CN106767907A - 光学相机几何成像模型高精度标定与评估装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种光学相机几何成像模型高精度标定与评估装置及方法，包括：相机、相机基准棱镜、二维转台、二维转台驱动控制器、平行光管、平行光管基准棱镜、光学靶标、电子经纬仪以及标定处理与评估系统，标定过程中，平行光管指向始终不动，二维转台按照离散的转角指令指向不同目标方向，电子经纬仪初标定相机基准棱镜与平行光管基准棱镜坐标系的相对关系，通过二维转台调整相机相对于平行光管不同光轴指向，模拟相机全视场对目标成像，试验中二维转台转角由光码盘精测，获得相机基准棱镜与平行光管基准棱镜坐标系的相对关系；标定处理与评估系统接收数据，对光学相机几何成像模型高精度标定与评估。本发明为在轨高精度几何定位应用奠定坚实基础。

Description

光学相机几何成像模型高精度标定与评估装置及方法

技术领域

本发明涉及一种宽视场星载摆扫光学相机几何成像模型实验室标定评估系统及方法，更具体的说涉及星载摆扫光学相机交付卫星总体后，对其内部装配偏差及几何成像模型进行发射前标定评估。

背景技术

三轴稳定光学遥感卫星具备灵活的对地观测模式，方便数据传输，且可多相机联合工作等优点。随着星载相机图像空间分辨率和探测需求的不断提高，目前光学相机朝着大面阵、二维扫描成像等在轨工作方式发展，但相机内部装配等偏差若没有在发射前进行较好的标校，而是发射后在轨当作“黑匣子”估计修正，将直接影响在轨图像定位的指标可实现性。

目前对地遥感卫星的图像定位性能直接反映一个国家定量化遥感业务应用的能力水平。在图像定位高精度应用中，星载相机高精度图像定位建模参数辨识方法已由传统地面图像处理向卫星严密成像模型标定转变，且卫星发射前也需准确的对相机成像标校模型进行有效性评估和验证，即地面相机的成像模型标定精度直接关系到在轨几何定位精度。

发明内容

为满足我国新型卫星几何成像模型验收需求，本发明提出一种星载摆扫光学相机几何成像模型实验室评估标定装置及方法，用于指导相机几何模型工程参数标校，以及对比评估相机方提供的成像模型数据的一致性。

为实现上述的发明目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种宽视场星载摆扫光学相机几何成像模型高精度标定与评估装置，包括待测相机、相机基准棱镜、高精度大承载二维转台、二维转台驱动控制器、平行光管、平行光管基准棱镜、光学靶标、电子经纬仪、标定处理与评估系统，待测相机光机主体置于平行光管前的二维转台上，平行光管和光学靶标基于准直物镜成像原理模拟无穷远处探测目标；标定过程中，平行光管指向始终不动，二维转台按照离散的转角指令指向不同目标方向；

采用电子经纬仪初标定光学相机基准棱镜坐标系与平行光管基准棱镜坐标系的相对关系，然后通过二维转台调整相机相对于平行光管不同光轴指向(如相机视场内均匀分布)，模拟相机全视场对目标成像。试验过程中高精度大承载二维转台转角由光码盘精测，获得相机基准棱镜坐标系与平行光管基准棱镜坐标系的相对关系；标定处理与评估系统接收待测相机的成像数据、相机转角数据、相机成像时间、高精度二维转台转角数据、电子经纬仪测量数据等，对宽视场星载摆扫光学相机几何成像模型高精度标定与评估。

同时，本发明还提供一种宽视场星载摆扫光学相机几何成像模型高精度标定与评估方法，包括如下步骤：

步骤1：将相机光机主体置于平行光管前的二维转台上，相机光轴和平行光管光轴对准，电子经纬仪T3瞄准平行光管焦面十字中心，T3方向即为平行光管光轴方向，平行光管光轴方向在平行光管基准棱镜所在的坐标系中进行表示；

步骤2：相机开机，对平行光管针孔靶标成像，转动二维转台，调整相机星下点，使得平行光管靶标在成像在探测器中心，即相机星下点方向与平行光管光束方向平行，相机下传存储成像数据、相机转角数据、相机成像时间，记录高精度二维转台转角数据等。

步骤3：调整二维转台方位和俯仰角，使相机在东西，南北视场范围内均匀对平行光管靶标成像，记录下传图像数据和对应的二维转台转角数据；

步骤4：构建星载摆扫相机严密成像模型，对相机内部装配偏差进行参数工程合并，形成含等效失配参数集的严密摆扫光学相机几何成像模型；

步骤5：绘制所观目标点的空间位置分布图，选取有限个方位点用于解算严密成像定位模型参数；

步骤6：任选相机视场内其它目标观测点评估全视场内不同方位的定位精度，并与相机研制方提供的星载摆扫成像模型数据进行比对，完成相机几何成像模型的实验室评估标定。

进一步，所述步骤2中，正式试验前通过电子经纬仪互瞄获得初始试验状态下平行光管光轴在相机基准棱镜坐标系的表示。电子经纬仪T1和T2分别与相机基准棱镜两个面正交对准，电子经纬T3瞄向平行光管光轴方向，通过建立初始态的平行光管光轴方向在相机基准棱镜所在的坐标系中表示，实现对相机视场内所有视线方向进行严格几何成像模型精度校验；

