CN108596852A - 面阵相机大姿态角成像镜像几何畸变的物像映射还原方法 - Google Patents

Abstract

面阵相机大姿态角成像镜像几何畸变的物像映射还原方法，涉及航天面阵相机成像领域，主要解决现有面阵相机大姿态角成像条件下地物分辨率不一致导致像面图像镜像几何畸变的技术问题。本发明从面阵相机成像的原理出发，综合考虑面阵相机的工作原理、大姿态角成像时的投影映射关系及视场角不变原理，提出了面阵相机成像的还原过程，并给出了最佳矫正图像几何畸变的物像尺寸还原公式，方法简单易行，依据成像的逆过程即可实现对面阵相机大姿态角成像几何畸变的矫正。

Description

面阵相机大姿态角成像镜像几何畸变的物像映射还原方法

技术领域

本发明涉及航天面阵相机成像领域，具体涉及一种面阵相机大姿态角下成像物像映射的还原方法。

背景技术

在航天光学成像领域中，具备高帧频和高信噪比的面阵CMOS器件业已广泛应用于区域目标获取，由于观测区域目标分布具有不确定性，因此需要卫星敏捷机动完成待观测区域的精确成像。然而随着卫星姿态角度的变化，面阵相机成像物距和对应的地面分辨率也在实时变化,因此在卫星大侧摆角度成像条件下，存在像面上对应的地物分辨率不一致的情况，不同分辨率的物点压缩到相同几何尺寸的像面上则会出现图像的镜像几何畸变。本文依据面阵相机大姿态角条件下的成像对应关系，根据视场角一致性原理提出了成像镜像几何畸变的物像映射还原方法，可最大程度地矫正面阵相机像面对应的地面物点分辨率不一致问题。

发明内容

本发明为了解决面阵相机大姿态角成像条件下像面地物分辨率不一致的技术问题，提供一种面阵相机大姿态角成像镜像几何畸变的物像映射还原方法。

面阵相机大姿态角成像镜像几何畸变的物像映射还原方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、读取面阵相机的横滚姿态角为时，设定面阵相机成像像面图像长宽方向的像素点的个数为I(m，n)，即长度方向有m列像素，宽度方向有n行像素；

步骤二、计算所述面阵相机像面的不同列像素点对应的半视场角；

设定像面上的x方向为卫星飞行方向，y方向为垂直卫星飞行方向，o′为像面中心点，第i列像素边缘为c′(x_i,y_i)，面阵相机焦距为f；

将像面上每列像素从左至右依次编号，获得所述第i列像素边缘位置对应的半视场角η_i，E′为第i列像素中心点，i的范围为0<i<m+1，所述半视场角η_i用公式表示为：

式中：a为像面上单位像元尺寸；

步骤三、计算面阵相机像面的不同列像素点对应的物距及地面像元分辨率；

根据几何关系，求出第i列像素中心点E′与像面中心点o′相对于面阵相机镜头光心夹角β_i，卫星飞行高度H₀，地球赤道半径R，A为地心，E′对应的地面拍摄区域的物点为E，物点E对应的物距为L_βi，面阵相机星下点成像像面不同列像素点对应的地面像元分辨率为GSD_βi；

过面阵相机镜头光心点D作线段E’D的延长线至点B，使线段AB垂直于DB交于B点构造直角三角形ABE和直角三角形ABD；o为星下点，所述面阵相机镜头光心夹角β_i、L_βi以及GSD_βi的公式为：

H＝H₀+R

步骤四、计算不同侧摆角对应的地面实际拍摄梯形区域内像素点个数及地面像元分辨率；

计算面阵相机侧摆成像所拍摄区域的宽度，半视场角η_i所对应的面阵相机地面覆盖宽度d_i及其对应的像素点个数不同侧摆角时像面各列像素点对应的地面像元分辨率以及地面拍摄区域的物点所对应的物距用公式表示为：

步骤五、对像面宽度方向像素点插值还原面阵相机实际拍摄区域；

对图像的每列像依次迭代插值，即0：n，实现将像面图像还原成面阵相机大姿态角拍摄时所覆盖的实际地面区域。

本发明的有益效果：本发明所述的面阵相机为了实现在轨成像区域的大视场、宽覆盖，需要面阵相机在卫星大姿态角条件下进行成像，而在其侧摆成像过程中由于物距的变化导致地面分辨率发生变化，进而导致面阵相机大姿态角拍摄时地面区域近似为梯形，投影至像面则出现图像镜像几何畸变。本发明为一种面阵相机大姿态角下成像镜像几何畸变的物像映射还原方法，综合考虑面阵相机的工作原理、大姿态角成像时的投影映射关系及视场角不变原理，提出了面阵相机成像的还原过程，方法简单易行，依据成像的逆过程即可实现对面阵相机大姿态角成像几何畸变的矫正。

