CN102564460B - 空间相机几何与时相分辨率检测方法及移动检测车 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空间相机的几何分辨率检测方法，和一种空间相机时相分辨率检测方法，以及一种可用于空间相机几何和时相分辨率检测的移动检测车。本发明改变常规的地面固定靶标形式，将几何分辨率靶标与移动车辆结合，形成移动靶标，实现几何分辨率检测、不同时相移动定标功能，提高了光学相机任意方向几何分辨率的测试精度。车舱内可存放常规的地面固定靶标，可在应急条件快速布设，也可起到车体硬性靶标与常规软性靶标互补的作用。可广泛应用于涉及航空航天光学相机及成像系统的检测与定标领域。

Description

空间相机几何与时相分辨率检测方法及移动检测车

技术领域：

本发明涉及航空航天光学相机及成像系统的检测与定标领域，尤其涉及一种空间相机的几何分辨率检测方法，和一种空间相机时相分辨率检测方法，以及一种可用于空间相机几何和时相分辨率检测的移动检测车。

背景技术：

几何分辨率是空间相机成像性能的重要指标，通常采用具有特殊形状和线条的靶标作为标准参照物，通过拍摄的影像和相应算法来确定几何分辨率。

实验室内采用“标准分辨率板”，其中较为完善且应用最广的是日本图像成像制造商协会(PIMA)的ISO12233分辨率板。如图1所示，该分辨率板包括垂直解像力条(Vertical Res)---可目测镜头对垂直影像的解像力。对比指示条(Contrast Indicator)--用于显示在空间频率不同下的对比状况。对角线解像力条(Diagonal Res)--45度倾斜的对角线解像力条。中央对焦区(Center Focusing Area)--两种不同频率的同心圆，协助对焦。水平解像力条(Horizontal Res)---可目测镜头对水平影像的解像力。由于该板价格昂贵、算法复杂，近年来PIMA又开发了一个双色调的黑白斜线板，如图2所示，该分辨率板也能够用作几何分辨率检测的标准板。

空间相机的飞行中几何分辨率检测，借鉴了实验室内测试的原理，利用室外布设的大面积靶标作为标准参照物。研究较早的是美国、法国、芬兰等发达国家，代表性的是芬兰大地测量研究所(FGI)建立的检校场，采用不同灰度的砾石或砂砾铺成，如图3所示，其不足之处在于退化较快，需要定期除草、采用涂料粉刷。我国在几何分辨率检测和定标方面，代表性的是由本发明专利的申请单位北京大学研制的一套“无人机遥感载荷综合验证靶标”，采用不同颜色不同形状的PU材料制成，如图4所示，其不足之处在于铺设需要大量人力物力、靶标易受污染、布设的位置精度会影响靶标的几何性状。

时相分辨率是指空间相机在同一区域进行的相邻两次观测的最小时间间隔。时间间隔大，时相分辨率低，反之时相分辨率高。时相分辨率是评价空间相机动态监测能力的重要指标。对于常规的固定式地面靶标，只能在飞行器过境的一瞬间进行成像，飞行器过境后便失去了作用，因此无法对飞行器的时相分辨率进行检测。

综上分析，对于空间相机的几何分辨率，以及时相分辨率检测，现有国内外的靶标均为固定式，灵活机动性差，存在靶标变形和靶标退化无法检测的不足，并且不具备时相分辨率检测的功能。

发明内容：

本发明目的之一在于提供一种空间相机的几何分辨率检测方法，克服现有固定式靶标几何变形的不足，以提高几何分辨率检测的精度。

本发明的另一目的在于提供一种空间相机的时相分辨率检测方法，克服现有固定式靶标机动性差的不足，可以多时相成像，检测空间相机的时相分辨率。

本发明目的还在于提供一种移动检测车，用于提高空间相机的几何分辨率和时相分辨率的能力。

本发明的静态模式的空间相机的几何分辨率检测方法，其步骤包括：

1、指挥中心接收飞行于预定航带的携带空间相机的飞行器发送的空间相机拍摄轨迹和飞行状态信息，确定携带靶标的移动检测车应抵达的时间范围和预定工作位置，发送到移动检测车；

