学系统，包括环形遮光罩、平面反射镜、N面锥反射镜、滤光片、对称式广角物镜、CCD接收器，入射光线由环形遮光罩入射至N面锥反射镜，经N面锥反射镜和平面反射镜反射后再经滤光片进入对称式广角物镜，入射光线首先经第一透镜和第二透镜完成视场拓展进入光栏，入射光线充满光栏后射入第三透镜，第三透镜将入射光线向光轴方向汇聚射入第四透镜、第五透镜、第六透镜，经第七透镜折射后成像，该成像由CCD接收器进行光电转换。但是该专利并未提及如何将N个子成像系统各自获取的图像进行复合处理。

成像式姿态敏感器一般采用单个镜头对地球或者其它天体进行成像，敏感器的镜头把整个天体成像到视场，通过对所成图像的边缘提取和处理确定天体中心矢量，可以得到航天器俯仰角和滚动角，在非满月条件下可以得到航天器的偏航角。但是上述专利涉及的类球形天体敏感器不是单一镜头成像，而是依靠多个沿圆周均匀分布的二折转反射镜组合与单一成像物镜构成的多子成像系统复合成像的，而且各自子成像系统所成的像在同一个探测器上。因此为了获取天体中心矢量，需要首先将多子成像系统所具有的多系统视场图像分别转换成等效的单一镜头成像情形，再按照上述单一镜头成像敏感器的姿态计算方法，最终得到敏感器所测量的天体中心矢量。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种适用于紫外月球敏感器等类球形天体敏感器光学系统进行多视场成像时对不同视场图像进行复合处理的方法。

本发明的技术解决方案是：类球形天体敏感器多图像复合方法，步骤如下：

(1)用棱镜展开的方法确定各个子成像系统的等效视轴，等效视轴的方向为光学平场成像镜头的光轴方向经过平面反射镜和多面反射棱锥反射以后的方向；

(2)建立各子成像系统坐标系O_iX_iY_iZ_i与总坐标系OXYZ的转换关系如下：

其中总坐标系的原点O在光学平场成像镜头的中心，X轴沿光电探测器像素的行方向，Y轴沿光电探测器像素的列方向，Z轴完成正交；总坐标系的Z轴以XOY平面内垂直于子成像系统子午正入射面的一个轴以最小旋转角方向一次旋转到与等效视轴重合时得到的坐标系为各子成像系统的坐标系O_iX_iY_iZ_i，i＝1，2，3…N，N为子成像系统的个数，η_i为各子成像系统的子午正入射面与X轴的夹角为，η_i＝ξ+(N-1)Ω，ξ为第一个子成像系统子午正入射面在总坐标系OXY平面的实投影线与X轴的夹角，Ω＝360°/N，R_z(η_i)为总坐标系绕Z轴旋转η_i时对应的转换矩阵，R_y(2Φ)为总坐标系绕Y轴旋转2Φ时对应的转换矩阵，R_z(-η_i)为总坐标系绕Z轴旋转-η_i时对应的转换矩阵；

(3)根据步骤(2)的坐标系转换关系，将各子成像系统所成像点代表的矢量转换到总坐标系下；

(4)转换得到的总坐标系下的图像即为等效全视场单一镜头所成的图像。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明提出了一种多系统视场复合的大视角光学系统图像转换成等效的单一系统的虚拟图像方法，通过子成像系统等效光路变换和成像敏感器坐标系变换实现从多系统视场向等效的单一系统视场成像复合，将多子成像系统所具有的多系统视场图像分别转换成等效的单一镜头成像情形，解决了多系统视场复合大视角光学系统图像处理问题，为类球形天体敏感器的姿态计算提供基础。

附图说明

图1为类球形天体敏感器构成示意图；

图2为本发明中多系统视场复合光路的等效结构图；

图3为本发明中多系统视场复合大视角光学系统原理图。

具体实施方式

本发明提出了一种类球形天体敏感器多视场图像复合方法，解决其光学系统中多个子成像系统所成图像的复合归一化问题。这里的多视场是指多个子成像系统各自的视场，归一化图像是指一个虚拟的图像，该图像是由多个子成像系统所成的像经过等效变换到归一化坐标系，再投射到一个虚拟像面上所形成的图像。复合的目的是获得归一化的成像，以便将多个子成像系统的部分成像处理问题转化为全视场单一镜头成像处理的问题。

