CN106885555A - 远紫外成像仪光学系统坐标系标定方法 - Google Patents

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Abstract

远紫外成像仪光学系统坐标系标定方法，属于空间监测技术领域。解决了现有技术中远紫外成像仪装调过程无法准确确定仪器光学系统坐标方向，给后续图像处理和数据反演带来了困难的技术问题。本发明的标定方法，先通过在远紫外成像仪镜头上安装立方镜作为光学传递基准，然后根据坐标系正交关系，只需要确定立方镜的任意两个坐标轴在远紫外成像仪光学系统中的投影关系，即可通过右手定则确定第三个坐标轴，从而建立光学系统坐标系与立方镜基础坐标系的转换矩阵，进而通过立方镜基础坐标系的转换矩阵标定光学系统坐标系。该标定方法标定精度高，简单易行，为远紫外成像仪数据的后续处理建立图像像点坐标与空间坐标的严密几何关系。

Description

远紫外成像仪光学系统坐标系标定方法
技术领域
本发明属于空间监测技术领域，具体涉及一种远紫外成像仪光学系统坐标系标定方法，尤其适用于大视场远紫外成像仪的光学系统坐标系的标定。
背景技术
极光主要是由太阳风和地球磁层中的高能带电粒子沿地球磁场线注入高纬度地区，将高层大气分子或原子电离激发产生的发光现象，极光产生于地球的高磁纬地区上空即地球的南北两极区域，一般为大于磁纬60°的区域。极光卵的形状和位置对于解释地球空间环境活动状态具有非常重要的意义。
在观测极光卵的形状和位置时，可以采用远紫外成像仪，尤其是大视场远紫外成像仪。仪器在830km高度的极轨太阳同步轨道上对地球南北两极极光进行沿轨扫描观测时，单个镜头的瞬时视场角达到68°×10°(其中10°为沿轨道方向，68°为跨轨道方向)。但该仪器工作在140nm-180nm的远紫外波段，对其他波段辐射无响应，而现有技术中没有远紫外波段的干涉仪和经纬仪，装调过程无法准确确定仪器光学系统坐标方向，给后续图像处理和数据反演带来了困难。
发明内容
本发明为解决现有技术中远紫外成像仪装调过程无法准确确定仪器光学系统坐标方向，给后续图像处理和数据反演带来了困难的技术问题，提供一种远紫外成像仪光学系统坐标系标定方法。
远紫外成像仪光学系统坐标系标定方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一、使用经纬仪调整平行光管出射光束与立方镜O1Z1轴平行，调整好以后，通过远紫外成像仪对平行光管成像，在像面获得像点P1；
步骤二、利用远紫外成像仪主距f和像元尺寸Δ计算像点P1在光学系统坐标系中的方向矢量该单位向量即O1Z1轴在光学系统坐标系中的单位向量
步骤三、调整平行光管出射光束，使平行光管出射光束在立方镜基础坐标系的X1Z1面或Y1Z1面内转动，且平行光管出射光束指向与立方镜Z1轴存在一定夹角，调整好以后，通过远紫外成像仪对平行光管成像，在像面获得像点P2；
步骤四、利用远紫外成像仪主距f和像元尺寸Δ计算像点P2在光学系统坐标系中的方向矢量
步骤五、计算O1Y1轴或O1X1轴在光学系统坐标系中的方向矢量；
如果步骤三中的平行光管出射光束是在Y1Z1面内转动，且转向正O1Y1轴一侧，则O1X1轴的单位向量表示为O1Y1轴的单位向量表示为
如果步骤三中的平行光管出射光束是在Y1Z1面内转动，且转向负O1Y1轴一侧，则O1X1轴的单位向量表示为O1Y1轴的单位向量表示为
如果步骤三中的平行光管出射光束是在X1Z1面内转动，且转向正O1X1轴一侧，则O1Y1轴的单位向量表示为O1X1轴的单位向量表示为
如果步骤三中的平行光管出射光束是在X1Z1面内转动，且转向负O1X1轴一侧，则O1Y1轴的单位向量表示为O1X1轴的单位向量表示为
步骤六、计算光学系统坐标系至立方镜基础坐标系的转换矩阵
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的远紫外成像仪光学系统坐标系标定方法克服了远紫外成像仪无法使用普通经纬仪和干涉仪进行坐标系标定的局限性，采用同时工作在远紫外波段和可见光波段的平行光管作为远紫外成像仪的成像光源，经纬仪作为光源方向和立方镜坐标轴的测量仪器，通过测量平行于立方镜坐标轴的光线的图像，准确计算光学系统坐标系至立方镜基础坐标系的转换矩阵，标定精度高，简单易行，为远紫外成像仪数据的后续处理建立图像像点坐标与空间坐标的严密几何关系。
附图说明
图1为本发明的远紫外成像仪及立方镜的安装示意图；
图2为本发明的远紫外成像仪光学系统坐标系标定方法的原理图；
图3为本发明的远紫外成像仪光学系统坐标系标定方法的流程图；
图中，1、远紫外成像仪镜头，2、立方镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
如图1和图2所示，本发明的原理为：采用立方镜法，并辅助以平行光管。先通过在远紫外成像仪镜头1上安装立方镜2作为光学传递基准(立方镜2的安装位置和方法与现有技术中立方镜2的安装位置和方法相同)，然后根据坐标系正交关系，只需要确定立方镜2的任意两个坐标轴在远紫外成像仪光学系统中的投影关系，即可通过右手定则确定第三个坐标轴，从而建立光学系统坐标系与立方镜基础坐标系的转换矩阵，进而通过立方镜基础坐标系的转换矩阵标定光学系统坐标系。其中，光学系统坐标系为O2-X2Y2Z2，光学系统坐标系原点O2位于远紫外成像仪的探测器像面中心，立方镜基础坐标系为O1-X1Y1Z1，立方镜基础坐标系原点O1位于立方镜2的中心。本发明建立的坐标系皆为直角坐标系。
如图3所示，本发明的远紫外成像仪光学系统坐标系标定方法，步骤如下：
步骤一、使用经纬仪调整平行光管出射光束与立方镜基础坐标系O1Z1轴平行，调整好以后，通过远紫外成像仪1对平行光管成像，在远紫外成像仪的探测器像面获得像点P1；
其中，经纬仪和平行光管采用本领域中常用设备，没有特殊限制，本实施方式采用的远紫外成像仪，为大视场远紫外成像仪，性能参数为：视场：68°×10°，角分辨率：0.44°，主距：f＝18.18mm，工作波段：140nm-180nm，探测器：光子计数成像探测器，探测器虚拟像元尺寸：Δ＝0.035mm，探测器像面中心O2坐标[xc，yc，zc]＝[750，750，0]；
步骤二、利用远紫外成像仪主距f和像元尺寸Δ计算像点P1在光学系统坐标系中的方向矢量该方向向量即O1Z1轴在光学系统坐标系中的单位向量
过程为：提取出P1的坐标[p1x，p1y]，则方向向量在光学系统坐标系O2-X2Y2Z2中的表示为其中同时得到O1Z1轴在光学系统坐标系中的单位向量
步骤三、调整平行光管出射光束，使平行光管出射光束在立方镜基础坐标系的X1Z1面或Y1Z1面内转动，且平行光管出射光束指向与立方镜OZ1轴存在一定夹角，通过远紫外成像仪对平行光管成像，在像面获得像点P2；
步骤四、利用远紫外成像仪主距f和像元尺寸Δ计算像点P2在光学系统坐标系中的方向矢量
如，平行光管出射光束向正O1Y1轴方向调整平行光管指向，且平行光管出射光束指向在Y1Z1面内，提取出P2的坐标[p2x，p2y]，则方向向量在光学系统坐标系O2-X2Y2Z2中的表示为其中
步骤五、计算O1Y1轴或O1X1轴在光学系统坐标系中的方向矢量；
如果步骤三中的平行光管出射光束是在Y1Z1面内转动，且转向正O1Y1轴一侧，则O1X1轴的单位向量表示为根据右手定则，O1Y1轴的单位向量表示为
如果步骤三中的平行光管出射光束是在Y1Z1面内转动，且转向负O1Y1轴一侧，则O1X1轴的单位向量表示为根据右手定则，O1Y1轴的单位向量表示为
如果步骤三中的平行光管出射光束是在X1Z1面内转动，且转向正O1X1轴一侧，则O1Y1轴的单位向量表示为根据右手定则，O1X1轴的单位向量表示为
如果步骤三中的平行光管出射光束是在X1Z1面内转动，且转向负O1X1轴一侧，则O1Y1轴的单位向量表示为根据右手定则，O1X1轴的单位向量表示为
步骤六、计算光学系统坐标系至立方镜基础坐标系的转换矩阵

