CN105758623B - 一种基于tdi‑ccd的大口径长焦距遥感相机畸变测量装置及方法 - Google Patents

一种基于tdi‑ccd的大口径长焦距遥感相机畸变测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于TDI‑CCD的大口径长焦距遥感相机畸变测量装置及方法，包括平行光管、二维转台、机械快门、积分球、星点靶标、TDI‑CCD长焦距大口径遥感相机，二维转台上布置有TDI‑CCD长焦距大口径遥感相机，TDI‑CCD长焦距大口径遥感相机入瞳处布置有平行光管，平行光管光输入口端依次布置有机械快门、星点靶标、积分球。令TDI‑CCD线阵遥感相机工作在面阵成像模式，同时让机械快门与相机曝光同步，星点靶标通过平行光管作为相机成像目标，每完成一次星点成像，让转台沿TDI传感器垂直积分方向旋转一个角度。如此遍历整片传感器，获得多幅星点像在不同位置的图像，对这些星点像的精确位置与转台旋转角度匹配计算，就能够同时获得TDI‑CCD线阵遥感相机垂直及平行推扫方向的畸变系数。

Description

一种基于TDI-CCD的大口径长焦距遥感相机畸变测量装置及 方法
技术领域
本发明涉及光学机械领域，尤其涉及一种基于TDI-CCD的大口径长焦距遥感相机畸变测量装置及方法。
背景技术
在相机的成像过程中，被目标物散射的光线通过相机的光学系统汇聚在相机的传感器上，传感器进行光电转换、量化处理，最终获得与目标物相似的图像。在理想情况下，图像与目标物在几何上是完全相似的。在实际成像中，由于光学镜头结构特性，像与物之间总是存在一定的几何失真，这就是成像系统的畸变。在对几何参数要求较高的应用中，需要对图像的几何失真进行校正，消除或降低相机畸变对成像的影响。在这种情况下，需要对光学系统的畸变进行测量，获得传感器上每个像元及几何位置与理想像之间的几何差，以此为基础对每一幅图像进行几何修正。
在面阵成像系统中，畸变测量相对比较简单。对于小口径成像系统，可以利用能够充满整个视场的标准靶面成像，通过像与靶面各参考点的映射关系获得畸变系数；对于大口径成像系统，可以将成像系统放置在转台上，利用星点靶标成像，控制转台令星点像以一定的间隔遍历传感器面，通过像的位置与转台转动参数的映射关系获得畸变系数。
对于TDI-CCD大口径、长焦距遥感相机，其成像方式为推扫模式，常用的畸变测试方法与面阵成像方法类似：将成像系统放置在转台上，利用星点靶标成像，孔子和转台令星点像已一定的间隔遍历线阵传感器，通过像的位置与转台转动参数的映射关系获得畸变系数。由于传感器正常工作在推扫成像模式，这种方式获得的像非星点，而是平行于推扫方向的线条。线条间的位置关系与转台转动参数映射，这样就能计算获得垂直于推扫方向上的畸变系数。由于没有推扫方向上的位置信息，就无法计算获得推扫方向上的畸变系数。
对于TDI-CCD大口径、长焦距遥感相机，要想获得平行推扫方向的畸变系数，就需要在地面设置参照靶标，让相机对靶标进行推扫成像，然后依据参照靶标像的几何参数与参照靶标位置参数的映射关系获得相机的畸变系数(推扫方向与垂直推扫方向)。由于参照靶标设置数量有限，因此获得的畸变系数精度就不会太高，会造成最终图像的畸变修正有较大的残差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于TDI-CCD的大口径长焦距遥感相机畸变测量装置及方法，达到在实验室内能够简便获得高精度的推扫方向畸变系数的有益效果。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
提供一种基于TDI-CCD的大口径长焦距遥感相机畸变测量装置，其特殊之处在于：包括平行光管、二维转台、机械快门、积分球、星点靶标和TDI-CCD长焦距大口径遥感相机，所述二维转台上布置有TDI-CCD长焦距大口径遥感相机，TDI-CCD长焦距大口径遥感相机入瞳处布置有平行光管，平行光管光输入口端依次布置有机械快门、星点靶标和积分球。
所述机械快门的开关动作由TDI-CCD长焦距大口径遥感相机控制。
本发明还提供一种基于TDI-CCD的大口径长焦距遥感相机畸变测量装置的畸变测量方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：
1)调整二维转台，令星点靶标像落在TDI-CCD长焦距大口径遥感相机的传感器中心，TDI-CCD长焦距大口径遥感相机进行一次面阵成像，然后将二维转台当前位置设置为转台零位；
