CN111707451A - 干涉型成像光谱仪内方位元素及畸变标定装置及方法 - Google Patents

干涉型成像光谱仪内方位元素及畸变标定装置及方法 Download PDF

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Abstract

为解决传统平行光管加二维转台的相机内方位元素及畸变标定装置所存在的标定精度低的问题，本发明提出了一种干涉型成像光谱仪内方位元素及畸变标定装置及方法。装置包括积分球光源、平行光管、二维转台、高精度立方镜、高精度测角装置和自准直经纬仪；高精度立方镜设置在被测干涉型成像光谱仪上，且其一个镜面与被测干涉型成像光谱仪的光轴垂直；高精度测角装置设置在二维转台的后方，与高精度立方镜形成自准直光路，用于实现被测干涉型成像光谱仪视场角的测定；自准直经纬仪设置在平行光管和二维转台之间，自准直经纬仪能观察到平行光管焦面处的十字丝靶标，并且经旋转后同时可观察到高精度立方镜反射回来的自准直像。

Description

干涉型成像光谱仪内方位元素及畸变标定装置及方法
技术领域
本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种干涉型成像光谱仪内方位元素及畸变的标定装置，适用于对小视场相机内参进行高精度的测量，特别适用于干涉型成像光谱仪内方位元素及畸变的测量。
背景技术
随着航天技术的发展，对空间相机所获取图像信息的几何精度要求越来越高，内方位元素和畸变标定已经成为一项重要工作，近年来得到了广泛研究。国内外一些高校及研究所对内方位元素及畸变标定问题开展了较多的研究，重点集中在标定用靶标位置提取算法、内方位元素计算方法、畸变模型、畸变修正方法等方面。目前，对于有限远物距的相机，常用张正友提出的算法进行内方位元素和畸变标定，其通过对不同物距的棋盘格靶板成像以完成标定工作，应用广泛，且近年来发展了一些改进算法；对于无穷远物距的相机，主要采用平行光管和二维转台组成的设备进行内方位元素和畸变标定，平行光管用于模拟无穷远目标，二维转台使相机旋转至不同视场角，此外，通过相机对地面靶标或恒星成像，发展了相机内方位元素和畸变的在轨标定技术。
干涉型成像光谱仪可同时获取目标二维图像信息和光谱信息，正朝着高空间分辨率和高光谱分辨率的方向快速发展，其成像目标位于无穷远处，因此，干涉型成像光谱仪内方位元素和畸变标定需采用平行光管和二维转台等设备。内方位元素和畸变标定时，平行光管焦面处常用的靶标包括星点板、圆孔和十字丝等，相应的靶标位置提取算法主要包括插值细分法、质心法、边缘提取法以及相应的改进算法。现有靶标及位置提取算法应用于干涉型成像光谱仪内方位元素和畸变标定时，由于其所成图像灰度受干涉条纹的调制，对相应算法的靶标位置提取精度带来较大影响。此外，由于高空间分辨率和高光谱分辨率的干涉型成像光谱仪设备构成复杂、重量大，且其视场角较小，视场角的测量误差对内方位元素和畸变的标定精度影响很大。畸变将改变干涉型成像光谱仪的条纹分布，进而带来光谱复原误差，因此干涉型成像光谱仪畸变在设计阶段通常被校正到万分之一量级，前述因素对靶标提取精度和视场角测量精度的影响，将严重影响干涉型成像光谱仪内方位元素和畸变的标定精度。
发明内容
为解决传统平行光管加二维转台的相机内方位元素及畸变标定装置所存在的标定精度低的问题，本发明提出了一种干涉型成像光谱仪内方位元素及畸变标定装置及方法。
本发明的技术解决方案如下：
干涉型成像光谱仪内方位元素及畸变标定装置，包括积分球光源、平行光管和二维转台；
积分球光源位于平行光管焦面后方，用于均匀照明平行光管焦面处的十字丝靶标；
