CN112802115B - 一种多焦面拼接大视场离轴相机的几何标定方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种多焦面拼接大视场离轴相机的几何标定方法及装置，涉及光学精密测量技术领域，解决了对空间遥感长焦距、大视场、多焦面拼接的离轴相机高精度地面几何标定问题。首先使用平行光管、狭缝靶标、经纬仪对焦面各片探测器拼接区域进行测试，计算得到探测器间的相对位置关系，然后通过高精度单轴转台，将狭缝靶标不等间隔的在相机上下行各片探测器进行成像，并对采集图像进行处理，提取质心坐标并通过相对位置关系转换至同一坐标系下，通过解算公式计算得到相机的主点、主距和畸变标定结果。本发明通过选择合适的平行光管、狭缝靶标、单轴转台，对任意焦面拼接形式的相机完成高精度的几何标定。

Description

一种多焦面拼接大视场离轴相机的几何标定方法及装置

技术领域

本发明涉及光学精密测量技术领域，具体涉及一种多焦面拼接的大视场离轴遥感相机地面几何标定方法。

背景技术

随着遥感成像技术的发展，对在轨成像的几何精度也越来越高，相机的实验室几何标定已经成为一项重要工作，高精度的地面标定能够有效地减少相机在轨测试周期，提高几何定位精度，增强卫星应用效能。近年来国内外一些高校和研究结构对遥感相机的地面几何标定方法开展了深入的研究，包括精密测角法、自标定法及其所应用的靶标图像提取算法，畸变模型和畸变修正方法等。

对于多焦面拼接的大视场离轴遥感相机来说，一方面由于相机的光轴中心不在焦面上，对应位置无探测器焦面，另一方面由于相机焦面宽度极大，包含数组焦面、共计数十片探测器，且探测器间不连续、交错排列，这使得采用常规方法进行标定时，无法通过常规的精密测角法和自标定法进行标定，同时，探测器间的相对位置关系也需要进行标定，这就需要在现有的测试装置和方法的基础上进一步探索研究新系统以及新方法来实现对其进行地面几何标定。