2)假设TDI-CCD推扫方向为X向，垂直于推扫方向为Y向，调整二维转台方位角，令星点靶标在TDI-CCD长焦距大口径遥感相机+Y向，每移动5～10个像元后进行一次面阵成像，记录每一次的二维转台调整方位角度，直至移动到传感器的+Y端头；
3)调整二维转台回零位，然后令星点靶标在TDI-CCD长焦距大口径遥感相机-Y向，每移动5～10个像元后进行一次面阵成像，记录每一次的二维转台调整方位角度，直至移动到传感器的-Y端头；
4)以传感器的中间像元为坐标原点(0，0)，利用重心求解算法算出每个星点靶标像在传感器上的中心坐标，依据每次成像与二维转台的方位角之间的对应关系，使用面阵传感器成像系统畸变系数求解方法求解出每个像点的在X向及Y向的畸变值，再利用最小二乘法拟合出畸变方程，将其余像元坐标带入畸变公式后即可获得该像元的畸变值。
所述TDI-CCD大口径长焦距遥感相机每一次完整的面阵成像包含两个动作：4.1)曝光；4.2)电荷转移；所述机械快门在TDI-CCD大口径长焦距遥感相机曝光时打开，在TDI-CCD大口径长焦距遥感相机电荷转移时闭合。
每一次面阵成像就能获得一个星点像。
本发明的有益效果是：
1、针对TDI-CCD大口径长焦距遥感相机，在其正常的工作模式(推扫成像)下只能够获得垂直于推扫方向的畸变系数，要想获得推扫方向的畸变系数，只能在在轨成像中设置参考点，依据参考点实际位置与参考点的像之间的对应关系进行求解获得，由于参考点数量的关系，求解出的畸变精度有限。本发明可以在实验室完成所有畸变相关参数测量，依据精度要求控制星点像数量，提高相机畸变系数精度；
2、通过一次测试完成TDI-CCD大口径长焦距遥感相机两个方向的畸变情况，提高了畸变测试效率；
3、所有测试在实验室完成，原理简单，易实现；
4、完成实验室畸变测量后，不需要再进行外场参考点成像试验，可节省大量经费。
附图说明
图1为本发明各设备相对关系图；
图2为TDI-CCD大口径长焦距遥感相机在推扫工作模式下对星点靶标成像结果，图中一个小方格表示一个像元；
图3为TDI-CCD大口径长焦距遥感相机在推扫工作模式星点靶标成像，不同位置的星点靶标与相应输出图像，图中一个小方格表示一个像元；
图4为TDI-CCD大口径长焦距遥感相机利用同步机械快门对星点靶标面阵模式成像结果，图中一个小方格表示一个像元；
图5为TDI-CCD大口径长焦距遥感相机利用同步机械快门对星点进行面陈模式成像结果，不同位置的星点靶标与相应输出图像，图中一个小方格表示一个像元。
图中，10-TDI-CCD大口径长焦距遥感相机，11-二维转台，12-平行光管，13-机械快门，14-星点靶标，15-积分球。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明加以详细说明。
基于TDI-CCD大口径长焦距传感器的相机属于线阵相机的一种，其正常工作方式为扫描式，即在成像时相机与被成像目标要存在一定的相对运动，并且运动速度要与成像积分时间匹配，否则就会出现推扫方向上的拖影。在被成像目标与相机之间无相对运动时，成像结果为与推扫方向平行的竖条纹，如图2。
在TDI-CCD大口径长焦距遥感相机正常工作模式下进行相机光学畸变测量时，用平行光环模拟无穷远处目标，维持星点靶标在固定位置，每旋转二维转台一定角度，对相机来说就相当于对一不同位置处星点靶标成像。由于TDI-CCD传感器成像特点，对不同位置星点靶标成像获得的是在像面上不同位置平行于推扫方向(X向)的条纹像(如图3)，条纹像之间的距离与不同星点靶标之间的距离对应，也就是与二维转台旋转的角度对应。求解条纹像之间的间距与二维转台旋转角之间的映射关系，可以获得每个像点在垂直于推扫方向(Y向)上的畸变，拟合出该方向的畸变方程，就可以解算出所有像元在垂直于推扫方向(Y向)上的畸变系数。由于条纹像没有推扫方向(X向)的位置信息，这样就无法获得推扫方向(X向)的畸变。
改变TDI-CCD大口径长焦距遥感相机的工作方式，令其工作在帧转移面阵成像模式下。如果TDI-CCD每行像元个数为M，积分级数为N，那么每帧图像大小为M×N。在面阵成像时，每一次曝光完毕都需要将成像电荷转移出去，在此期间感光像元要停止曝光。这里设计了一个与相机曝光同步的机械快门，在TDI-CCD曝光时打开快门；在TDI-CCD转移电荷时关闭快门。在这种面陈成像模式下，TDI-CCD遥感相机对静止星点靶标成的像就不是条纹像，而是星点像了，如图4。
在上述情况下，旋转二维转台，获得转台在不同角度处的星点像，星点像既包含了垂直于推扫方向(Y)又包含了推扫方向(X向)的位置信息(如图5)，这样就可以解算出相机两个方向的畸变了。