附图说明

图1为成像镜像几何畸变的物像映射还原对比图；

图2为本发明所述的面阵相机大姿态角成像镜像几何畸变的物像映射还原方法中面阵相机大姿态角物像对应关系图；

图3为本发明所述的面阵相机大姿态角成像镜像几何畸变的物像映射还原方法中面阵相机像面像素点对应的半视场角示意图；

图4为本发明所述的面阵相机大姿态角成像镜像几何畸变的物像映射还原方法中面阵相机像面像素点对应的夹角示意图；

图5为本发明所述的面阵相机大姿态角成像镜像几何畸变的物像映射还原方法中面阵相机星下点对应的物距计算示意图；

图6为本发明所述的面阵相机大姿态角成像镜像几何畸变的物像映射还原方法中面阵相机大姿态角拍摄区域示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图6说明本实施方式，面阵相机大姿态角成像镜像几何畸变的物像映射还原方法，星下点成像与侧摆角成像地面景物与像面的对应关系如图1所示。该方法主要是根据大视场角成像的物像映射关系确定梯形图像的扩大范围，还原面阵相机大视场角成像的几何畸变过程，如图2所示，o为星下点，为姿态角。其具体方法为：

1.读取横滚姿态角为时，面阵相机成像像面图像长宽方向的像素点的个数I(m，n)，即长度方向有m列像素，宽度方向有n行像素。

2.计算面阵相机像面不同列像素点对应的半视场角大小。

规定像面上的x方向为卫星飞行方向，y方向为垂直飞行方向，o’为像面中心点，C’(x_i，y_i)为第i列像素边缘点，f为面阵相机焦距。将像面上每列像素从左至右依次编号，根据几何关系可以求出C’位置对应的半视场角η_i(0<i<m+1)，E’为第i列像素中心点。如图3所示。推导公式如下：

其中：a为像面上单位像元尺寸。

3.计算面阵相机星下点成像像面不同列像素点对应的物距大小及地面像元分辨率。

根据几何关系，可以求出第i列像素中心点E’与像面中心点o’相对于面阵相机镜头光心夹角β_i。卫星飞行高度H₀，地球赤道半径R，A为地心，E为E’对应的地面拍摄区域的物点，物点E对应的物距为L_βi，面阵相机星下点成像像面不同列像素点对应的地面像元分辨率为GSD_βi。过面阵相机镜头光心点D作线段E’D的延长线至点B，使AB垂直于DB交于B点构造直角三角形ABE和直角三角形ABD。示意图如图4和图5所示，o为星下点。推导公式如下：

H＝H₀+R

4.计算不同侧摆角对应的地面实际拍摄梯形区域内像素点个数及地面像元分辨率。

规定面阵相机像面上单位像元尺寸为a，由面阵相机的物像对应关系可知，面阵相机星下点成像的地面像元分辨率一致，但面阵相机物距随侧摆姿态角变大而实时变大，面阵相机所拍摄的地面范围拓宽近似呈梯形,地面像元分辨率随之变低。根据视场角一致原理，可计算出面阵相机侧摆成像所拍摄区域的宽度，不同的视场角η_i所对应的面阵相机地面覆盖宽度d_i及其对应的像素点个数与不同侧摆角时像面各列像素点对应的地面像元分辨率参照3中算法可得地面拍摄区域的物点所对应物距示意图如图6所示，o为星下点。推导公式如下：

5.对像面宽度方向像素点插值还原面阵相机实际拍摄区域。

图像宽度大小为n个像素，对图像的每列像素做相应的插值处理为0：n，即将像面各列像素的宽度拓宽成面阵相机实际侧摆成像所得梯形区域各列的宽度为个像素。依次迭代处理即可还原面阵相机大姿态角侧摆成像时所覆盖的实际地面区域，矫正几何畸变。