进一步，所述步骤3中，调整二维转台两维角度模拟相机全视场不同指向对目标成像时，基于高精度大承载二维转台的光码盘测角数据，构建星载摆扫相机相对平行光管的成像模型。

根据二维转台转角数据，不同转角工况下平行光管所模拟的目标矢量在相机棱镜坐标系的表示：

式中，R_fy(i)为不同工况下测得的转台方位角；R_fy0为相机星下点方向与平行光管光束方向平行时方位角初值；R_fw(i)为不同工况下测得的转台俯仰角；R_fw0相机星下点方向与平行光管光束方向平行时俯仰角初值；R_xxd为电子经纬仪测得初始平行光管在相机棱镜系下矢量表示。

进一步，所述步骤4中，星载摆扫相机严密成像模型在工程上简化为含6～8个等效失配参数的几何成像模型，

b_x＝R(α,β,Δζ₁,…,Δζ_m)·P(i_x,j_y)

其中：i_x、j_y：像点在相机探测器的像元行列数；

P(i_x,j_y)：相机后光路成像畸变校正模型；

α、β：相机指向机构的转角测量值；

Δζ₁,…,Δζ_m：在实验室条件下含相机内部装配偏差及在二维转台的安装偏差经工程合并的等效失配角参数集(其参数量与相机扫描机构类型有关，一般6～8个)；

通过二维转台成像试验数据基于有限稀疏成像靶标点迭代解算等效失角参数集，完成相机几何成像模型实验室标定，可指导相机几何模型工程参数标校，与相机研制方提供的几何成像模型比对，评估模型数据一致性。

本发明提供了一种宽视场星载摆扫光学相机几何成像模型高精度标定与评估装置及方法，采用大承载二维转台结合平行光管，模拟光学相机对不同入射方向的探测目标进行成像。通过电子经纬仪初标定相机基准棱镜坐标系与平行光管基准棱镜坐标系的相对关系，以及高精度光码盘精确测量二维转台转角值，结合二维转台在不同转角条件下的光学相机对靶标点成像数据，迭代求解星载摆扫相机内部几何成像模型参数以及整机在二维转台的装配矩阵等，完成光学相机几何成像模型的高精度实验室标定与评估，为在轨高精度几何定位应用奠定坚实基础。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明星载摆扫光学相机几何成像模型实验室标定与评估试验原理图。

图2为本发明星载摆扫光学相机标校评估所观目标点的空间方位分布原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本实施例中，本发明试验原理框图参见图1，其几何成像模型标定与评估装置包括待测相机1、相机基准棱镜2、高精度大承载二维转台3、二维转台驱动控制器4、平行光管5、平行光管基准棱镜7、光学靶标6、电子经纬仪8、标定处理与评估系统9等。宽视场相机光机主体1置于平行光管前的二维转台3上，平行光管4和光学靶标6基于准直物镜成像原理模拟无穷远处遥感目标；标定过程中，平行光管4和光学靶标6指向始终不动，二维转台3按照离散的转角指令指向不同目标方向。

相机方首先单独对后光路光学畸变模型标校，然后再整机标校。相机畸变校正后成像点对应的空间指向用矢量表示为(u，-f，v)，其中(u，v)＝P(i_x,j_y)，f为相机的焦距。归一化为：

开展整个相机的二维转台试验时，调整二维转台方位和俯仰角，在相机视场范围内选择多个角度位置进行成像，记录二维转台转角等相关数据。

根据星载摆扫相机在二维转台上的光学回路建立几何成像模型，即在实验室条件下对含相机内部装配偏差及在二维转台的安装偏差构建12个参数严密成像模型，工程上对二维指向机构的相机再简化为8个等效失配角参数模型，这样只要选择4组特征点，通过舍去2阶及2阶以上小量，基于小角度解算就可以迭代求解相机等效失配角参数集，提高标校精度。

图2所示为根据一典型试验数据所绘制的目标点空间方位分布图，选取四个方位点用于解算严密成像模型参数，然后任选相机视场内其它目标观测点评估全视场内不同方位的定位精度如表1所示。

表1试验靶标点的定位评估精度

成像样本点	N1	N2	N3	N4	N5
						东西	1像元	0.7像元	0.8像元	1.2像元	1.4像元
南北	0.7像元	0.7像元	1.1像元	0.9像元	0.7像元
						成像样本点	N6	N7	N8	N9
东西	0.6像元	1.4像元	1.1像元	1.4像元
						南北	0.9像元	1.3像元	0.9像元	1.2像元

所有成像样本点的几何定位精度均优于1.5像元，达到了较高的标校精度，并可与相机研制方提供的星载摆扫成像模型数据进行比对，从而完成相机几何成像模型的实验室标定与评估等，也对在轨高精度几何定位应用奠定了坚实基础。