发明内容

本发明为解决多焦面拼接大视场离轴相机地面几何高精度标定问题，提供一种多焦面拼接大视场离轴相机的几何标定方法及装置。

一种多焦面拼接大视场离轴相机的几何标定方法，该方法包括对多焦面的拼接区域进行标定和相机内方位元素测试；

对待测离轴相机的多焦面的拼接区域进行标定，具体由以下步骤实现：

步骤一、根据待测离轴相机的光学参数，选取平行光管及狭缝靶标；

步骤二、将步骤一所述平行光管的光轴调至与地面水平，采用自准直的方法通过干涉仪和平面反射镜对平行光管焦面进行标定；

步骤三、将所述狭缝靶标放置于步骤二所确定的平行光管的焦面位置，并采用经纬仪进行对准，使狭缝靶标与地面保持铅垂，将积分球作为光源放置于狭缝靶标前；

步骤四、将待测离轴相机放置于步骤三所述的平行光管前，同时采用经纬仪瞄准待测离轴相机上的焦面指示棱镜，调整待测离轴相机俯仰角度，使焦面线阵方向与地面保持水平；

步骤五、将经纬仪放置于步骤四所述的待测相机前，使经纬仪十字叉丝成像于待测离轴相机焦面的其中一片探测器的拼接区域，采集图像，并记录经纬仪角度；

步骤六、调节步骤五中所述经纬仪的俯仰角度，使经纬仪十字叉丝成像于待测离轴相机焦面对应的交错拼接探测器的拼接区域，并再次采集图像，记录经纬仪角度；

步骤七、重复步骤五和步骤六，获得所述待测离轴相机焦面全部探测器拼接区域对应经纬仪十字叉丝的图像及其对应的经纬仪角度，计算获得探测器间相对位置关系；

步骤八、对步骤七中获取图像进行质心提取，结合对应的经纬仪角度，计算获得多焦面交错拼接的平行度和线阵方向水平误差；

对待测离轴相机的内方位元素进行测试；

步骤九、将步骤四中待测离轴相机放置于高精度单轴转台上，再次通过经纬仪瞄准待测离轴相机上的焦面指示棱镜，调整待测离轴相机的俯仰角度，使焦面线阵方向与地面保持水平；

步骤十、调整步骤九中所述的的高精度单轴转台，使狭缝靶标成像于待测离轴相机几何中心的探测器位置，将所述高精度单轴转台角度归零；

步骤十一、调整所述高精度单轴转台，使所述狭缝靶标成像于待测离轴相机下行最左侧焦面位置，不等间隔角度的由左至右转动高精度单轴转台并采集图像；

步骤十二、根据步骤五、步骤六中经纬仪测量角度差调节相机俯仰角度，使十字叉丝待测离轴相机上行最左侧焦面位置，不等间隔角度的由左至右转动高精度单轴转台并采集图像；

步骤十三、对步骤十一、步骤十二中采集到的图像进行二值化处理，以图像灰度为权重，计算狭缝靶标像的质心坐标，并通过步骤七中获得的探测器相对位置关系，将坐标转换到同一坐标系下；

步骤十四、采用下式对步骤十三中计算的质心坐标进行处理，获得多焦面拼接的大视场离轴相机的几何标定结果；

待测离轴相机主点x_p、主距f_o和测量点的畸变Δx_i计算公式如下：

式中，W_i为高精度单轴转台的角度，x_i为狭缝靶标的质心坐标。

一种多焦面拼接大视场离轴相机的几何标定装置，该装置包括积分球、狭缝靶标、平行光管、组合经纬仪、待测离轴相机和高精度单轴转台；

所述待测离轴相机通过高精度单轴转台的角度调节工装调节角度，所述积分球、所述狭缝靶标置于平行光管的焦面位置，并采用经纬仪进行对准，积分球作为光源置于狭缝靶标前；

利用所述平行光管、狭缝靶标、经纬仪对待测离轴相机焦面各片探测器拼接区域进行测试，计算获得探测器间的相对位置关系；

通过所述高精度单轴转台，将狭缝靶标不等间隔的在待测离轴相机上下行各片探测器进行成像，并对采集图像进行处理，提取质心坐标并通过所述探测器间的相对位置关系转换至同一坐标系下；通过解算公式计算得到相机的主点、主距和畸变标定结果。

本发明的有益效果：

(1)本发明通过包含积分球、光学经纬仪、高精度单轴转台和平行光管等设备组成地面几何标定装置，能够覆盖相机焦面的全部探测器，测量各组探测器的片间搭接精度和行间位置关系，克服了常规测角法中难以覆盖完整焦面、且无法对不同行的探测器进行测试的缺点，实现了对多焦面拼接的大视场离轴相机的高精度几何标定；

(2)本发明所搭建的测试系统已经对公司自研的KF-01A超大幅宽高分辨卫星进行了标定，同时经过在轨验证，本发明能够满足其技术要求；

(3)本发明通过经纬仪对相机焦面和平行光管进行调平，并测量相机不同行焦面之间的位置关系，在后续测试中只需通过单轴转台即可使狭缝靶标在所有的探测器上成像，完成多焦面拼接离轴相机的高精度几何标定；

(4)本发明的标定系统可以应用于不同焦距、不同视场、同轴\离轴的空间遥感相机地面几何标定中，通过选择合适的平行光管、狭缝靶标、单轴转台，能够对任意焦面拼接形式的相机完成高精度的几何标定。

附图说明

图1为本发明所述的一种多焦面拼接大视场离轴相机的几何标定装置结构图；

图2为待测离轴相机焦面拼接示意图；

图3为待测离轴相机的上行畸变曲线图；

图4为待测离轴相机的下行畸变曲线图；

图5为本发明所述的一种多焦面拼接大视场离轴相机的几何标定方法的流程图。

具体实施方式

结合图1和图2说明本实施方式，一种多焦面拼接大视场离轴相机的几何标定装置，包括积分球1、狭缝靶标2、平行光管3、组合经纬仪4、待测离轴相机5和高精度单轴转台8；

所述待测离轴相机5通过高精度单轴转台8的角度调节工装7来调节角度，所述积分球1、所述狭缝靶标2置于平行光管3的焦面位置，并采用组合经纬仪4进行对准，积分球1作为光源置于狭缝靶标2前；

