CN108833909A - 一种双通道焦面配准装调装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双通道焦面配准装调装置及方法，特别涉及多通道焦面相机通道间的高精度配准装调，属于空间光学遥感器技术领域。本发明实现了分通道焦面相机通道间的谱带配准问题。使遥感相机多谱带探测，多通道结构形式的实现成为可能。对资源勘测类遥感相机的应用发展有重要意义。

Description

一种双通道焦面配准装调装置及方法

技术领域

本发明涉及一种双通道焦面配准装调装置及方法，特别涉及多通道焦面相机通道间的高精度配准装调，属于空间光学遥感器技术领域。

背景技术

多谱带成像是资源勘查类遥感相机的主要特征，采用多谱带探测器是实现多类景物成像的主要方式。但当目标景物种类超过单个探测器谱带数量时，就需要增加探测器种类，即通过增加焦面的成像通道来实现更多谱带的成像需求。目前国内外多谱带遥感相机多通过视场分光方法增加成像通道，分光后不同焦面通道的探测器分属不同结构组件，在不同结构组件间实现探测器亚像元级别的配准精度是非常困难的。为获得高品质的多谱带融合图像，各谱带间像元位置要求在光学空间上一一配准。也就是不同通道的探测器像元在相机像方焦平面处于垂直线阵方向上一一对应，从而保证多谱带图像的融合精度，即所谓的通道间配准。多焦面通道间谱段对准是遥感相机总装定焦过程中的关键技术。

发明内容

本发明的技术解决问题是：解决双通道焦面遥感相机焦面间的谱段配准问题，提供了一种双通道焦面配准装调装置及方法，该装置，配准效率高，精度高。

本发明的技术解决方案是：

一种双通道焦面配准装调装置，该装置包括光源、狭缝靶标、平行光管、双通道焦面相机系统、计算机、微调组件、监测组件和限位组件；

所述的光源的谱段与探测器的响应谱段匹配；

所述的狭缝靶标是与平行光管焦距f₁、相机焦距f₂、探测器像元尺寸D、相机垂直线阵方向线视场宽度C相匹配的特制靶标；

狭缝靶标宽度W＝nD f₁/f₂(n为狭缝像宽所占像元的数量，通常取15-20，以达到最佳质心提取效果)；

狭缝靶标长度L＝1.5C f₁/f₂(1.5为优选的靶标长度系数)

所述的平行光管(3)的视场角θ₁要大于相机垂直线阵方向的视场角θ₂，优选1.5θ₂<θ₁<2θ₂；

待测试的双通道焦面相机系统的焦面为分视场形式的多通道焦面，由于遥感数据有图像融合的需求，故不同通道焦面间需进行高精度配准。即沿线阵方向，不同焦面通道上探测器像元需达到亚像元级别的对准精度。即在垂直线阵方向，不同通道上探测器像元需一一对准，对准精度需达到亚像元级别。

所述的计算机用于接收探测器的响应数据，并采用质心提取算法提取靶标像的灰度质心，所述的质心提取算法的提取精度高于配准要求精度；

所述的微调组件用于单通道焦面沿线阵方向上的微位移调整，即具有沿线阵方向双向的调整功能，且其其最小调节量需达到配准精度量级；

所述的监测组件用于单通道焦面的位置监测，包括沿线阵方向和垂直线阵方向两个维度上的位置监测，其监测精度需达到配准精度量级；

所述的限位组件用于单通道焦面在垂直线阵方向上的限位，保证焦面在沿线阵方向微调的同时在垂直线阵方向上无位置移动。

光源发射的光照明狭缝靶标形成狭缝光源，狭缝光源经过平行光管成像于无穷远；待测试的双通道焦面相机系统接收无穷远处的狭缝像，狭缝像在待测试的双通道焦面相机系统的焦面通道A和焦面通道B上各自成灰度像；旋转狭缝靶标，首先使其在双通道焦面相机系统的焦面通道A通道上各谱段成像的灰度质心位置一致，即狭缝靶标与焦面通道A谱段垂直；在焦面通道B上架设微调组件、监测组件和限位组件；微调组件固定于焦面通道B垂直线阵的结构端面上，用于沿线阵方向的双向微调；限位组件固定于焦面通道B沿线阵方向的结构端面，用于限制其在垂直线阵方向的位移；监测组件固定于焦面通道B垂直线阵和沿线阵方向的结构端面，对微调组件的调整量进行精确测量，并对限位组件的限位精度进行监测；计算机接收相机系统上焦面A和焦面B通道的狭缝像响应数据，提取各自的灰度质心；计算两个焦面通道上狭缝像的质心偏差△d，以焦面A上狭缝像质心位置为基准，调整焦面B，使二者的狭缝像质心位置重合，从而达到配准目的；微调组件调整焦面通道B沿线阵方向的位置，同时监测组件监测到精确的位移量△d，限位组件对焦面通道B在垂直线阵方向起到限位作用。每次微调之后，计算机提取焦面A和焦面B上狭缝像的质心位置，计算质心偏差△d，反复微调，直至质心重合。