类球形天体敏感器包括了遮光罩、多系统视场复合的大视角光学系统、敏感器结构、光电探测器及其电路、数据处理单元及其电路、图像信息提取与姿态处理软件、与GNC的通讯接口等，其结构和布局如图1所示。图中101为多视场之一的天体边缘区域成像的内部临界边缘光线，102为多视场之一的天体边缘区域成像的外部临界边缘光线，103是光学平场成像镜头，104是折转反射镜组合之平面反射镜，105是折转反射镜组合之多面反射棱锥，106是光电探测器，107是多系统视场复合大视角光学系统结构，108是数据处理单元，109是电路板，110是接插件，111是遮光罩，112是太阳杂光抑制角光线，113为类球形天体敏感器总光轴。

类球形天体敏感器的N个子成像系统(由多面反射棱锥105的反射面数量N决定)将类球形天体的可视边缘(敏感器能够探测到的天体边缘)分为N等份，每份边缘的成像光束经过多面反射棱锥105对应的反射面进行反射，其反射光束再经过平面反射镜104进行反射后进入光学平场成像镜头103，最终在光电探测器106上成像。N个子成像系统所成图像，共同构成完整的球形天体的可视边缘。

如图2所示，表示了类球形天体敏感器多系统的其中一个子成像系统的成像结构和等效光路变换原理，图中114为光学平场成像镜头103的光轴在单个子视场成像中的等效视轴，113为类球形天体敏感器总光轴，115为光学平场成像镜头103的入射光瞳中心。两条光线的夹角θ，也是环形视场的内外边缘光线，内环为半视场角α，外环半视场角β，则α-β＝θ，多反射面棱锥底角为Φ。设对应外部临界边缘光线101和内部临界边缘光线102经双折转反射到光学平场成像镜头103的边缘半视场分别为ε和ω。每个子视场成像光路的等效视轴114与敏感器总光轴113相交成γ角，则它们的关系为：γ＝2Φ，ε＝β-2Φ，ω＝α-2Φ。内部临界边缘光线102和光学平场成像镜头103的光轴在单个子视场成像中的等效视轴114的夹角为ε，外部临界边缘光线101和光学平场成像镜头103的光轴在单个子视场成像中的等效视轴114的夹角为ω。

探测器上所成的图像虽然是完整的类球形天体的可视边缘，但它是由不同子成像系统各自成像获得，需要将其转化成等效的单一镜头成像情形，这个过程就是本发明提出的类球形天体敏感器多视场图像复合方法。

如图3所示，表示类球形天体敏感器的一个子成像系统视场转换到归一化虚拟成像面的原理，敏感器成像坐标系为OXYZ(O在成像光学镜头的中心，X轴沿探测器像素的行方向，Y轴沿探测器像素的列方向，Z轴完成正交)，图3表示了一种特例情况，即Y轴垂直纸面向里，116是单个子视场在光电探测器106上的成像图，117是天体可视边缘的最大包络在对应的子成像系统等效视轴114上的投影，118是归一化虚拟复合成像面。该子成像系统经过等效转换后，等效视轴与Z轴相交成γ，实际系统中，该子成像系统在探测器上的所成的某一像点，等效于其等效子成像系统所成像点坐标经过等效子成像系统坐标系到敏感器总坐标系的转换。该像点在总坐标系中的坐标可以计算出来，该像点所代表的矢量方向也就确定下来，沿着该矢量延长投影到归一化虚拟复合成像面118，即可得到实际探测器上的某像点在虚拟复合成像面上的投影点坐标。于是，不同子成像系统所成的图像经过相应的变换，即可得到天体可视边缘在归一化成像系统的投影线，由其拟合出天体中心矢量。

通过子成像系统等效光路变换方法和成像敏感器坐标系变换实现从多系统视场向等效的单一系统视场成像复合。按照以下方法：

用棱镜展开的方法确定各个子成像系统的等效视轴114，如图2所示，就是光学平场成像镜头103的光轴所对应方向经过平面反射镜104和多面反射棱锥105反射以后的方向，因此每个子成像系统具有一个等效视轴。根据多面反射棱锥105的法线方向确定子成像系统的等效视轴114在敏感器总坐标系中的位置关系。