本发明方法，通过严密成像模型，以二维转台试验结果计算相机内部安装偏差，从而评估标定相机几何模型。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种光学相机几何成像模型高精度标定与评估装置，其特征在于,包括：待测的相机、相机基准棱镜、二维转台、二维转台驱动控制器、平行光管、平行光管基准棱镜、光学靶标、电子经纬仪以及标定处理与评估系统，相机的光机主体置于平行光管前的二维转台上，平行光管和光学靶标基于准直物镜成像原理模拟无穷远处遥感目标；标定过程中，平行光管指向始终不动，二维转台按照离散的转角指令指向不同目标方向，电子经纬仪初标定相机基准棱镜坐标系与平行光管基准棱镜坐标系的相对关系，然后通过二维转台调整待测相机相对于平行光管不同光轴指向，模拟相机全视场对目标成像，试验过程中二维转台转角由光码盘精测，获得相机基准棱镜坐标系与平行光管基准棱镜坐标系的相对关系；标定处理与评估系统接收待测相机、二维转台以及电子经纬仪的数据，对宽视场星载摆扫光学相机几何成像模型高精度标定与评估。

2.一种光学相机几何成像模型高精度标定与评估方法，其特征在于，采用权利要求1所述的装置，包括如下步骤：

步骤1：将相机光机主体置于平行光管前的二维转台上，相机光轴和平行光管光轴对准，电子经纬仪T3瞄准平行光管焦面十字中心，T3方向即为平行光管光轴方向，平行光管光轴方向在平行光管基准棱镜所在的坐标系中进行表示；

步骤2：相机开机，对平行光管针孔靶标成像，转动二维转台，调整相机星下点，使得平行光管靶标成像在探测器中心，即相机星下点方向与平行光管光束方向平行，相机下传存储数据；

步骤3：调整二维转台方位角和俯仰角，使相机在东西，南北视场范围内均匀对平行光管靶标成像，记录下传图像数据和对应的二维转台转角数据；

步骤4：构建星载摆扫相机严密成像模型，对相机内部装配偏差进行参数工程合并，形成含等效失配参数集的严密摆扫光学相机几何成像模型；

步骤5：绘制所观目标点的空间方位分布图，选取有限个方位点用于解算严密成像定位模型参数；

步骤6：任选相机视场内其它目标观测点评估全视场内不同方位的定位精度，并与相机研制方提供的星载摆扫成像模型数据进行比对，完成相机几何成像模型的实验室标定和评估。

3.根据权利要求2所述的光学相机几何成像模型高精度标定与评估方法，其特征在于，步骤1中相机下传存储数据包括成像数据、相机转角数据、相机成像时间，记录二维转台转角数据。

4.根据权利要求2所述的光学相机几何成像模型高精度标定与评估方法，其特征在于，在正式试验前，通过电子经纬仪互瞄获得初始试验状态下平行光管光轴在相机基准棱镜坐标系的表示，电子经纬仪T1和T2分别与相机基准棱镜两个面正交对准，电子经纬T3瞄向平行光管光轴方向，通过建立初始态的平行光管光轴方向在相机基准棱镜所在的坐标系中表示，实现对相机视场内所有视线方向进行严格几何成像模型精度校验。

5.根据权利要求2所述的光学相机几何成像模型高精度标定与评估方法，其特征在于，步骤3，调整二维转台两维角度模拟相机全视场不同指向对目标成像时，二维转台采用光码盘进行转角测量，构建高精度星载摆扫相机相对于平行光管的几何成像模型。

根据二维转台转角数据，不同转角工况下平行光管所模拟的目标矢量在相机基准棱镜坐标系的表示：

式中，R_fw(i)为不同工况下测得的转台方位角；R_fw0为相机星下点方向与平行光管光束方向平行时方位角初值；R_fy(i)为不同工况下测得的转台俯仰角；R_fy0为相机星下点方向与平行光管光束方向平行时俯仰角初值；R_xxd为电子经纬仪测得初始平行光管在相机基准棱镜系下矢量表示。

6.根据权利要求2所述的光学相机几何成像模型高精度标定与评估方法，其特征在于，步骤4，星载摆扫相机严密成像模型在工程上简化为含6～8个等效失配参数的几何成像模型，

b_x＝R(α,β,Δζ₁,…,Δζ_m)·P(i_x,j_y)

其中：i_x、j_y：像点在相机探测器的像元行列数；P(i_x,j_y)：相机后光路成像畸变校正模型；α、β：相机指向机构的转角测量值；Δζ₁,…,Δζ_m：在实验室条件下含相机内部装配偏差及在二维转台的安装偏差经工程合并的等效失配角参数集。

7.根据权利要求2所述的光学相机几何成像模型高精度标定与评估方法，其特征在于，步骤6，通过二维转台成像试验数据基于有限稀疏成像靶标点迭代解算等效失角参数集，完成相机几何成像模型实验室标定，指导相机几何模型工程参数标校，并与相机研制方提供的几何成像模型比对，评估模型数据一致性。