固定调整后的焦面通道B，复测相机系统传函和焦面视场位置，若传函或焦面视场偏离，则重新定焦，并重复以上的配准过程，直至所有参数满足要求。

一种双通道焦面配准装调方法，待测试的相机系统包括焦面通道A和调整焦面通道B；其中相机系统XZY坐标的定义方法为：X向为垂直焦面方向，Y向为沿焦面线阵方向，Z向为光轴方向；

该方法的步骤包括：

(1)在待测试的相机系统前依次架设光源、狭缝靶标、平行光管；

(2)在待测试的相机系统的待调整焦面通道B上架设微调组件、监测组件、限位组件；

(3)架设带有质心提取算法的计算机，相机系统与计算机连接；

(4)打开光源、相机系统、计算机，调整狭缝靶标沿Z轴的位置，使狭缝靶标在相机系统的焦面通道A、焦面B上成清晰的狭缝像，相机系统通过质心提取算法提取狭缝像的质心位置；

(5)绕Z轴旋转狭缝靶标，使其在相机系统的焦面通道A上各谱段狭缝像的灰度质心位置一致；

(6)计算机提取焦面通道A和焦面通道B狭缝像各自的灰度质心，计算两个焦面通道上狭缝像的质心偏差△d；

(7)以焦面A上狭缝像质心位置为基准，调整焦面B，使二者的狭缝像质心位置重合：微调组件调整焦面通道B沿线阵方向的位置，同时监测组件监测到精确的位移量△d，限位组件对焦面通道B在垂直线阵方向起到限位作用；

(8)微调之后，计算机再次提取焦面通道A和焦面通道B上狭缝像的质心位置，计算质心偏差△d，反复微调，直至△d小于配准指标，配准完成。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明实现了分通道焦面相机通道间的谱带配准问题。使遥感相机多谱带探测，多通道结构形式的实现成为可能。对资源勘测类遥感相机的应用发展有重要意义。

(2)本发明采用微调组件、限位组件、监测组件同时配合装调的方式，在调整焦面沿线阵方向移动的同时，确保焦面在垂直线阵方向得到限位和监测。这样在微调配准的同时，避免了焦面视场偏离及系统传函的下降，避免了反复定焦、反复配准的过程。

(3)本发明中平行光管为与相机系统相匹配的具有特定视场角的光学设备，其结构可以做到紧凑便携，提高装调效率。

(4)本发明采用计算机辅助质心提取算法，质心提取精度达1/10像元，配准精度高。

(5)一种双通道焦面配准装调装置，其实现设备包括光源、狭缝靶标、平行光管、微调组件、限位组件、监测组件、计算机以及双通道焦面相机系统。积分球照明狭缝靶标，经平行光管成像于无穷远，照明双通道相机，在相机双通道焦平面上分别得到竖直放大的狭缝像；通过质心提取算法得到狭缝像在焦面上的质心位置；通过微调组件调整焦面沿线阵方向的位置，通过限位组件确保焦面在垂直线阵方向的位置不变，通过监测组件实时测量监测焦面在垂直和沿线阵方向上的位置变化量；微调双通道焦面位置，使通道间的狭缝像的质心重合，最终实现通道间亚像元级的配准装调。本发明解决了多通道遥感相机通道间的配准装调问题，配准精度高，配准过程中焦面不离焦，减少定焦次数，大幅提高多通道焦面遥感相机的装调精度和效率。

