CN108286960A - 聚焦式光管阵列装置以及摄影检测方法 - Google Patents

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Abstract

一种聚焦式光管阵列装置以及摄影检测方法，阵列装置包括若干个光管和被检测影像传感器，若干个光管均分布在同一个旋转抛物面与其旋转轴构成的扫掠形体上，且光管在参考面的投影呈放射状结构，该参考面为垂直于旋转抛物面的旋转轴的平面；所述光管的物镜光轴均经过旋转抛物面的焦点；摄影检测方法基于光管阵列装置，它采用像点坐标和像点对应的光管光轴与旋转轴夹角标准值解算传感器的内方位元素和畸变差；本发明由于光管的星点目标位于无穷远，它有效地克服了垂直面上固定标志点只适用于近距离拍摄所用的影像传感器的不足；本发明一种可广泛应用于检测航空航天摄影和遥感影像传感器的主要性能参数而设计的标准靶标。

Description

聚焦式光管阵列装置以及摄影检测方法
技术领域
本发明涉及影像传感器检测领域，尤其一种聚焦式光管阵列装置以及摄影检测方法。
背景技术
航空摄影测量和遥感技术作为地表地物信息观测、获取的主要手段，其应用非常广泛。通过航空摄影测量和遥感技术和手段获得模拟影像或者数字影像后，借助于数字化和解析方式来进行所需信息的提取、分析、表达和存储等，再利用符号化以及可视化技术，将其转变成为所需的各类测绘地理信息产品。
基于以上方式生产的产品，其准确度和精度主要由所使用的影像传感器的性能所决定。
为保障测绘地理信息产品的质量，国家和行业通过制定相关法规制度，对航空和遥感影像传感器的质量进行检验测试，以确定是否满足相关技术规范的要求。
目前，国内外用于航空摄影和遥感影像传感器检测用的标准靶标都是布设在垂直面上的固定标志点，需要精确测量标志点的坐标值；在实际操作中，影像传感器对着这些标志点拍照的距离(物距)只有几米到几十米，只适合某些特定焦距的近距离拍摄所用传感器的检测，其典型应用如中国专利ZL201610371647.4公开的一种测量特定高度相机分辨率的方法，其具体公开了获取相机在预设高度拍摄标准靶标所在区域得到的测绘图片。随着传感器解像力显著提升和影像幅面的增大，长焦距(百毫米以上)镜头的拍照应用就越来越广泛，现有的布设在垂直面上的固定标志点因成像清晰度不够、精度难以保证而不能满足检测的需要。
发明内容
本发明的目的是提供一种聚焦式光管阵列装置以及摄影检测方法，它工作可靠、检测精度高，且满足了在不同焦距下的摄像需要。
本发明是这样来实现的，聚焦式光管阵列装置，它包括若干个按特定规则分布排列的光管以及用于对光管的目标进行成像的影像传感器，其特征在于
所述若干个光管均分布在同一个旋转抛物面与其旋转轴构成的扫掠形体上，且光管在参考面的投影呈放射状结构，该参考面为垂直于旋转抛物面的旋转轴的平面；所述光管的物镜光轴均经过旋转抛物面的焦点。
所述若干个光管均分布在同一个旋转抛物面与其旋转轴构成的扫掠形体上，且光管在参考面的投影为呈“米”字型结构，该参考面为垂直于旋转抛物面的旋转轴的平面；所述光管的物镜光轴均经过旋转抛物面的焦点。
上述若干个光管的投影关于参考面与旋转轴的交点中心对称。
优选的是：所述光管背离旋转抛物面焦点的一端为目镜，该目镜中设有用于形成星点目标的星点板。
优选的是：所述旋转抛物面的焦点设置有立柱，安置和调整影像传感器，使所有光管的星点目标能清晰成像。
本发明还记载了一种摄影检测方法，其特征在于，该检测方法基于上述聚焦式光管阵列装置，它包括如下步骤：