2、移动检测车在指定时间范围内到达预定工作位置，张开靶标；

3、飞行器在指定时间范围内过镜，空间相机拍摄靶标，形成靶标影像；

4、根据靶标影像，检测空间相机的几何分辨率。

所述移动检测车准确到达预定工作位置停放，张开靶标，结合靶标位置和空间相机拍摄时的飞行状态信息完成几何分辨率检测。

所述移动检测车根据飞行器的不同过境位置，停放在不同的工作位置，使靶标在多张影像中成像，通过计算相邻两幅影像的时间间隔，检测靶标成像的时相分辨率。

所述靶标涂覆于移动检测车车顶，或涂覆于车顶和车体一侧或两侧可展开的靶标板，形成硬性靶标。

所述移动车还携带一个或多个软性靶标，共同布设在空间相机的成像区域，对相机获取的软、硬两种靶标的影像进行比较获得软性靶标的几何变形。本发明还将移动检测车停放在建筑区附近，检测靶标的变形量，校正该建筑物的变形。

本发明的动态模式的空间相机的几何分辨率检测方法，其步骤包括：

1、指挥中心接收飞行于预定航带的携带空间相机的飞行器发送的空间相机拍摄轨迹和飞行状态信息，确定携带靶标的移动检测车应抵达的时间范围、预定工作范围、检测车相对于飞机的速度矢量，发送到移动检测车；

2、移动检测车在指定时间范围内到达预定工作范围，张开靶标；

3、飞行器在指定时间范围内过镜，移动检测车以确定的速度矢量与飞行器做相对运动，空间相机拍摄靶标，形成该航带的靶标影像；

4、移动检测车根据指挥中心指令，达到下一航带的预定工作位置或工作范围，拍摄下一航带的靶标影像，形成多个不同时相的靶标影像；

5、根据靶标影像，检测空间相机的几何分辨率；

还可根据不同时相拍摄的多幅靶标影像，通过计算相邻两幅影像的时间间隔，检测空间相机的时相分辨率；

还可根据飞行器和移动检测车的相对运动关系，分析影像的模糊与几何变形。

本发明的移动检测车，安装有车载GPS和飞行控制信息接收装置，其特征在于，该移动检测车的车体顶部涂覆特定形状的分辨率靶标。

车体一侧或两侧还具有可收起和展开的侧板，表面涂覆特定形状的分辨率靶标。

所述靶标为防水防晒油漆涂覆而成。

移动检测车的车舱内具有滚轮托盘，通过搭扣与车舱内壁连接或脱离连接，滚轮托盘放置一排或多排靶标架，每排靶标架由多个靶标架水平叠放而成，靶标架内放置具有特定形状的靶标。

车舱外部装有液压升降尾板，液压升降尾板可顺时针、逆时针旋转，或水平升降。

移动检测车还安装测速记录装置和测向记录装置。

本发明的创新之处在于；

1、改变常规的地面固定靶标形式，将几何分辨率靶标与移动车辆结合，形成移动靶标，实现几何分辨率检测、不同时相移动定标功能；

2、由于车体方向与相机运动方向可以任意调整，因此提高了光学相机任意方向几何分辨率的测试精度；

3、车体为刚体、靶标为防水防晒油漆涂制而成，因此几何畸变比常规的地面固定靶标小，可以作为纠正常规靶标几何畸变的基准靶标；

4、移动靶标车的位置可随飞机航线或卫星在轨位置改变，可检测空间相机的时相分辨率；

5、配有车载信息获取装置，可完成静态作业模式与动态作业模式；

6、车舱设计为多层活动货架形式，从内到外共存放N排，每排由多个靶标架水平叠放在一个滚轮托盘上组成，滚轮托盘可自由移动，用于存放常规PU革固定式靶标；车舱外部装有液压升降尾板，用于靶标装卸，可根据需要在最快时间到达成像区域完成定标任务。

附图说明：

图1ISO 12233分辨率板形状示意图

图2黑白斜线分辨率板形状示意图

图3芬兰的检校场实拍图

图4中国的无人机遥感载荷综合验证场靶标实拍图

图5移动检测车侧板收起状态示意图

1-车舱    2-涂覆靶标的车体顶部    3-涂覆靶标的侧板

图6移动检测车侧板展开状态示意图

4-支撑杆

图7(a)扇形靶标(b)三线阵形靶标(c)田字形靶标(d)圆点形靶标

图8(a)车舱内部结构俯视图(b)车舱立面图

5-靶标架  6-滚轮托盘  7-搭扣  8-液压升降尾板

图9飞行器的航带规划示意图

图10空间相机几何与时相分辨率检测移动车的工作流程示意图(实线箭头部分为静态模式，虚线箭头部分为动态模式)