附图说明

图1为本发明的配准装调装置结构示意图；

图2为实施例中四色、五色双通道焦面配准示意图；

图3为实施例中配准前的图像；

图4为实施例中配准后的图像；

图5为配准精度对通道间融合像质影响的原理图。

具体实施方式

如图1所示，一种双通道焦面配准装调装置，该装置包括光源1、狭缝靶标2、平行光管3、双通道焦面相机系统4、计算机5、微调组件6、监测组件7和限位组件8；

所述的光源1的谱段与探测器的响应谱段匹配；

所述的狭缝靶标2是与平行光管焦距f₁、相机焦距f₂、探测器像元尺寸D、相机垂直线阵方向线视场宽度C相匹配的特制靶标；

狭缝靶标宽度W＝nD f₁/f₂，n为狭缝像宽所占像元的数量，通常取15-20，以达到最佳质心提取效果；

狭缝靶标长度L＝1.5C f₁/f₂，1.5为优选的靶标长度系数；

所述的平行光管3的视场角θ₁要大于相机垂直线阵方向的视场角θ₂，优选1.5θ₂<θ₁<2θ₂；

待测试的双通道焦面相机系统4的焦面为分视场形式的多通道焦面，由于遥感数据有图像融合的需求，故不同通道焦面间需进行高精度配准。即沿线阵方向，不同焦面通道上探测器像元需达到亚像元级别的对准精度。即在垂直线阵方向，不同通道上探测器像元需一一对准，对准精度需达到亚像元级别。

所述的计算机5用于接收探测器的响应数据，并采用质心提取算法提取靶标像的灰度质心，所述的质心提取算法的提取精度高于配准要求精度；

所述的微调组件6用于单通道焦面沿线阵方向上的微位移调整，即具有沿线阵方向双向的调整功能，且其其最小调节量需达到配准精度量级；

所述的监测组件7用于单通道焦面的位置监测，包括沿线阵方向和垂直线阵方向两个维度上的位置监测，其监测精度需达到配准精度量级；

所述的限位组件8用于单通道焦面在垂直线阵方向上的限位，保证焦面在沿线阵方向微调的同时在垂直线阵方向上无位置移动。

光源1发射的光照明狭缝靶标2形成狭缝光源，狭缝光源经过平行光管3成像于无穷远；待测试的双通道焦面相机系统4接收无穷远处的狭缝像，狭缝像在待测试的双通道焦面相机系统4的焦面通道A9和焦面通道B10上各自成灰度像；旋转狭缝靶标2，首先使其在双通道焦面相机系统4的焦面通道A9通道上各谱段成像的灰度质心位置一致，即狭缝靶标2与焦面通道A9谱段垂直；在焦面通道B10上架设微调组件6、监测组件7和限位组件8；微调组件6固定于焦面通道B10垂直线阵的结构端面上，用于沿线阵方向的双向微调；限位组件8固定于焦面通道B10沿线阵方向的结构端面，用于限制其在垂直线阵方向的位移；监测组件7固定于焦面通道B10垂直线阵和沿线阵方向的结构端面，对微调组件6的调整量进行精确测量，并对限位组件8的限位精度进行监测；计算机5接收相机系统4上焦面A9和焦面B10通道的狭缝像响应数据，提取各自的灰度质心；计算两个焦面通道上狭缝像的质心偏差△d，以焦面A9上狭缝像质心位置为基准，调整焦面B10，使二者的狭缝像质心位置重合，从而达到配准目的；微调组件6调整焦面通道B10沿线阵方向的位置，同时监测组件7监测到精确的位移量△d，限位组件8对焦面通道B10在垂直线阵方向起到限位作用。每次微调之后，计算机5提取焦面A9和焦面B10上狭缝像的质心位置，计算质心偏差△d，反复微调，直至质心重合。

固定调整后的焦面通道B10，复测相机系统传函和焦面视场位置，若传函或焦面视场偏离，则重新定焦，并重复以上的配准过程，直至所有参数满足要求。

一种双通道焦面配准装调方法，该方法的步骤包括：

(1)在待测试的相机系统4前依次架设光源1、狭缝靶标2、平行光管3；

(2)在待测试的相机系统4的待调整焦面通道B10上架设微调组件6、监测组件7、限位组件8；

(3)架设带有质心提取算法的计算机5，相机系统4与计算机5连接；

(4)打开光源1、相机系统4、计算机5，调整狭缝靶标2沿Z轴的位置，使狭缝靶标2在相机系统4的焦面通道A9、焦面B10上成清晰的狭缝像，相机系统4通过质心提取算法提取狭缝像的质心位置；

(5)绕Z轴旋转狭缝靶标2，使其在相机系统4的焦面通道A9上各谱段狭缝像的灰度质心位置一致；

(6)计算机5提取焦面通道A9和焦面通道B10狭缝像各自的灰度质心，计算两个焦面通道上狭缝像的质心偏差△d；

(7)以焦面A9上狭缝像质心位置为基准，调整焦面B10，使二者的狭缝像质心位置重合：微调组件6调整焦面通道B10沿线阵方向的位置，同时监测组件7监测到精确的位移量△d，限位组件8对焦面通道B10在垂直线阵方向起到限位作用；