Claims (3)

1.一种基于TDI-CCD的大口径长焦距遥感相机畸变测量装置进行畸变测量的方法，所述基于TDI-CCD的大口径长焦距遥感相机畸变测量装置包括平行光管、二维转台、机械快门、积分球、星点靶标和TDI-CCD长焦距大口径遥感相机，所述二维转台上布置有TDI-CCD长焦距大口径遥感相机，TDI-CCD长焦距大口径遥感相机入瞳处布置有平行光管，平行光管光输入口端依次布置有机械快门、星点靶标和积分球，所述机械快门的开关动作由TDI-CCD长焦距大口径遥感相机控制，其特征在于：包括以下步骤：
1)调整二维转台，令星点靶标像落在TDI-CCD长焦距大口径遥感相机的传感器中心，TDI-CCD长焦距大口径遥感相机进行一次面阵成像，然后将二维转台当前位置设置为转台零位；
2)假设TDI-CCD推扫方向为X向，垂直于推扫方向为Y向，调整二维转台方位角，令星点靶标在TDI-CCD长焦距大口径遥感相机+Y向，每移动5～10个像元后进行一次面阵成像，记录每一次的二维转台调整方位角度，直至移动到传感器的+Y端头；
3)调整二维转台回零位，然后令星点靶标在TDI-CCD长焦距大口径遥感相机-Y向，每移动5～10个像元后进行一次面阵成像，记录每一次的二维转台调整方位角度，直至移动到传感器的-Y端头；
4)以传感器的中间像元为坐标原点(0，0)，利用重心求解算法算出每个星点靶标像在传感器上的中心坐标，依据每次成像与二维转台的方位角之间的对应关系，使用面阵传感器成像系统畸变系数求解方法求解出每个像点的在X向及Y向的畸变值，再利用最小二乘法拟合出畸变方程，将其余像元坐标带入畸变公式后即可获得该像元的畸变值。
2.根据权利要求1所述的一种基于TDI-CCD的大口径长焦距遥感相机畸变测量装置进行畸变测量的方法，其特征在于：所述TDI-CCD大口径长焦距遥感相机每一次完整的面阵成像包含两个动作：1)曝光；2)电荷转移；所述机械快门在TDI-CCD大口径长焦距遥感相机曝光时打开，在TDI-CCD大口径长焦距遥感相机电荷转移时闭合。
3.根据权利要求1所述的一种基于TDI-CCD的大口径长焦距遥感相机畸变测量装置进行畸变测量的方法，其特征在于：每一次面阵成像就能获得一个星点像。
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