(1)按照聚焦式光管阵列装置的结构位置进行设置，然后打开每根光管的电源，调整光管的物镜光轴，使物镜光轴均经过旋转抛物面的焦点；
(2)在旋转抛物面的焦点处的立柱上安置影像传感器，精确调整传感器，使所有光管的星点目标能够清晰成像，通过影像传感器获取光管的目标影像；
(3)测量光管的物镜光轴与旋转轴的夹角作为标准角度值，采用像点坐标和像点对应的光管光轴与旋转轴夹角标准值解算镜头的内方位元素和畸变差。
优选的是：在所述步骤(3)中，使用精密经纬仪或全站仪测定光管的物镜光轴与旋转轴的夹角作为标准角度值。
本发明的有益效果为：本发明聚焦式光管阵列和国内目前建立的布设在垂直面上的固定标志点相比，由于光管的星点目标位于无穷远，它有效地克服了垂直面上固定标志点只适用于近距离拍摄所用的影像传感器的不足，适用于所有不同焦距的影像传感器；且阵列装置设置方便，根据装置精度的需要，合理设置光管的数量和分布间距和角度，灵活可靠；在检测中只要通过像点量测以及对应的光管光轴与旋转轴之间的夹角值即可方便地计算获得检测结果，可广泛应用于各个领域的检测、检定、校准、检验和计量等操作过程中。
附图说明
图1为本发明聚焦式光管阵列装置一个实施例中光管在参考面的投影示意图。
图2为本发明聚焦式光管阵列装置一个实施例结构主视图。
图3为本发明聚焦式光管阵列装置光管水平方向分布结构示意图。
图4为本发明聚焦式光管阵列装置光管竖直方向分布结构示意图。
图5为图2所示实施例结构侧视图。
图6为图2所示实施例结构俯视图。
图7为图2所示实施例结构等轴视图。
图8为本发明聚焦式光管阵列装置第二种实施例结构等轴视图。
图9为本发明聚焦式光管阵列装置第三种实施例结构等轴视图。
图10为本发明聚焦式光管阵列装置第四种实施例结构等轴视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
如图1-10所示，本发明是这样实现的，所述聚焦式光管阵列装置包括若干个光管以及用于对光管的目标进行成像的影像传感器，其结构特点是，所述若干个光管均分布在同一个旋转抛物面与其旋转轴构成的扫掠形体上，且光管在参考面的投影呈放射状结构，该参考面为垂直于旋转抛物面的旋转轴的平面；所述光管的物镜光轴均经过旋转抛物面的焦点；在这里，根据实际需要，旋转抛物面可朝向任意方向，而旋转轴也做相应的改变，本发明利用光管的平行光束通过凸透镜聚焦于焦平面的特点，它作为一种标准靶标，可满足不同焦距下的摄像需要，根据装置精度的需要，合理设置光管的数量和分布间距和角度，如图7-10所示，随着光管数量的增加，装置可达到更高的工作精度；该装置是一种可广泛应用于检测航空摄影测量和遥感影像传感器的主要性能参数(内方位元素、畸变差等)而设计的用于检测影像获取的标准靶标。
所述若干个光管均分布在同一个旋转抛物面与其旋转轴构成的扫掠形体上，且光管在参考面的投影为呈“米”字型结构，如图10所示，该参考面为垂直于旋转抛物面的旋转轴的平面；所述光管的物镜光轴均经过旋转抛物面的焦点；当然上述若干个光管的投影关于参考面与旋转轴的交点中心对称，以便获得规则清晰的目标影像，在若干个光管中，具有一个与旋转轴同轴的中心光管；在具体实施时，将若干根平行光管在垂直方向分别按一定间隔，比如22.5°摆放成“米”字状，即水平(左-右)、垂直(上-下)、正22.5°(东北-西南)、负22.5°(西北-东南)，正45°(东北-西南)、负45°(西北-东南)、正67.5°(东北-西南)和负67.5°(西北-东南)；当然，该聚焦式光管阵列装置的光管排布并不局限于此，还可参考如图1、3和4所示的实施结构。