(8)微调之后，计算机5再次提取焦面通道A9和焦面通道B10上狭缝像的质心位置，计算质心偏差△d，反复微调，直至△d小于配准指标，配准完成。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰明白，以下结合具体实施方式，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

通过本发明提供的配准装调装置，如图1所示，该装置包括光源1、狭缝靶标2、平行光管3、双通道焦面相机系统4、计算机5、微调组件6、监测组件7和限位组件8；

为一台双通道焦面相机系统4进行通道间的0.3像元级别的高精度装调配准。

如图2所示，该相机系统包含四色焦面通道A9和五色焦面通道B10，分别采用四谱段和五谱段探测器拼接成像，四色焦面通道A9包含的谱段分别为B1、B2、B3和B4，五色焦面通道B10包含的谱段分别为B5、B6、B7、B8和B9；

双通道焦面相机系统4焦距f₂(2m)，垂直线阵方向视场角θ₂(1.4°)，像元尺寸D(10μm)，垂直线阵方向线视场宽度C(40mm)；

光源1的谱段与四色、五色探测器的响应谱段相匹配；

平行光管3焦距f1(0.5m)；平行光管3视场角θ₁(2.5°)，1.5θ₂<θ₁<2θ₂；

狭缝靶标2宽度W(50μm)，W＝nD f₁/f₂，n取20；狭缝靶标2长度L(15mm)，L＝1.5Cf₁/f₂；

计算机5通过数传线缆与双通道焦面相机系统4连接，提供通用的灰度质心提取算法，质心提取精度优于1/10像元；

微调组件6采用通用的高精度光学微调架，通过转接结构与五色焦面通道B10连接固定，最小微调量为5μm；

限位组件8采用结构件与五色焦面通道B10进行硬接触限位；

监测组件7可采用架设双频干涉仪或千分尺的方式解决，监测精度为μm量级；

首先将四色焦面通道A10和五色焦面通道B10分别与相机镜头对接，调整焦面视场位置和相机传函，完成初步定焦，使双通道焦面相机系统4具备配准条件；搭建配准装调装置，在双通道焦面相机系统4镜头前架设光源1、狭缝靶标2、平行光管3；将计算机5与双通道焦面相机系统4连接，用于接收探测器响应数据；在五色焦面通道(B)垂直线阵的结构端面上架设微调组件6；在五色焦面通道(B)沿线阵方向的结构端面上架设限位组件8；在五色焦面通道(B)垂直线阵和沿线阵方向的结构端面上分别架设监测组件7；打开光源1，启动双通道焦面相机系统4和计算机5，计算机5提取四色焦面通道A9和五色焦面通道B10各谱段的狭缝像；调整狭缝靶标沿垂直线阵方向的位置，使九个谱段上均有灰度响应；旋转狭缝靶标2，使四色焦面通道A9上各谱段狭缝像的灰度质心一致；计算机5利用质心提取算法计算两个焦面通道上狭缝像的质心偏差△d，以四色焦面通道A9上狭缝像质心位置为基准，调整五色焦面通道B10，使二者的狭缝像质心位置重合；调整过程中通过微调组件6调整五色焦面通道B10沿线阵方向的位置，通过监测组件7对调整量进行精准监测，通过限位组件8保证五色焦面通道B10在垂直线阵方向上的位置固定。

调整完毕后，复测相机系统传函及焦面视场位置，根据测试结果决定是否再次配准装调，直至所有指标满足定焦要求为止。此时，双通道焦面配准定焦完成，可以紧固各焦面通道并配打定位销。

图3为实施例中遥感相机在配准前的外景成像通道融合图。图4为采用本发明配准装调装置配准后的外景成像通道融合图。配准前通道间对准精度为3.5像元，通过配准装调装置配准后通道间配准精度为0.2像元。通过图3、4对比明显看出，配准前图像细节不清晰，对比度低，有颜色失真，配准后的像质有明显改观。

图5为配准精度对融合像质影响的原理示意。假设某相机有两个成像通道，分别为通道1、2，两通道配准精度为亚像元级，则两个通道对地面同一景物的成像效果为图中“通道1”、“通道2”所示(以8个像元为例)。当两通道间对准偏差为1像元时，通道2成像效果为“通道2(偏1像元)”，当对准偏差为2像元时，通道2成像效果为“通道2(偏2像元)”。通道间对准偏差越大，融合图像丢失的细节信息越多，当通道间对准偏差恰好与景物特征成像像元数一致时，融合后的图像将彻底丢失景物特征信息，如“通道1+通道2(偏2像元)”所示。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种双通道焦面配准装调装置，其特征在于：该装置包括光源(1)、狭缝靶标(2)、平行光管(3)、计算机(5)、微调组件(6)、监测组件(7)和限位组件(8)；