平行光管用于模拟无穷远目标；
二维转台位于平行光管出光口正前方，二维转台用于设置被测干涉型成像光谱仪；
其特殊之处在于：
还包括高精度立方镜、高精度测角装置和自准直经纬仪；
高精度立方镜设置在被测干涉型成像光谱仪上，且高精度立方镜的一个镜面与被测干涉型成像光谱仪的光轴垂直；
高精度测角装置设置在二维转台的后方，与高精度立方镜形成自准直光路，用于实现被测干涉型成像光谱仪视场角的测定；
自准直经纬仪设置在平行光管和二维转台之间，自准直经纬仪能观察到平行光管焦面处的十字丝靶标，并且经旋转后同时可观察到高精度立方镜反射回来的自准直像。
进一步地，高精度测角装置的出光口径能覆盖高精度立方镜。
进一步地，自准直经纬仪的有效口径应位于平行光管出光口内。
进一步地，二维转台的转轴中心位于平行光管的光轴正下方，二维转台的俯仰轴与平行光管的光轴垂直。
进一步地，二维转台的台面高度低于平行光管出光口最下方的高度。
进一步地，高精度测角装置为自准直经纬仪或自准直仪。
本发明还提供了一种利用上述的干涉型成像光谱仪内方位元素及畸变标定装置实现干涉型成像光谱仪内方位元素及畸变标定的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1：将高精度立方镜安装在被测干涉型成像光谱仪上，通过标定使高精度立方镜的一个镜面与被测干涉型成像光谱仪光轴垂直；
步骤2：将被测干涉型成像光谱仪安装在二维转台上，并调整使被测干涉型成像光谱仪光瞳中心与平行光管出光口中心重合；
步骤3：利用自准直经纬仪实现平行光管、被测干涉型成像光谱仪和高精度立方镜之间的穿轴；
步骤4：打开积分球光源和被测干涉型成像光谱仪的探测器，旋转平行光管焦面处的十字丝靶标，使被测干涉型成像光谱仪采集到的十字丝靶标图像的两条边与被测干涉型成像光谱仪的条纹方向具有夹角；
步骤5：通过控制二维转台旋转至被测干涉型成像光谱仪的不同视场位置处，利用高精度测角装置实时标定被测干涉型成像光谱仪转动至不同视场位置处的真实视场角，同时利用被测干涉型成像光谱仪获取不同视场位置处对应的十字丝靶标图像，根据获取的十字丝靶标图像提取各真实视场角对应的十字丝靶标位置；
步骤6：根据步骤5得到的真实视场角和相应的十字丝靶标位置，计算被测干涉型成像光谱仪的内方位元素和畸变。
进一步地，步骤1中所述的标定方法具体包括以下步骤：
1.1)将自准直经纬仪放置在被测干涉型成像光谱仪有效口径内，调整自准直经纬仪的方位角和俯仰角，使其出射十字丝中心经被测干涉型成像光谱仪成像后位于被测干涉型成像光谱仪的探测器中心处；
1.2)保持自准直经纬仪不动，将平面反射镜加入光路中，调整平面反射镜的方位和俯仰姿态，直至与自准直经纬仪自准；
1.3)将自准直经纬仪移至能观察到高精度立方镜的位置，使其与平面反射镜自准后，将平面反射镜移出光路，调整安装在被测干涉型成像光谱仪上的高精度立方镜，直至高精度立方镜与自准直经纬仪自准。
进一步地，步骤5中根据获取的十字丝靶标图像提取各真实视场角对应的十字丝靶标位置的方法具体为：通过Hough变换或边缘检测算法，获取十字丝靶标图像中两条交叉线的拟合直线方程，其中间线的交点即为十字丝靶标的位置。
本发明的优点在于：
1.本发明通过引入倾斜十字丝靶标，克服了干涉条纹对靶标位置提取的影响，因此能够实现光谱仪图像中干涉条纹区域处靶标位置的高精度提取。
2.本发明引入高精度立方镜和高精度测角设备，实现了干涉型成像光谱仪视场角的高精度测试，降低了对二维转台精度的要求。
3.本发明结合高精度提取的靶标位置及被测干涉型成像光谱仪视场角，实现了干涉型成像光谱仪内方位元素和畸变的标定。