建立第i个子成像系统成像坐标系O_iX_iY_iZ_i，O_i位于光学平场成像镜头的主点，Z_i轴与等效视轴方向一致，X_i、Y_i两轴方向随着每个子成像系统在总坐标系中的布局位置确定，X_i、Y_i、Z_i三个轴与总坐标系得关系是：总坐标系的Z轴以OXY平面内垂直于子成像系统子午正入射面的一个轴以最小旋转角方向一次旋转到与等效视轴重合，即Z_i，总坐标系经过这种旋转后得到的新坐标系就是O_iX_iY_iZ_i。子成像系统的子午正入射面即其等效视轴和敏感器总光轴确定的平面。设有N个子成像系统，相邻子成像系统的子午正入射面在总坐标系OXY平面的实投影线夹角为Ω，则：Ω＝360°/N，设某个子成像系统的子午正入射面与x轴的夹角为η_i，则η_i＝ξ+(N-1)Ω，i＝1，2，3…N，ξ为第一个子成像系统子午正入射面在总坐标系OXY平面的实投影线与X轴夹角。总坐标系先绕Z轴旋转η_i，再绕Y轴旋转2Φ，再绕Z轴旋转-η_i，得到的新坐标系即为第i个子成像系统的成像坐标系O_iX_iY_iZ_i：

即：C_i＝R_z(-η_i)R_y(2Φ)R_z(η_i)，R_z(η_i)为总坐标系绕Z轴旋转η_i时对应的转换矩阵，R_y(2Φ)为总坐标系绕Y轴旋转2Φ时对应的转换矩阵，R_z(-η_i)为总坐标系绕Z轴旋转-η_i时对应的转换矩阵。

某一子成像系统坐标系中的成像点所代表的矢量A_i，按照如下方法转换到总坐标系下的矢量 $A_i^{\′}:A_i^{\′}=C^{-1}{A}_i.$ 转换得到的总坐标系下的图像即为等效全视场单一镜头所成的图像。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.类球形天体敏感器多图像复合方法，其特征在于步骤如下：

(1)用棱镜展开的方法确定各个子成像系统的等效视轴(114)，等效视轴(114)的方向为光学平场成像镜头(103)的光轴方向经过平面反射镜(104)和多面反射棱锥(105)反射以后的方向；

(2)建立各子成像系统坐标系O_iX_iY_iZ_i与总坐标系OXYZ的转换关系如下：

$\left[\begin{array}{c}{X}_i\\ Y_i\\ Z_i\end{array}\right]=R_z(-{\mathrm{\η}}_i)R_y\left(2\mathrm{\Φ}\right)R_z\left({\mathrm{\η}}_i\right)\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]$

其中总坐标系的原点O在光学平场成像镜头(103)的中心，X轴沿光电探测器(106)像素的行方向，Y轴沿光电探测器(106)像素的列方向，Z轴完成正交；总坐标系的Z轴以XOY平面内垂直于子成像系统子午正入射面的一个轴以最小旋转角方向一次旋转到与等效视轴(114)重合时得到的坐标系为各子成像系统的坐标系O_iX_iY_iZ_i，i＝1，2，3…N，N为子成像系统的个数，η_i为各子成像系统的子午正入射面与X轴的夹角为，η_i＝ξ+(N-1)Ω，ξ为第一个子成像系统子午正入射面在总坐标系OXY平面的实投影线与X轴的夹角，Ω＝360°/N，R_z(η_i)为总坐标系绕Z轴旋转η_i时对应的转换矩阵，R_y(2Φ)为总坐标系绕Y轴旋转2Φ时对应的转换矩阵，R_z(-η_i)为总坐标系绕Z轴旋转-η_i时对应的转换矩阵；

(3)根据步骤(2)的坐标系转换关系，将各子成像系统所成像点代表的矢量转换到总坐标系下；

(4)转换得到的总坐标系下的图像即为等效全视场单一镜头所成的图像。

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