图11扇形靶标及其圆周上灰度值分布对照图

图12曲线拟合后MTF曲线图

图13移动检测车与空间相机的相对运动示意图

图14靶标变形实拍图

具体实施方式：

本发明的用于空间相机几何与时相分辨率检测的移动检测车为厢式车，包括车体、靶标涂覆在车体顶部和车体一侧或两侧的侧板上，形成硬性靶标；移动检测车的车舱用于存放软性靶标；移动检测车还安装通信和记录装置。下面进行详细介绍：

(1)车体顶部和侧部的硬性靶标

用防水防晒油漆在车顶涂制几何分辨率检测的标准参照物，此外，为了增大靶标面积，靶标采用可伸展设计，车体两侧加装可展开的靶标板。靶标不用时可收起(如图5所示)，在飞行过境拍摄时撑起靶标(如图6所示)。

几何分辨率靶标的样式包括扇形、三线阵形、田字形、圆点形(如图7所示)、黑白斜线形(如图2所示)以及ISO12233分辨率板(如图1所示)中包含的所有形状等。注：辐射形就是扇形，已在全文统一。此外，ISO12233包含非常多的形状，每种形状都可放大，做成车体这么大的靶标，而不是将整个ISO12233板放大，做成车体这么大的靶标。我们这样写，是为了覆盖更多的形状。

(2)存放软性靶标的车舱

车舱设计为多层活动货架形式，用于存放常规PU革固定式靶标。从内到外共存放N排，每排由多个靶标架水平叠放在一个滚轮托盘上组成。滚轮托盘通过两侧的搭扣和车舱固定，防止车体运动时托盘滚动，装卸靶标时则解开两侧的搭扣，托盘即可在车舱内前后移动。车舱外部装有液压升降尾板，用于靶标装卸。液压升降尾板使用时可顺时针、逆时针旋转、水平升降。(如图8所示)。

使用滚轮托盘和液压尾板的靶标卸车方式：将四至六个靶标箱叠加在滚轮托盘上，并放置于尾板，遥控尾板下降，托盘带着靶标箱到达地面。装车过程类似，从而达到轻松装卸的目的。

(3)通信和记录装置

包括车载GPS、测速记录装置、测向记录装置、飞行控制信息接收装置四种装置。在静态与动态两种模式下，四种装置分别发挥不同的作用。飞行器，如飞机或卫星搭载相机，按照事先规划好的航带，在空中飞行，如图9所示。如图10所示，在静态模式下，利用飞行控制信息接收装置接收指挥中心的指令，确定携带靶标的移动检测车必须到达的工作位置。利用车载GPS导航，驾驶员将移动检测车开到指定的工作位置停放，张开靶标，并记录车体靶标的经纬度坐标。在动态模式下，利用测速和测向记录装置，测量并记录车体的速度矢量，利用车载GPS测量并记录车体移动的实时位置。在上述两种模式下，由于卫星或飞机上搭载的空间相机对检测车停放的整个区域进行连续拍照，某一瞬间肯定将经过移动检测车的上空，并对车体靶标进行拍照。

飞行任务完成以后，研究人员进行后期影像处理工作：利用空间相机获得的靶标影像，以及通信和记录装置提供的信息(包括车体靶标的经纬度坐标、车体移动的速度矢量、靶标条纹和航线方向之间的夹角)，采用几何分辨率检测方法，如调制传递函数MTF(Modulation TransferFunction)检测算法(如图11-12所示)和运动矢量分析方法(如图13-14所示)，进行空间相机几何分辨率检测，以及影像几何形变与对比分析、影像模糊分析等。通过计算相邻两幅靶标影像的时间间隔，进行空间相机的时相分辨率检测。

下面结合附图和实例对本发明进一步说明。

根据图10说明在一次航空实验中如何利用该设备进行几何和时相分辨率的检测。分为静态模式和动态模式两种。

1、静态模式：

1)飞机起飞，空间相机开始工作。飞机共拍摄N条航带，如图9所示。空间相机的拍摄轨迹和状态信息(包括飞行速度，飞机的经纬度坐标，相机正在拍摄的航带编号)通过通信链路传至指挥中心；

2)指挥中心通过分析航线和时间的关系(如每条航线需要20分钟拍完，飞机正处于第1条航带的中部位置，则可以判断，20分钟后飞机飞到第2条航带的中部位置，若令移动检测车在第2条航带的中部位置被相机拍摄成像，则必须在少于20分钟的时间内，将移动检测车开到第2条航带的中部位置停放，等待天空中的相机拍照)，确定某一时间范围内移动检测车的工作位置，将准确的经纬度坐标发送至车载信号接收装置；