附图说明
图1是本发明干涉型成像光谱仪内方位元素及畸变标定装置的原理示意图。
图2是本发明中采用的靶标示意图，(a)为亮十字丝示意图，(b)为暗十字丝示意图。
图3是本发明中采用的靶标所成图像的示意图，(a)为倾斜的亮十字丝像示意图，(b)为倾斜的暗十字丝像示意图。
图4是干涉型成像光谱仪光轴与高精度立方镜位置关系标定原理示意图。
附图标记说明：
1-积分球光源；2-平行光管；3-被测干涉型成像光谱仪；4-二维转台；5-高精度立方镜；6-高精度测角装置；7-自准直经纬仪；8-亮十字丝靶标；9-暗十字丝靶标；10-亮十字丝靶标图像；11-暗十字丝靶标图像；12-平面反射镜。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明所提供的干涉型成像光谱仪内方位元素及畸变标定装置，包括积分球光源1、平行光管2、二维转台4、高精度立方镜5、高精度测角装置6和自准直经纬仪7。
积分球光源1位于平行光管2焦面后方，用于均匀照明平行光管2焦面处的十字丝靶标，积分球光源1出光口口径大于平行光管2焦面尺寸。
平行光管2用于模拟无穷远目标；
二维转台4位于平行光管2出光口正前方，二维转台4的台面高度低于平行光管2出光口最下方的高度；二维转台4的转轴中心位于平行光管2的光轴正下方，二维转台4的俯仰轴与平行光管2的光轴垂直。十字丝靶标固定安装于平行光管2的焦面位置处，如图2所示，十字丝靶标为图2中(a)所示的亮十字丝靶标8，或如图2中(b)所示的暗十字丝靶标9。被测干涉型成像光谱仪3固定安装于二维转台4上。
高精度立方镜5安装在被测干涉型成像光谱仪3上，且高精度立方镜5的一个镜面与被测干涉型成像光谱仪3的光轴垂直。高精度立方镜5是指精度相对两个面的平行度均小于2″的立方镜。
高精度测角装置6设置在被测干涉型成像光谱仪3的后方，高精度测角装置6的出光口径能覆盖高精度立方镜5；高精度测角装置6可与高精度立方镜5形成自准直光路，用于实现被测干涉型成像光谱仪3视场角的精确测定。高精度测角装置6是指精度可达亚秒级别的测角装置。
自准直经纬仪7设置在平行光管2和被测干涉型成像光谱仪3之间，自准直经纬仪7的有效口径应位于平行光管2出光口内，能观察到平行光管2焦面处的十字丝靶标，并且经旋转后同时可观察到高精度立方镜5反射回来的自准直像。
本发明干涉型成像光谱仪内方位元素及畸变标定方法的具体实现过程如下：
第一步，完成高精度立方镜5与被测干涉型成像光谱仪3光轴位置关系的标定，使高精度立方镜5的一个镜面与被测干涉型成像光谱仪3光轴垂直，即可将被测干涉型成像光谱仪3的光轴引到高精度立方镜5上；
高精度立方镜5与被测干涉型成像光谱仪3光轴位置关系的标定原理如图4所示，标定时，先将自准直经纬仪7置于图4中的虚线位置，使其位于被测干涉型成像光谱仪3的有效口径内，此时不加平面反射镜12，调整自准直经纬仪7的方位角和俯仰角，使其出射十字丝中心经被测干涉型成像光谱仪3成像后位于干涉型成像光谱仪3的探测器中心处。然后，保持自准直经纬仪7不动，将平面反射镜12加入图4所示光路中，调整平面反射镜12的方位和俯仰姿态，直至平面反射镜12与自准直经纬仪7自准。最后将自准直经纬仪7移至图4中实线位置，使自准直经纬仪7与平面反射镜12自准后，将平面反射镜12移出光路，调整安装在被测干涉型成像光谱仪3上的高精度立方镜5，直至高精度立方镜5与自准直经纬仪7自准，此时即完成了被测干涉型成像光谱仪3光轴与高精度立方镜5位置关系的标定。
第二步，将被测干涉型成像光谱仪3固定安装于二维转台4的台面上，并在二维转台4的正前方架设平行光管2，使被测干涉型成像光谱仪3光瞳中心与平行光管2出光口中心重合；
