[发明专利]一种基于月球成像的光学成像系统焦距精确测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于月球成像的光学成像系统焦距精确测量方法，属于光学成像系统测量技术领域，特别适用于在地面与在轨运行的光学成像系统的焦距精确测量。

背景技术

为满足高分辨率观测成像的任务需求，越来越需要使用长焦距光学成像系统，例如，QuickBird-2分辨率0.61m、焦距8.8m，GeoEye-1全色分辨率0.41m、焦距13.3m，哈勃空间望远镜系统中使用长焦距光学成像系统其焦距达到57.6m。

对于光学成像系统，无论是地面研制过程还是在轨运行阶段，需要使用相应的焦距测量技术。一方面，在地面研制阶段，常用的焦距测量方法有放大率法和测角法，检测精度受限于地面仪器设备的精度影响，设备研制成本高；另一方面，在发射以及在轨运行阶段，由于振动、在轨环境温度等变化等都将影响光学成像系统的焦距发生一定变化，直接影响成像分辨率和几何定位精度，需要对光学成像系统的焦距进行精确测量，然而，目前在轨焦距测量需要利用地面定标场，大量地面控制点的方法测量手段复杂、成本高。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于月球成像的光学成像系统焦距精确测量方法，利用对月球进行成像，提出亚像素提取并通过最小二乘法拟合获取月球圆盘的直径，使得无论“满月”还是“亏月”都能用于焦距测量，解决了地面研制过程光学成像系统焦距特别是长焦距光学成像系统测量成本高、装置研制难度大，在轨运行期间光学成像系统焦距测量依赖地面定标场所带来的手段复杂、成本高问题，是一种经济可行的长焦距光学成像系统焦距测量方法。

本发明的技术解决方案是：一种基于月球成像的光学成像系统焦距精确测量方法，通过以下步骤实现：

（1）通过光学成像系统在地面或在轨观测月球，获取月球图像，记录成像位置以及成像时刻，计算光学成像系统到月球的距离；

（2）初步确定月球所在图像中的位置，基于亚像素边缘检测算法提取月球图像边缘；

（3）利用提取的边缘信息对月球圆盘进行初步拟合，构造月球圆环，并根据落入月球圆环区域的边缘点数，得到初始粗拟合圆盘；

（4）在初始粗拟合圆盘的基础上，利用最小二乘法拟合月球圆盘，并且基于距离约束逐步优化，最终得到高精度的亚像素级月球圆盘；

（5）利用光学成像系统与月球的位置几何关系计算光学成像系统焦距。

所述步骤（2）中初步确定月球所在图像中的位置通过以下步骤实现：

（2.1）构造月球图像的坐标系XOY，将所获取的月球图像的左上角作为月球图像的坐标原点O，水平向右作为月球图像的X轴，竖直向下作为月球图像的Y轴；

（2.2）将月球图像分别在X、Y方向投影，在X方向的投影值为图像中每一列的灰度值之和，在Y方向的投影值为图像中每一行的灰度值之和，分别统计X与Y方向灰度值之和大于预设阈值的区域，该区域的宽度与高度分别表示为ΔX与ΔY；

（2.3）将上述区域在X与Y方向分别往+X、-X方向以及+Y、-Y方向扩展δ个像素，则将宽度为ΔX+2δ、高度为ΔY+2δ的矩形区域初步确定为月球所在图像中的位置。

所述步骤（2.1）中预设阈值大于20个灰度值，所述步骤（2.2）中δ取值范围30～50个像素。

所述步骤（3）中得到初始粗拟合圆盘通过以下步骤实现：

（3.1）根据步骤（2）提取的边缘信息，统计所有边缘在X、Y方向的坐标最大点与最小点，得到所对应的四个极值点坐标，判断四个极值点中是否有重合的点，如果四个极值点都不重合，则转步骤（3.3），否则四个极值点有重合，不重合的极值点数为m个，m为大于1小于4的整数，继续步骤（3.2）；

（3.2）构造新坐标系X′O′Y′，以月球图像的坐标原点O为新坐标系的坐标原点O′，X轴、Y轴各顺时针旋转45°得到X′轴和Y′轴，统计所有边缘在X′、Y′方向的坐标最大点与最小点得到四个新极值点坐标，判断每个新极值点与步骤（3.1）中极值点是否重合，如果不重合则m加1，将该新极值点补充到步骤（3.1）中的极值点中，直到m等于4，得到四个不重合的极值点；

（3.3）以四个极值点的三个极值点作为一组分别拟合月球圆盘，得到四个月球圆盘；

（3.4）对四个月球圆盘中的每个圆盘都进行下述处理，即以月球圆盘边界为分界线，在半径方向分别向外、向内扩展n个像素，形成宽度为2n个像素的月球圆环；