Claims (1)

1.远紫外成像仪光学系统坐标系标定方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一、使用经纬仪调整平行光管出射光束与立方镜O1Z1轴平行，调整好以后，通过远紫外成像仪对平行光管成像，在像面获得像点P1；
步骤二、利用远紫外成像仪主距f和像元尺寸Δ计算像点P1在光学系统坐标系中的方向矢量该单位向量即O1Z1轴在光学系统坐标系中的单位向量
步骤三、调整平行光管出射光束，使平行光管出射光束在立方镜基础坐标系的X1Z1面或Y1Z1面内转动，且平行光管出射光束指向与立方镜Z1轴存在一定夹角，调整好以后，通过远紫外成像仪对平行光管成像，在像面获得像点P2；
步骤四、利用远紫外成像仪主距f和像元尺寸Δ计算像点P2在光学系统坐标系中的方向矢量
步骤五、计算O1Y1轴或O1X1轴在光学系统坐标系中的方向矢量；
如果步骤三中的平行光管出射光束是在Y1Z1面内转动，且转向正O1Y1轴一侧，则O1X1轴的单位向量表示为O1Y1轴的单位向量表示为
如果步骤三中的平行光管出射光束是在Y1Z1面内转动，且转向负O1Y1轴一侧，则O1X1轴的单位向量表示为O1Y1轴的单位向量表示为
如果步骤三中的平行光管出射光束是在X1Z1面内转动，且转向正O1X1轴一侧，则O1Y1轴的单位向量表示为O1X1轴的单位向量表示为
如果步骤三中的平行光管出射光束是在X1Z1面内转动，且转向负O1X1轴一侧，则O1Y1轴的单位向量表示为O1X1轴的单位向量表示为
步骤六、计算光学系统坐标系至立方镜基础坐标系的转换矩阵
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US20110181733A1 (en) * 2010-01-26 2011-07-28 Sanyo Electric Co., Ltd. Calibrating apparatus
CN103018876A (zh) * 2012-11-20 2013-04-03 北京空间机电研究所 一种红外低温相机的视轴引出方法
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