第三步，将高精度测角装置6和自准直经纬仪7分别固定在被测干涉型成像光谱仪3的前后两侧，保证二者均能与高精度立方镜5自准；
第四步，将十字丝靶标(亮十字丝靶标8或暗十字丝靶标9)固定安装于平行光管2的焦面位置处，打开积分球光源1；
第五步，自准直经纬仪7首先瞄准平行光管2的十字丝中心，然后自准直仪7的方位角旋转180°，在方位和俯仰方向旋转二维转台4，直至自准直经纬仪7与高精度立方镜5自准，此时平行光管2光轴、被测干涉型成像光谱仪3光轴和高精度立方镜5朝向平行光管2方向反射面的法线相互平行；
第六步，打开被测干涉型成像光谱仪3的探测器，采集图像，旋转平行光管2焦面处的十字丝靶标(亮十字丝靶标8或暗十字丝靶标9)，使被测干涉型成像光谱仪3的探测器采集到类似图3中的倾斜的十字丝靶标图像(亮十字丝靶标图像10或暗十字丝靶标图像11)，即使得十字丝靶标图像的两条边与干涉型成像光谱仪条纹方向具有夹角，从而使得十字丝靶标图像不会被干涉条纹调制，有效避免了干涉条纹对靶标位置提取精度的影响。通过控制二维转台4旋转至被测干涉型成像光谱仪3的不同视场位置处，获取十字丝靶标图像并提取十字丝靶标位置，将十字丝靶标位置和高精度测角装置6的读数，带入内方位元素和畸变计算公式，实现其标定。
本发明原理为：
按图4所示将被测干涉型成像光谱仪3光轴调整至与高精度立方镜5的一个反射面法线平行，然后将其固定安装于二维转台4台面上。自准直经纬仪7用于实现平行光管2、被测干涉型成像光谱仪3和高精度立方镜5之间的穿轴。前述工作完成后，控制二维转台4，使其依次旋转至事先规划的被测干涉型成像光谱仪3的不同视场角位置处，通常为等间隔角度，被测干涉型成像光谱仪3采集平行光管2焦面处的十字丝靶标图像(亮十字丝靶标图像10或暗十字丝靶标图像11)。通过Hough变换或边缘检测算法，获取十字丝靶标图像中两条交叉线的拟合直线方程，其中间线的交点即为十字丝靶标的位置。由于十字丝靶标图像是倾斜的，不会被干涉条纹调制，因此通过Hough变换或边缘检测算法能够精确提取十字丝靶标的位置。
对于被测干涉型成像光谱仪3的视场角，经过前述标定后，其光轴与高精度立方镜5的一个镜面的法线平行，因此，通过测量高精度立方镜5转动的角度，即可得到被测干涉型成像光谱仪3的视场角。高精度立方镜5转动的角度通过在其后方架设的高精度测角装置6即可实时检测。常用的高精度测角装置为自准直经纬仪、自准直仪等，其精度可达亚秒级别，能够满足被测干涉型成像光谱仪3内方位元素和畸变标定的要求。

Claims (9)

1.干涉型成像光谱仪内方位元素及畸变标定装置，包括积分球光源(1)、平行光管(2)和二维转台(4)；
积分球光源(1)位于平行光管(2)焦面后方，用于均匀照明平行光管(2)焦面处的十字丝靶标；
平行光管(2)用于模拟无穷远目标；
二维转台(4)位于平行光管(2)出光口正前方，二维转台(4)用于设置被测干涉型成像光谱仪(3)；
其特征在于：
还包括高精度立方镜(5)、高精度测角装置(6)和自准直经纬仪(7)；
高精度立方镜(5)设置在被测干涉型成像光谱仪(3)上，且高精度立方镜(5)的一个镜面与被测干涉型成像光谱仪(3)的光轴垂直；
高精度测角装置(6)设置在二维转台(4)的后方，与高精度立方镜(5)形成自准直光路，用于实现被测干涉型成像光谱仪(3)视场角的测定；
自准直经纬仪(7)设置在平行光管(2)和二维转台(4)之间，自准直经纬仪(7)能观察到平行光管(2)焦面处的十字丝靶标，并且经旋转后同时可观察到高精度立方镜(5)反射回来的自准直像。