利用所述平行光管3、狭缝靶标2、组合经纬仪4对待测离轴相机5焦面各片探测器拼接区域进行测试，计算获得探测器间的相对位置关系；

通过所述高精度单轴转台8，将狭缝靶标2不等间隔的在待测离轴相机5上下行各片探测器进行成像，并对采集图像进行处理，提取质心坐标并通过所述探测器间的相对位置关系转换至同一坐标系下；通过解算公式计算得到相机的主点、主距和畸变标定结果。

本实施方式中，根据待测离轴相机5的光学参数，选取合适焦距、口径的平行光管3及狭缝靶标2：平行光管口径大于等于相机通光口径，平行光管焦距f_Collimator是相机焦距f_Camera的3倍以上，狭缝靶标2成像在相机焦面上的宽度应约为3倍的像素宽度，即狭缝宽度w与像元尺寸a的关系为：

具体实施方式二、结合3至图5说明本实施方式，本实施方式为采用具体实施方式一所述的一种多焦面拼接大视场离轴相机的几何标定装置进行标定的方法，标定方法步骤如下：

首先对多焦面的拼接区域进行标定；

(1)根据待测离轴相机的光学参数，选取合适焦距、口径的平行光管及狭缝靶标：平行光管口径大于等于相机通光口径，平行光管焦距f_Collimator是相机焦距f_Camera的3倍以上，狭缝靶标成像在相机焦面上的宽度应约为3倍的像素宽度，即狭缝宽度w与像元尺寸a的关系为：

(2)将步骤(1)中的光管光轴与地面调至水平，通过干涉仪和平面反射镜采用自准直的方法对光管焦面进行标定；

(3)将狭缝靶标放置于步骤(2)所确定的光管焦面位置，并用经纬仪进行对准，使狭缝与地面保持铅垂，将积分球放置于靶标前作为光源；

(4)将待测的多焦面拼接离轴相机放置于步骤(3)中调节完毕的平行光管前，同时用经纬仪瞄准相机上的焦面指示棱镜6，调整相机俯仰角度，使焦面线阵方向与地面保持水平；

(5)将经纬仪放置于步骤(4)的相机前，使经纬仪十字叉丝成像于相机焦面其中一片探测器的拼接区域，采集图像，并记录经纬仪角度；

(6)调节步骤(5)中经纬仪的俯仰角度，使经纬仪十字叉丝成像于相机焦面对应的交错搭接探测器的拼接区域，并再次采集图像，记录经纬仪角度；

(7)重复步骤(5)，步骤(6)，得到离轴相机焦面全部探测器拼接区域对经纬仪十字叉丝的图像及其对应的经纬仪角度，计算得到探测器间相对位置关系；

(8)对步骤(7)中获取图像进行质心提取，结合对应的经纬仪角度，计算得到多焦面交错拼接的平行度和线阵方向水平误差；

接下来，对相机的内方位元素进行测试；

(9)将步骤(4)中待测离轴相机放置于高精度单轴转台上，通再次经纬仪瞄准相机上的焦面指示棱镜，调整相机俯仰角度，使焦面线阵方向与地面保持水平；

(10)调整步骤(9)中的转台，使狭缝靶标成像于离轴相机几何中心的探测器位置，归零转台角度；

(11)调节步骤(10)的转台，使狭缝靶标成像于离轴相机下行最左侧焦面位置，不等间隔角度的由左至右开始转动转台并采集图像；

(12)通过步骤(5)、(6)经纬仪测量角度差调节相机俯仰角度，使十字叉丝像成像于上行最左侧焦面位置，不等间隔角度的由左至右开始转动转台并采集图像；

(13)在焦平面上建立以理论主点为原点O，以线阵方向为X轴的XOY坐标系。对步骤(11)、(12)中采集到的图像进行二值化处理，以图像灰度为权重计算狭缝像的质心坐标，并通过步骤(7)中测量得到的探测器相对位置关系，将坐标转换到同一坐标系下；即：将所有狭缝靶标像的质心坐标转换到上述XOY坐标系中。