在实际设置时，所述光管背离旋转抛物面焦点的一端为目镜，该目镜中设有用于形成星点目标的星点板；所述旋转抛物面的焦点处设置有立柱，安置和调整影像传感器，使得所有光管的星点目标能够清晰成像。位于光管目镜端的星点板能够形成星点目标，再调整光管使得物镜的光轴调整到一个旋转抛物面的焦点上(旋转轴可设置为水平状态)，利用影像传感器获取所有光管星点目标的像；这样相比国内目前建立的布设在垂直面上的固定标志点，由于光管的星点目标位于无穷远，它有效地克服了固定标志点只适用于近距离拍摄所用的影像传感器的不足，适用于所有不同的焦距。
本发明还公开了一种摄影检测方法，该检测方法基于上述聚焦式光管阵列装置，它包括如下步骤：(1)按照聚焦式光管阵列装置的结构位置进行设置，然后打开每根光管的电源，调整光管的物镜光轴，使物镜光轴均经过旋转抛物面的焦点；(2)在旋转抛物面的焦点处安置和调整影像传感器，使所有光管的星点目标能够清晰成像；(3)测量光管的物镜光轴与旋转轴的夹角作为标准角度值，再通过影像自动提取光管目标的像点坐标，采用像点坐标和像点对应的光管光轴与旋转轴夹角标准值解算传感器的内方位元素和畸变差。
在所述步骤(3)中，一般使用精密经纬仪或全站仪测定光管的物镜光轴与旋转轴的夹角作为标准角度值。
在检测时，将被检测的影像传感器固定在位于光管焦点处的立柱上，打开每根光管的电源，点亮光管里面的星点板，安置并精确调整影像传感器，使所有光管的星点目标能清晰成像，再调整传感器曝光时间、感光度和光圈大小等参数，使星点目标的成像面积最小、亮度最强。此时按下传感器快门，就自动获得了所有光管星点目标的像，再通过影像量测像点坐标和光管物镜光轴与旋转轴之间的夹角值，就可以计算传感器的内方位元素和畸变差。
下面结合具体的实施例详细阐述解算检测结果以及计算传感器的内方位元素和畸变差的过程；
该聚焦式光管阵列装置主要由分布在6个方向上的125根光管以及航摄相机组成，采用精密经纬仪测量光管的物镜光轴与旋转轴的水平夹角及垂直夹角；被检测的航摄相机安装在升降平台上，所有光管位于航摄相机的正前方；检测过程中调整影像传感器，使所有光管的星点目标能清晰成像，再调整曝光时间、感光度、光圈大小等，使像点目标成像面积最小、亮度最强。
利用已知的光管的物镜光轴与旋转轴的水平夹角及垂直夹角，由于中心光管与旋转轴同轴，则可计算出各个光管与中心光管的角度值Wi；采用质心法结合光管倾斜成像光斑校正算法，自动提取光管目标点高精度的像点坐标，计算目标点与中心光管距离Li；利用目标点角度值和对应的距离值分别计算出6个方向的径向主点距离和径向主距以及畸变差，通过最小二乘法计算出主点和主距；利用畸变模型，通过最小二乘法整体平差，计算出各个畸变系数。
径向主点距离pθ、径向主距fθ数学模型如下：
主点xp，yp，和主距f数学模型如下，利用6个方向的径向的主点距离、径向的主距，通过最小二乘法计算出数字航摄相机主点、主距：
xpcosθk+ypsinθk＝pk
航摄相机畸变的数学模型如下：
径向畸变数学模型如下，最小二乘求解K0,K1,K2,K3：
Dir＝(K0ri 1+K1ri 3+K2ri 5+K3ri 7+…)
切向畸变数学模型如下，最小二乘求解P1,P2,B1,B1：
Δix＝P1[ri 2+2(xi-px)2]+2P2(xi-x0)(yi-y0)+B1(xi-x0)+B2(yi-y0)
Δiy＝2P1(xi-x0)(yi-y0)+P2[ri 2+2(yi-y0)2]
在具体的检测实例中，测试相机采用佳能5D Mark II，标称焦距24mm，像元尺寸0.0064mm，像幅大小5616×3744。分别采用光管阵列检定装置和单光管检定装置对5D MarkII进行检定计算，分析检定结果。
