[发明专利]一种具有二维指向镜的面阵相机几何成像模型标定方法

说明书

本发明公开了一种具有二维指向镜的面阵相机几何成像模型标定方法，通过建立畸变校正模型和像旋校正模型对相机进行几何成像模型的实验室标定。将在相机基准棱镜坐标系下的视矢量，利用像旋校正模型转换成理想像空间坐标，再通过畸变校正模型转换到相机图像坐标，实现几何成像模型的标定。对焦平面、指向镜法线、南北轴、东西轴共计13个误差项进行解算优化，平均误差为0.76像元，满足实际使用需求。根据本发明的方法，可以通过13个误差项标定出相机焦平面、指向机构安装误差对相机几何成像模型的影响，提高视线标定精度。

技术领域

本发明涉及一种几何成像模型的标定方法，尤其是具有二维指向镜的三轴稳定静止轨道面阵相机几何成像模型标定方法。

背景技术

三轴稳定静止轨道空间相机对地观测位置相对固定，具有时间分辨率高、观测范围广等特点，是航天对地观测成像技术的重要组成部分。三轴稳定静止轨道空间相机常采用二维指向镜与面阵探测器结合的“凝视”成像的技术方案，从而既可以获得较大的搜索视场，又可对捕获到的目标进行详查和跟踪。随着空间相机大范围搜索目标的要求，面阵探测器配合二维指向镜在空间相机中的应用也越来越多。但是具有二维指向镜的面阵相机的像面存在畸变和像旋等问题，影响目标真实位置信息的获取。因此，消除二维指向镜带来的畸变和像旋，对面阵探测器的目标精确定位具有十分重要的意义。

对于二维指向镜畸变和像旋的校正有软件校正和光机校正两种方法。光机校正中道威棱镜和K镜系统可以有效地消除二维指向镜产生的像旋，如我国海洋一号卫星上搭载的10通道水色扫描仪COCTS以及极轨气象卫星FY-3卫星上搭载的中分辨率光谱成像仪MERSI，均使用了K镜系统消除像旋，但该系统具有光学材料选择和系统体积较大，使用往往受到限制。而软件校正像旋时，无需在光路中插入任何光学元件，可靠性高，对系统体积重量影响小。如日本空间开发局NASDA研制的海洋水色水温扫描仪OCTS，为了消除45°旋转扫描反射镜产生的像旋，采用了软件校正的方法，取得了较好的效果。国内对推扫结合二维扫描镜、摆扫结合45度镜、凝视结合二维指向镜引起的像旋进行了软件校正。对于三轴稳定静止轨道卫星光学系统，目前国内只有少量学者针对该类卫星特点开展了畸变、像旋模拟和系统性校正算法研究，缺少从卫星成像的严格几何成像模型进行系统性的计算及实验验证。本专利对具有二维指向镜的三轴稳定静止轨道面阵相机，提出基于内外方位元素的几何成像模型标定方法消除畸变和像旋，并通过实验对该标定方法进行验证。

发明内容

本发明提供一种具有二维指向镜的面阵相机几何成像模型标定方法，包括畸变模型标定和像旋模型标定。面阵相机几何成像示意图如图1。探测器上任一像元发出的视矢量经过二维指向镜的反射作用，射向所探测的目标。A和A’分别为视轴的入射和出射方向，N为指向镜法线方向，P和Q分别为二维指向镜的南北轴和东西轴，通过P轴和Q轴的转动来实现不同区域的观测。

几何成像模型的表达式如下：

losCube＝GeometircModel(x,y,azimuth,pitch)   (11)

输入为图像行列坐标(x,y)、指向镜东西轴转角azimuth、南北轴转角pitch，输出为基准棱镜坐标系视线矢量losCube。

畸变校正模型的基准坐标系为焦平面坐标系，首先建立焦平面坐标系与平行光管目标出射矢量的转换关系，然后在此基础上进行入射光矢量在焦平面的入射角与实际像点响应位置的相互转换关系，完成主距(f)、理想像空间坐标系到基准棱镜坐标系的三个角度偏差量(thetaU、thetaV、thetaW)共计4个变量的标定，即内方位元素的标定。