(14)根据下面的公式对步骤(13)中提取的质心坐标进行处理，得到多焦面拼接的大视场离轴相机的几何标定结果。

相机主点x_p、主距f_o、和测量点的畸变Δx_i计算公式如下：

式中，W_i是转台角度，x_i是靶标质心坐标。

具体实施方式三、结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一的实施例：

1)设定的大视场离轴三反遥感相机焦距为4850mm，视场角为16°，探测器像元尺寸10微米，像元列为6144，共5个谱段，为覆盖整个成像面，采用24片探测器；

2)根据所设计相机的光学参数选择平行光管、狭缝靶标、高精度单轴转台和徕卡经纬仪搭建地面几何标定装置，如图1所示，其主要参数为：平行光管焦距为30m，口径800mm，全色谱段对应的狭缝宽度为0.2mm，多光谱谱段对应的狭缝宽度为0.8mm，高精度单轴转台定位精度1″，经纬仪测角精度0.5″；

3)由于焦面探测器数量较多，将其分为三组，分别命名为Z01\Z02\Z03，如图2所示，各组焦面内外部探测器搭接关系通过经纬仪测试得出；

4)首先对上行探测器的全色谱段和多光谱谱段进行测试，将转台由最左侧旋转至最右侧不等间隔成像，记录转台角度数据并采集狭缝靶标图像，重复上对上行探测器的测试流程，对下行探测器进行测试，并记录数据；

5)对采集的图像进行二值化处理，以图像灰度为权重计算狭缝像的质心坐标，并根据图2中测得的探测器位置关系，将各组质心坐标及对应转台角度数据转换至同一坐标下。

6)通过下述公式计算得到相机的几何标定参数。

相机主点x_p、主距f_o、和测量点的畸变Δx_i计算公式如下：

7)相机几何标定结果如下：

8)相机畸变曲线图，结合图3。

9)对标定结果精度分析。

本实施方式在标定过程中主要误差源有：高精度单轴转台测角精度误差，测量稳定性误差以及质心定位误差等。

高精度单轴转台测角精度误差包括角位置精度和角位置重复性，其中角位置精度：3σ_z1≤±1″，角位置重复性：3σ_z2≤±1″；

测量稳定性误差来源于测试环境的影响，多次测量后得到，测量稳定性误差为：σ_w≤±0.66Pixels；

质心定位误差包括质心提取误差和焦面拼接像元位置测试误差，质心提取精度：σ_t≤±0.3Pixels；Z02组焦面像元位置测试精度误差：σ_c2≤±0.2Pixels；Z01和Z03组焦面像元位置测试精度误差：σ_c1,3≤±2Pixels。因此，Z02组焦面质心定位误差：σ₂≤±0.5Pixels，Z01和Z03组焦面质心定位误差：σ_1,3≤±2.3Pixels。

综上所述，本实施方式对所设计的大视场离轴三反遥感相机中各个像点测量误差为：

Z02组焦面：

Z01和Z03组焦面：

转换得到视主点标准差为±100Pixels，视主距标准差为±0.3mm(0.006％)，畸变标准差为±2.52Pixels。

本实施方式所述方法克服了常规测角法中难以覆盖多组焦面、且无法对不同行的探测器进行测试的缺点，实现了对公司自研的超大幅宽高分辨率离轴三反相机的高精度几何标定，标定结果满足研制需求。

Claims (3)