3)移动车接收信号，并输入车载GPS；

4)驾驶员根据车载GPS导航信息在指定时间到达准确位置停放，张开靶标，调整靶标条纹与航线夹角，等待飞机过境拍摄。飞机过境时对地面连续拍摄多张影像，至少有1张影像可以对车体靶标成像；

5)遥感影像获取后，通过MTF检测算法计算飞行中传感器的几何分辨率。

6)为了检测空间相机的时间分辨率，可以通过改变移动车的位置，使车体靶标在多个航带的影像上进行成像。以下是具体操作过程：飞机进入下一条航带，指挥中心重新对移动车发出指令，移动检测车开到下一个指定工作位置停放，张开靶标，使靶标在多个时相的影像中成像。通过计算相邻两幅影像的时间间隔，检测空间相机的时相分辨率。

为了检测常规的软性靶标的几何变形，可以利用车体自身的硬性靶标和车舱内存放的软性靶标，共同布设在空间相机的成像区域，对相机获取的软、硬两种靶标的影像进行比较，就可以获得软性靶标的几何变形。以下是具体操作过程：将车舱内的软性靶标卸下，快速布设在车体附近区域，等待空间相机在空中拍摄。

此外，由于相机存在几何畸变，因此影像中的建筑物也会产生几何变形。为了校正建筑物的几何变形量，可将移动检测车停放在建筑区附近，通过对车体靶标的变形量的检测，校正建筑物的变形

2、动态模式：

1)飞机起飞，空间相机开始工作。飞机共拍摄N条航带，如图9所示。空间相机的拍摄轨迹和状态信息通过通信链路传至指挥中心；

2)指挥中心将某一时间范围内飞机的航线覆盖范围、航向、速度发送至车载信号接收装置；

3)移动车接收信号，并输入车载GPS；

4)驾驶员根据车载GPS导航信息在指定时间到达航线覆盖范围，张开靶标，接到飞机即将过境的信号后，以确定的速度矢量行驶，测速测向及记录装置启动；5)遥感影像获取后，可检测空间相机的几何分辨率，可进行空间相机和车体靶标的运动矢量分析，以检测影像模糊与几何变形。

6)为了检测空间相机的时间分辨率，飞机进入下一条航带，指挥中心重新对移动车发出指令，导航进入下一个航线覆盖范围，与飞机相对运动，使靶标在多个时相的影像中成像。通过计算相邻两幅影像的时间间隔，检测空间相机的时相分辨率。

根据图11-14说明几何分辨率和影像变形模糊分析的方法。

3、几何分辨率检测算法(以扇形靶标为例，其他形状靶标同样适用)：

通过计算成像系统的调制传递函数MTF(Modulation Transfer Function)来表征几何分辨率。

从图11(图中f表示飞行方向，cf表示垂直飞行方向)中可知，沿着靶标某一半径对应的圆弧提取灰度值，并按图11中所示排列灰度值。不同半径对应的弦长表示不同空间频率。计算扇形靶标不同半径对应圆弧上的调制则得到不同频率处的调制度，继而可计算出此频率下的MTF，连接不同频率处的MTF值，并进行多项式曲线拟合，就可得到MTF函数曲线(如图12所示)。

4、运动矢量分析(以扇形靶标为例，其他形状靶标同样适用)：

如图13所示，设飞机的飞行速度矢量为V_f，对V_f在世界坐标系中进行速度分解为(V_fx，V_fy，V_fz)。移动检测车的运动速度矢量为V_t，对V_t在世界坐标系中进行速度分解为(V_tx，V_ty，V_tz)。空间相机的扫描频率为1/T，摄影比例尺为m＝f/H，f为相机焦距，H为相对航高。由于拍摄过程中飞机处于运动状态，当拍摄静止目标时，目标会出现模糊。当拍摄运动目标时，目标会出现模糊和变形。通过分析车体靶标的变形和模糊便可以推导相机对于具有该速度矢量的目标的变形和模糊情况。

根据实际分析影像，确实存在这种情况。如图14为截取的车体扇形靶标影像，可以看到原本扇形规则靶标出现边缘锯齿状和模糊。

在静止模式下，由于曝光过程中飞机处于运动状态，这种情况导致的像点位移(在X，Y，Z三个方向)为：D_x＝V_fx*T*m，D_y＝V_fy*T*m，D_z＝V_fz*T*m。由于(D_x，D_y，D_z)的存在导致像片模糊。