具体实施方式二、本实施方式为具体实施方式一所述的面阵相机大姿态角成像镜像几何畸变的物像映射还原方法的具体实施例：

1.读取姿态角为时，面阵相机像面图像长宽方向的像素点个数I(4000,3000)。

2.计算面阵相机像面不同列像素点对应的半视场角大小。

假设面阵相机像面上第1列像素边缘点C’(-0.028,-0.0105)，相机焦距f＝7m，像元尺寸7um。示意图如图3所示。

将已知条件代入以下公式：

可以计算出η₁＝0.086°，对η_i迭代计算即可得到面阵相机像面每列像素对应的半视场角值。

3.计算面阵相机星下点成像像面不同列像素点对应的物距大小及地面像元分辨率。

假设卫星飞行高度H₀＝500km，地球赤道半径R＝6378.137km，E’(-0.028，0)为第1列像素的中心点。示意图如图4和图5所示，o为星下点。

H＝H₀+R＝6878.137km

4.计算不同侧摆角对应的地面实际拍摄梯形区域内像素点个数及地面像元分辨率。

根据视场角一致原理，可计算出面阵相机侧摆成像所拍摄区域的宽度，第1列像素的视场角2·η₁所对应的面阵相机地面覆盖宽度d₁及其对应的像素点个数N₁，与对应的地面像元分辨率GSD₁，地面拍摄区域的物点所对应物距示意图如图6所示，o为星下点。推导公式如下：

可以计算出d₁＝1758.71m，N₁＝3517，对N_i迭代计算即可得到面阵相机像面不同列像素点对应的像素点个数。

5.对像面宽度方向像素点插值还原面阵相机实际拍摄区域

面阵相机像面图像宽度大小为3000个像素点，对图像的第1列像素插值处理0：3000/3517：3000，按照此方式对图像每列像素点依次进行迭代插值处理即可将像面图像还原成面阵相机大姿态角拍摄时所覆盖的实际地面区域，矫正几何畸变。

本实施方式从面阵相机侧摆成像工作的原理出发，综合考虑面阵相机的工作原理、大姿态角成像时的投影映射关系及视场角不变原理，提出了面阵相机物像映射还原方法，并给出了最佳物像尺寸还原公式。本方法既还原了面阵相机大姿态角成像的物像对应关系，其逆过程又可实现对面阵相机大姿态角成像几何畸变的矫正。

Claims (1)

1.面阵相机大姿态角成像镜像几何畸变的物像映射还原方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：

步骤一、读取面阵相机的横滚姿态角为时，设定面阵相机成像像面图像长宽方向的像素点的个数为I(m，n)，即长度方向有m列像素，宽度方向有n行像素；

步骤二、计算所述面阵相机像面的不同列像素点对应的半视场角；

设定像面上的x方向为卫星飞行方向，y方向为垂直卫星飞行方向，o′为像面中心点，第i列像素边缘为c′(x_i,y_i)，面阵相机焦距为f；

将像面上每列像素从左至右依次编号，获得所述第i列像素边缘位置对应的半视场角η_i，E′为第i列像素中心点，i的范围为0<i<m+1，所述半视场角η_i用公式表示为：

式中：a为像面上单位像元尺寸；

步骤三、计算面阵相机像面的不同列像素点对应的物距及地面像元分辨率；

根据几何关系，求出第i列像素中心点E′与像面中心点o′相对于面阵相机镜头光心夹角β_i，卫星飞行高度H₀，地球赤道半径R，A为地心，E′对应的地面拍摄区域的物点为E，物点E对应的物距为面阵相机星下点成像像面不同列像素点对应的地面像元分辨率为GSD_βi；

过面阵相机镜头光心点D作线段E’D的延长线至点B，使线段AB垂直于DB交于B点构造直角三角形ABE和直角三角形ABD；o为星下点，所述面阵相机镜头光心夹角β_i、以及GSD_βi的公式为：

H＝H₀+R

步骤四、计算不同侧摆角对应的地面实际拍摄梯形区域内像素点个数及地面像元分辨率；

计算面阵相机侧摆成像所拍摄区域的宽度，半视场角η_i所对应的面阵相机地面覆盖宽度d_i及其对应的像素点个数不同侧摆角时像面各列像素点对应的地面像元分辨率以及地面拍摄区域的物点所对应的物距用公式表示为：

步骤五、对像面宽度方向像素点插值还原面阵相机实际拍摄区域；

对图像的每列像依次迭代插值，即0：n，实现将像面图像还原成面阵相机大姿态角拍摄时所覆盖的实际地面区域。