1.一种多焦面拼接大视场离轴相机的几何标定方法，其特征是：该方法包括对多焦面的拼接区域进行标定和相机内方位元素测试；

对待测离轴相机的多焦面的拼接区域进行标定，具体由以下步骤实现：

步骤一、根据待测离轴相机的光学参数，选取平行光管及狭缝靶标；

步骤二、将步骤一所述平行光管的光轴调至与地面水平，采用自准直的方法通过干涉仪和平面反射镜对平行光管焦面进行标定；

步骤三、将所述狭缝靶标放置于步骤二所确定的平行光管的焦面位置，并采用经纬仪进行对准，使狭缝靶标与地面保持铅垂，将积分球作为光源放置于狭缝靶标前；

步骤四、将待测离轴相机放置于步骤三所述的平行光管前，同时采用经纬仪瞄准待测离轴相机上的焦面指示棱镜，调整待测离轴相机俯仰角度，使焦面线阵方向与地面保持水平；

步骤五、将经纬仪放置于步骤四所述的待测离轴相机前，使经纬仪十字叉丝成像于待测离轴相机焦面的其中一片探测器的拼接区域，采集图像，并记录经纬仪角度；

步骤六、调节步骤五中所述经纬仪的俯仰角度，使经纬仪十字叉丝成像于待测离轴相机焦面对应的交错拼接探测器的拼接区域，并再次采集图像，记录经纬仪角度；

步骤七、重复步骤五和步骤六，获得所述待测离轴相机焦面全部探测器拼接区域对应经纬仪十字叉丝的图像及其对应的经纬仪角度，计算获得探测器间相对位置关系；

步骤八、对步骤七中获取图像进行质心提取，结合对应的经纬仪角度，计算获得多焦面交错拼接的平行度和线阵方向水平误差；

对待测离轴相机的内方位元素进行测试；

步骤九、将步骤四中待测离轴相机放置于高精度单轴转台上，再次通过经纬仪瞄准待测离轴相机上的焦面指示棱镜，调整待测离轴相机的俯仰角度，使焦面线阵方向与地面保持水平；

步骤十、调整步骤九中所述的高精度单轴转台，使狭缝靶标成像于待测离轴相机几何中心的探测器位置，将所述高精度单轴转台角度归零；

步骤十一、调整所述高精度单轴转台，使所述狭缝靶标成像于待测离轴相机下行最左侧焦面位置，不等间隔角度的由左至右转动高精度单轴转台并采集图像；

步骤十二、根据步骤五、步骤六中经纬仪测量角度差调节相机俯仰角度，使十字叉丝待测离轴相机上行最左侧焦面位置，不等间隔角度的由左至右转动高精度单轴转台并采集图像；

步骤十三、在焦平面上建立以理论主点为原点O，以线阵方向为X轴的XOY坐标系；

对步骤十一、步骤十二中采集到的图像进行二值化处理，以图像灰度为权重，计算狭缝靶标像的质心坐标，并通过步骤七中获得的探测器相对位置关系，将所有狭缝靶标像的质心坐标转换到上述XOY坐标系中；

步骤十四、采用下式对步骤十三中计算的质心坐标进行处理，获得多焦面拼接的大视场离轴相机的几何标定结果；

待测离轴相机主点x_p、主距f_o和测量点的畸变Δx_i计算公式如下：

式中，W_i为高精度单轴转台的角度，x_i为狭缝靶标的质心坐标。

2.根据权利要求1所述的一种多焦面拼接大视场离轴相机的几何标定方法，其特征在于：步骤一中，所述平行光管口径大于等于待测离轴相机的通光口径，平行光管的焦距f_Collimator为待测离轴相机焦距f_Camera的3倍以上；所述狭缝靶标成像在待测离轴相机焦面上的宽度应约为3倍的像素宽度，即狭缝宽度w与像元尺寸a的关系为：

3.基于权利要求1所述的一种多焦面拼接大视场离轴相机的几何标定方法的标定装置，其特征是：包括积分球、狭缝靶标、平行光管、组合经纬仪、待测离轴相机和高精度单轴转台；

所述待测离轴相机通过高精度单轴转台的角度调节工装调节角度，所述积分球、所述狭缝靶标置于平行光管的焦面位置，并采用经纬仪进行对准，积分球作为光源置于狭缝靶标前；

利用所述平行光管、狭缝靶标、经纬仪对待测离轴相机焦面各片探测器拼接区域进行测试，计算获得探测器间的相对位置关系；

通过所述高精度单轴转台，将狭缝靶标不等间隔的在待测离轴相机上下行各片探测器进行成像，并对采集图像进行处理，提取质心坐标并通过所述探测器间的相对位置关系转换至同一坐标系下；通过解算公式计算得到相机的主点、主距和畸变标定结果。

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