在静止模式下，飞机与移动检测车的相对运动速度矢量为Vr，Vr＝Vf-Vt。

V_r＝(V_fx-V_tx，V_fy-V_ty，V_fz-V_tz)，这种情况导致的像点位移(在X，Y，Z三个方向)为：D_x＝V_rx*T*m，D_y＝V_ry*T*m，D_z＝V_rz ^*T^*m。

通过对原始数据进行像点位移改正，便可以在一定程度上改正原始影像的变形。

Claims (7)

1.一种静态模式的空间相机的几何和时相分辨率检测方法，其步骤包括：

1)指挥中心接收飞行于预定航带的携带空间相机的飞行器发送的空间相机拍摄轨迹和飞行状态信息，确定携带靶标的移动检测车应抵达的时间范围和预定工作位置或工作范围，发送到移动检测车，所述靶标涂覆于移动检测车车顶，或涂覆于车顶和车体一侧或两侧可展开的靶标板，形成硬性靶标，所述移动检测车的车舱具有滚轮托盘，通过搭扣与车舱内壁连接或脱离连接，滚轮托盘放置一排或多排靶标架，靶标架内放置一个或多个具有特定形状的软性靶标，共同布设在空间相机的成像区域，对相机获取的软、硬两种靶标的影像进行比较获得软体靶标的几何变形；车体为刚体、靶标为防水防晒油漆涂制而成；

2)移动检测车在指定时间范围内到达预定工作位置，张开靶标；

3)飞行器在指定时间范围内过镜，空间相机拍摄靶标，形成靶标影像，移动检测车根据飞行器的不同过境位置，停放在不同的工作位置，使靶标在多张影像中成像；

4)根据靶标影像，采用几何分辨率检测方法，检测空间相机的几何分辨率；通过计算相邻两幅影像的时间间隔，检测靶标成像的时相分辨率。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述移动检测车准确到达预定工作位置停放，张开靶标，结合靶标位置和空间相机拍摄时的飞行状态信息完成几何分辨率检测。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，还将移动检测车停放在建筑区附近，检测靶标的变形量，校正该建筑物的变形。

4.一种动态模式的空间相机的几何和时相分辨率检测方法，其步骤包括：

1)指挥中心接收飞行于预定航带的携带空间相机的飞行器发送的空间相机拍摄轨迹和飞行状态信息，确定携带靶标的移动检测车应抵达的时间范围、预定工作范围、移动检测车相对于飞行器的速度矢量，发送到移动检测车，所述靶标涂覆于移动检测车车顶，或涂覆于车顶和车体一侧或两侧可展开的靶标板，形成硬性靶标，所述移动检测车的车舱具有滚轮托盘，通过搭扣与车舱内壁连接或脱离连接，滚轮托盘放置一排或多排靶标架，靶标架内放置一个或多个具有特定形状的软性靶标，共同布设在空间相机的成像区域，对相机获取的软、硬两种靶标的影像进行比较获得软体靶标的几何变形；车体为刚体、靶标为防水防晒油漆涂制而成；

2)移动检测车在指定时间范围内到达预定工作范围，张开靶标；

3)飞行器在指定时间范围内过镜，移动检测车以确定的速度矢量与飞行器做相对运动，空间相机拍摄靶标，形成该航带的靶标影像；

4)移动检测车根据指挥中心指令，达到下一航带的预定工作位置或工作范围，拍摄下一航带的靶标影像，形成多个不同时相的靶标影像；

5)根据靶标影像，采用几何分辨率检测方法，检测空间相机的几何分辨率；根据多幅不同时相靶标影像，计算相邻两幅影像的时间间隔，检测空间相机的时相分辨率。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，根据飞行器和移动检测车的相对运动关系，进行影像模糊和/或几何变形检测。

6.一种用于空间相机几何和时相分辨率检测的移动检测车，安装有车载GPS和飞行控制信息接收装置，其特征在于，该移动检测车的车体顶部和车体一侧或两侧可收起和展开的侧板涂覆特定形状的分辨率靶标，形成硬性靶标，所述移动检测车的车舱内具有滚轮托盘，通过搭扣与车舱内壁连接或脱离连接，滚轮托盘放置一排或多排靶标架，每排靶标架由多个靶标架水平叠放而成，靶标架内放置具有特定形状的软性靶标；车体为刚体、靶标为防水防晒油漆涂制而成；车舱外部装有液压升降尾板，液压升降尾板可顺时针、逆时针旋转，或水平升降。

7.如权利要求6所述的移动检测车，其特征在于，移动检测车还安装测速记录装置和测向记录装置。