2.根据权利要求1所述的干涉型成像光谱仪内方位元素及畸变标定装置，其特征在于：高精度测角装置(6)的出光口径能覆盖高精度立方镜(5)。
3.根据权利要求2所述的干涉型成像光谱仪内方位元素及畸变标定装置，其特征在于：自准直经纬仪(7)的有效口径应位于平行光管(2)出光口内。
4.根据权利要求1-3任一所述的干涉型成像光谱仪内方位元素及畸变标定装置，其特征在于：二维转台(4)的转轴中心位于平行光管(2)的光轴正下方，二维转台(4)的俯仰轴与平行光管(2)的光轴垂直。
5.根据权利要求4所述的干涉型成像光谱仪内方位元素及畸变标定装置，其特征在于：二维转台(4)的台面高度低于平行光管(2)出光口最下方的高度。
6.根据权利要求5所述的干涉型成像光谱仪内方位元素及畸变标定装置，其特征在于：高精度测角装置(6)为自准直经纬仪或自准直仪。
7.利用权利要求1-6任一所述的干涉型成像光谱仪内方位元素及畸变标定装置实现干涉型成像光谱仪内方位元素及畸变标定的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将高精度立方镜(5)安装在被测干涉型成像光谱仪(3)上，通过标定使高精度立方镜(5)的一个镜面与被测干涉型成像光谱仪(3)光轴垂直；
步骤2：将被测干涉型成像光谱仪(3)安装在二维转台(4)上，并调整使被测干涉型成像光谱仪(3)光瞳中心与平行光管(2)出光口中心重合；
步骤3：利用自准直经纬仪(7)实现平行光管(2)、被测干涉型成像光谱仪(3)和高精度立方镜(5)之间的穿轴；
步骤4：打开积分球光源(1)和被测干涉型成像光谱仪(3)的探测器，旋转平行光管(2)焦面处的十字丝靶标，使被测干涉型成像光谱仪(3)采集到的十字丝靶标图像的两条边与被测干涉型成像光谱仪(3)的条纹方向具有夹角；
步骤5：通过控制二维转台(4)旋转至被测干涉型成像光谱仪(3)的不同视场位置处，利用高精度测角装置(6)实时标定被测干涉型成像光谱仪(3)转动至不同视场位置处的真实视场角，同时利用被测干涉型成像光谱仪(3)获取不同视场位置处对应的十字丝靶标图像，根据获取的十字丝靶标图像提取各真实视场角对应的十字丝靶标位置；
步骤6：根据步骤5得到的真实视场角和相应的十字丝靶标位置，计算被测干涉型成像光谱仪的内方位元素和畸变。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤1中所述的标定方法具体包括以下步骤：
1.1)将自准直经纬仪(7)放置在被测干涉型成像光谱仪(3)有效口径内，调整自准直经纬仪(7)的方位角和俯仰角，使其出射十字丝中心经被测干涉型成像光谱仪(3)成像后位于被测干涉型成像光谱仪(3)的探测器中心处；
1.2)保持自准直经纬仪(7)不动，将平面反射镜(12)加入光路中，调整平面反射镜(12)的方位和俯仰姿态，直至与自准直经纬仪(7)自准；
1.3)将自准直经纬仪(7)移至能观察到高精度立方镜(5)的位置，使其与平面反射镜(12)自准后，将平面反射镜(12)移出光路，调整安装在被测干涉型成像光谱仪(3)上的高精度立方镜(5)，直至高精度立方镜(5)与自准直经纬仪(7)自准。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤5中根据获取的十字丝靶标图像提取各真实视场角对应的十字丝靶标位置的方法具体为：通过Hough变换或边缘检测算法，获取十字丝靶标图像中两条交叉线的拟合直线方程，其中间线的交点即为十字丝靶标的位置。
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