光管阵列法和单光管法测试结果对比如下表
基于上表的分析如下：
(1)精度分析
采用精密经纬仪测量光管的物镜光轴与旋转轴的水平夹角及垂直夹角，测角精度为±1”；目标点像素坐标定位采用质心法结合光管倾斜成像光斑校正算法，定位精度为±0.1像素。
基于光管阵列检定装置，检定相机的径向畸变中误差为0.175像素，基于单平行光管检定装置，检定相机的径向畸变中误差为0.295像素，因此，基于光管阵列检定装置的数字航摄相机检定较高。
(2)结论分析
光管阵列检定装置优点在于相机采集一次数据可以获取6个方向均匀分布的目标点和角度值，且中心目标点唯一，弥补了基于单平行光管仅能获取水平和垂直两个方向数据的不足，提高数字航摄相机检定精度；
结合具体的实施例和检测结果可以看出，本发明与现有技术相比的优点：
(1)光管阵列检定装置，设计成125根光管的视场角较大，可以满足焦距在5毫米至150毫米之间的各种类型数字航摄相机无穷远观测目标像点的需要，弥补了固定标志点(如实验室三维检校场)只能检定短焦距数字航摄相机的不足。
(2)光管阵列检测装置采集一次数据可以获取6个方向均匀分布的目标点和角度值，且中心目标点唯一，克服了基于单光管仅能获取水平和垂直方向数据的不足，提高了检测精度。
(3)本发明的检测过程中人工干预较少，检测效率高，采集一次可以立即计算结果，自动化程度较高。
(4)本发明的检测装置采用精密经纬仪测量角度，因像点坐标自动提取精度较高和测量原理误差小等原因，使得检测精度较高。

Claims (7)

1.聚焦式光管阵列装置，它包括若干个光管以及用于对光管的目标进行成像的影像传感器，其特征在于
所述若干个光管均分布在同一个旋转抛物面与其旋转轴构成的扫掠形体上，且光管在参考面的投影呈放射状结构，该参考面为垂直于旋转抛物面的旋转轴的平面；所述光管的物镜光轴均经过旋转抛物面的焦点。
2.如权利要求1所述的聚焦式光管阵列装置，其特征在于，所述若干个光管均分布在同一个旋转抛物面与其旋转轴构成的扫掠形体上，且光管在参考面的投影为呈米字型结构，该参考面为垂直于旋转抛物面的旋转轴的平面；所述光管的物镜光轴均经过旋转抛物面的焦点。
3.如权利要求1或2所述的聚焦式光管阵列装置，其特征在于，若干个光管的投影关于参考面与旋转轴的交点中心对称。
4.如权利要求3所述的聚焦式光管阵列装置，其特征在于，所述光管背离旋转抛物面焦点的一端为目镜，该目镜中设有用于形成星点目标的星点板。
5.如权利要求4所述的聚焦式光管阵列装置，其特征在于，所述旋转抛物面的焦点处设置有立柱，安置和调整影像传感器，使所有光管的目标能够清晰成像。
6.一种摄影检测方法，其特征在于，该检测方法基于权利要求1-5中任意一项所述的聚焦式光管阵列装置，它包括如下步骤：
(1)按照聚焦式光管阵列装置的结构位置进行设置，然后打开每根光管的电源，调整光管的物镜光轴，使物镜光轴均经过旋转抛物面的焦点；
(2)在旋转抛物面的焦点处的立柱上安置和调整影像传感器，通过影像传感器获取光管的目标影像；
(3)测量光管的物镜光轴与旋转轴的夹角作为标准角度值，采用像点坐标和像点对应的光管光轴与旋转轴夹角标准值解算影像传感器的内方位元素和畸变差。
7.如权利要求6所述的摄影检测方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，使用经纬仪或全站仪测定光管的物镜光轴与旋转轴的夹角作为标准角度值。
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