[发明专利]一种基于恒星轨迹的遥感相机几何标定方法

摘要

本发明公开一种基于恒星轨迹的遥感相机几何标定方法。本方法首先通过遥感相机获取任意天球位置的恒星图像。然后运用一定的图像处理算法对星图进行处理，主要包括：滤波降噪，星图分割，星点提取，星图匹配，以获取恒星目标在实际星表中的角距，星等与方位信息。最终根据实际相机的成像几何模型和恒星在相机视场中的运动轨迹构建并解算包含相机内外方位元素的数学模型，实现遥感相机的高精度标定。不同于其他相机标定方法，本发明充分利用高精度的星表数据及恒星划过相机视场运动轨迹的几何关系对相机的内外方位元素进行建模解算，标定过程运算量小，精度高，便于实时对遥感相机进行在轨修正。

主权项

1.一种基于恒星轨迹的遥感相机几何标定方法，其特征在于步骤如下：1)通过遥感相机获取任意天球位置的恒星图像；2)采用滤波算法消除恒星图像背景噪声；3)采用聚类算法实现恒星目标和背景图像的分类；4)通过重心法计算恒星图像的重心坐标，作为由星图获取的实际坐标，并由该坐标表示出星图中任意两颗星相对于投影中心的角距；5)星图识别，首先，利用地面两维拉格朗日插值畸变校正模型对星图进行预校正；然后，通过星图识别算法实现星图匹配，进而通过查星表得到相应星点的赤经赤纬坐标值和各颗星之间的角距信息；6)当恒星划过相机视场时，探测器平面上星点的相对位置将发生改变而其对应的恒星在天球坐标系下的角距保持不变，利用该成像关系构建几何模型并解算遥感相机的内外方位元素，实现遥感相机的高精度标定；构建并解算模型：6‑1)构建模型，理想情况遥感相机成像关系满足针孔模型，设物方点P(X,Y,Z)成像于探测器平面的对应点坐标为P′(r,c)，则有如下关系成立：其中，(X,Y,Z)为物方空间坐标系O‑XYZ中P点坐标；(xC,yC,zC)为P点在相机坐标系oc‑xcyczc中的坐标；(u,v)为P点在像平面坐标中的坐标；f为相机角距，(r0,c0)为相机主点的像素坐标，(r,c)为第r行第c列像元在像元面阵中的坐标，dv和du为与像元尺寸有关的标量；R为3×3的旋转矩阵，具体表达式如下：其中ω，κ分别为相机x轴，y轴和z轴的方位角，定义相机的指向，T＝(t_x,t_y,t_z)^T为平移矩阵，t_x,t_y,t_z为相机的位置参数；实际成像系统由于畸变的存在，式(1)和(2)将发生改变如下：式中，u′，v′为实际观测点坐标，u，v为无畸变理想点坐标，Δu(u,v)，Δv(u,v)为u方向和v方向的畸变量；为实际p点到主点的距离，k₁，k₂，k₃为径向畸变系数，p₁，p₂为偏心畸变系数，s₁，s₂为薄棱镜畸变系数；6‑2)模型解算，当恒星划过视场时，可得满足物像关系的一系列星点的物像坐标；设像平面上有n个像点：A1,A2…,An，质心提取后可得各个像点的指向向量为：星图识别后各恒星之间角距为已知量，记A1星和A2星之间角距为θ1,2，A1星和An星之间角距为θ1,n，以此类推。根据向量积关系可得：以上非线性方程组问题可以转化为非线性最小二乘问题，即可得：采用最小二乘方法和列文伯格‑马夸尔特算法，带入星点的物像坐标，即可求得相机模型参数，完成相机高精度标定。