光源(1)发射的光照明狭缝靶标(2)形成狭缝光源，狭缝光源经过平行光管(3)成像于无穷远；待测试的相机系统(4)接收无穷远处的狭缝像，狭缝像在待测试的相机系统(4)的两个焦面通道上各自成灰度像；计算机(5)用于接收探测器的响应数据，并采用提取靶标像的灰度质心；

所述的微调组件(6)用于单通道焦面沿线阵方向上的微位移调整；

所述的监测组件(7)用于单通道焦面的位置监测；

所述的限位组件(8)用于单通道焦面在垂直线阵方向上的限位。

2.根据权利要求1所述的一种双通道焦面配准装调装置，其特征在于：所述的光源(1)的谱段与探测器的响应谱段匹配。

3.根据权利要求1所述的一种双通道焦面配准装调装置，其特征在于：所述的狭缝靶标(2)的宽度W＝nD f₁/f₂，n为狭缝像宽所占像元的数量，f₁为平行光管焦距，f₂为相机焦距，D为探测器像元尺寸。

4.根据权利要求1所述的一种双通道焦面配准装调装置，其特征在于：所述的狭缝靶标(2)的长度L＝1.5C f₁/f₂，C为相机垂直线阵方向线视场宽度，f₁为平行光管焦距，f₂为相机焦距。

5.根据权利要求1所述的一种双通道焦面配准装调装置，其特征在于：所述的平行光管(3)的视场角θ₁与相机垂直线阵方向的视场角θ₂的关系为1.5θ₂<θ₁<2θ₂。

6.根据权利要求1所述的一种双通道焦面配准装调装置，其特征在于：所述的计算机(5)采用质心提取算法提取靶标像的灰度质心。

7.一种双通道焦面配准装调方法，其特征在于该方法的步骤包括：

(1)在待测试的相机系统(4)前依次架设光源(1)、狭缝靶标(2)、平行光管(3)；待测试的相机系统(4)包括焦面通道A(9)和调整焦面通道B(10)；

(2)在待测试的相机系统(4)的待调整焦面通道B(10)上架设微调组件(6)、监测组件(7)、限位组件(8)：微调组件(6)固定于焦面通道B(10)垂直线阵的结构端面上，限位组件(8)固定于焦面通道B(10)沿线阵方向的结构端面，监测组件(7)固定于焦面通道B(10)垂直线阵和沿线阵方向的结构端面；

(3)架设计算机(5)，相机系统(4)与计算机(5)通过数据采集接口连接；

(4)打开光源(1)、相机系统(4)、计算机(5)，调整狭缝靶标(2)沿Z轴的位置，使狭缝靶标(2)在相机系统(4)的焦面通道A(9)、焦面B(10)上成狭缝像，相机系统(4)提取狭缝像的质心位置；

(5)绕Z轴旋转狭缝靶标(2)，使其在相机系统(4)的焦面通道A(9)上各谱段狭缝像的灰度质心位置一致；

(6)计算机(5)提取焦面通道A(9)和焦面通道B(10)狭缝像各自的灰度质心，计算两个焦面通道上狭缝像的质心偏差△d；若△d小于等于配准指标，则配准完毕；若△d大于配准指标，则进入步骤(7)；

(7)以焦面A(9)上狭缝像质心位置为基准，调整焦面通道B(10)，使二者的狭缝像质心位置重合，进入步骤(8)；

(8)计算机(5)再次提取焦面通道A(9)和焦面通道B(10)上狭缝像的质心位置，再次计算质心偏差△d，若△d小于等于配准指标，则配准完毕；若△d大于配准指标，则进入步骤(7)。

8.根据权利要求7所述的一种双通道焦面配准装调方法，其特征在于：所述的步骤(7)中，调整焦面通道B(10)的方法为：使用微调组件(6)调整焦面通道B(10)沿线阵方向的位置。

9.根据权利要求8所述的一种双通道焦面配准装调方法，其特征在于：使用微调组件(6)调整焦面通道B(10)沿线阵方向的位置时使用监测组件(7)监测到精确的位移量。

10.根据权利要求7所述的一种双通道焦面配准装调方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，计算机带有质心提取算法。