新的相机交会角在轨标定方法

提出了一种新的在轨标定相机交会角的方法,该方法不同于目前广泛采用的摄影测量中的后方交会。以三线阵CCD测绘相机为例,通过对其工作原理的分析,建立了求解相机交会角的几何模型,并利用天绘卫星三线阵影像数据进行了相关试验。结果表明,该方法可行,计算结果精度较高,与摄影测量方法所得结果非常接近。同时,计算分析了定轨精度和地面控制点精度对相机交会角精度的影响。相对于摄影测量的方法而言,该方法理论简单,易于理解,可进一步应用于高分辨相机和多光谱相机离轴角的在轨标定,具有重要意义。     

基于地面人工标志的卫星在轨几何定标方法研究

高分辨遥感卫星影像像点量测精度对卫星在轨几何检校具有重要意义。为了提高“资源三号”卫星影像像点量测精度,设计了四种可移动式高低反射率地面人工标志。利用在轨试验验证和多种像点量测方法,确定了方形十字对顶角标志能够兼顾到标志的最小尺寸与最佳图案的设计要求。该标志具有良好的光学特性和理化特性,对野外环境有很强的适应性。在轨试验结果表明,这种标志可以应用于当前高分辨、三线阵相机影像的像点量测,满足“资源三号”卫星在轨几何检校对预定的0.15像素量测精度的要求。     

三线阵测绘相机交会角在轨监测可行性分析

卫星发射和在轨运行期间,三线阵测绘相机交会角受环境影响会发生变化,从而制约了测绘精度。与现有通过地面控制点反算补偿的方法相比,三线阵测绘相机交会角在轨监测是以上问题实时直接的解决方案,也是无地面控制点摄影测量的关键技术。但其理论上涉及多达36个自由度变化,难以直接实现。为此建立了包含全部自由度变化的测绘相机整体数学模型,推导出完整的相机交会角表达式。进一步基于对各参量影响程度的分析完成了自由度约简,得到简化的相机交会角表达式,并通过仿真验证了简化的合理性,各自由度参量在[0,200μm/(″)]变化范围内,简化误差小于0.05″。分析结果表明:只要重点监测5个关键自由度变化就可以实现三线阵测绘相机交会角的监测,从而大幅降低了系统的复杂程度并使在轨监测成为可能。     

高分七号双线阵立体测绘相机系统集成与测试

2019年11月3日发射的高分七号立体测绘卫星搭载了前、后视两台高分辨率遥感相机，分别从前、后两个方向对地面同一景物进行不同角度的观测，从而形成立体测绘影像。在立体测绘相机的实验室研制阶段，需要确保双线阵相机的线阵水平、共焦一致性、内方位元素与畸变的高精度测试。为了满足高分七号双线阵相机上述技术指标的要求，采用了计算机辅助焦平面快速装调方法以及高精度内方位元素与畸变测试方法，所用方法提高了装调与测试效率，保证了测试精度，相机共焦性优于±0.04 mm，线阵水平优于±1′，畸变测试精度优于2.3 μm，可为其他大比例尺测绘遥感相机的研制提供参考。     

高分一号卫星PMS 相机多场地宽动态辐射定标

为克服卫星遥感器常规定标方法不足,实现GF-1 卫星PMS 相机高精度在轨定标,提出了多场地宽动态辐射定标方法,分析了新方法的不确定度。首先,介绍宽动态辐射定标原理和试验场区概况,设计开展了GF-1 卫星多场地同步观测试验;接着,基于试验数据和宽动态定标模型,实现了GF-1 卫星PMS 相机的在轨辐射定标;最后,讨论GF-1 卫星PMS 相机多场地定标的不确定度和模型的稳定性。结果表明:GF-1 卫星PMS 相机自发射以来辐射响应特性与实验室定标结果相比发生了一定变化,最大变化量达到了7.72%;PMS 相机多场地辐射定标的综合不确定度为5.35%。所获取的PMS 相机定标系数满足遥感辐亮度产品生产的精度要求,且多场地定标可作为后续高分卫星的在轨定标的方法参考。     

基于绝对相位标靶的线阵相机标定方法

针对当前线阵相机几何标靶标定精度不足的问题,提出了一种基于绝对相位标靶的线阵相机标定方法。针对线阵相机成像特点,设计了结合相位与格雷码的绝对相位编码标靶。标定时首先由线阵相机获取标靶图像,计算标靶的绝对相位;然后在空间不同位置处摆放标靶,采用辅助面阵相机获取标靶间的相对位置关系,建立线阵相机图像与空间点的精确对应关系;最后采用两步法标定获取线阵相机内两相机间的坐标变换关系。仿真与实验结果表明：标定的最大重投影误差为0.089 pixel,与现有方法相比降低了79.78%,所提方法具有良好的抗噪、抗离焦性。     

一种基于共线特征点的线阵相机内参标定方法

提出一种利用共线的标定特征点确定线阵相机内参的方法。所有标定特征点均在线阵相机的视平面内。首先,标定过程中对标定特征点逐一成像,直接得到标定特征点和其对应像点,解决了空间标定点与像点的对应问题;其次,通过数学建模得到线阵相机的成像模型,联立多个位置处的成像模型解算出相机内参;最后,对影响线阵相机标定的因素进行分析及实验验证。理论分析和实验结果表明,文中的线阵相机标定方法简单灵活,无需制作精密的靶标,可获得大量标定点,提高了线阵相机标定的准确性和稳定性,实验得到成像特征点重投影像点位置偏差均方根为0.37 pixel。     

基于2.5D标定扇的线阵相机内参数标定方法

针对工业生产线上或集成设备中线阵相机内参数定期检校困难且成本高的问题,提出一种基于2.5D标定扇的线阵相机内参数标定方法。设计了一款特定的2.5D标定扇,构建包含镜头畸变的线阵相机内参数标定模型,顾及了标靶相对相机的两个姿态角,通过方程线性变换法解算模型参数初值,利用改进的Levenberg-Marquardt (L-M)算法加速优化相机参数的求解过程,给出了详细的解算步骤和数据处理过程,并通过仿真和实测数据验证了方法的可行性。结果表明：该线阵相机标定方法简单灵活,可得到大量分布规律的特征点对,参数标定精度不受相机移动精度和特定移动方向的限制;在扇骨面与靶面间夹角小于10°时,可以获得高精度、高一致性的相机内参数,特征点重投影误差的最大值优于0.28 pixel,平均RMSE为0.11 pixel,标准差仅0.01 pixel。     

基于虚拟立体靶标的线阵相机标定与分析

针对线阵相机的特点,论文提出了一种线阵相机标定方法。首先,利用设计的平面靶标与相机多次曝光巧妙地构建了虚拟立体标定靶标,通过分析与数学建模得到靶标上标定特征点空间位置与像点的对应关系;其次,分别使用最小二乘法与迭代求解的方法对多个特征点的线性参数超定方程与镜头的非线性畸变参数进行求解,讨论了标定过程中相机与靶标非严格平行时对标定结果的影响;最后,实验室条件下使用论文设计的靶标与方法对线阵相机标定进行实验验证。理论分析与实验结果表明此线阵相机标定方法简单灵活,标定特征点个数不拘泥于靶标的制作,相机与靶标的位置无需严格平行,标定精度高,且具有较好良好的实用工程应用价值。     

HJ-1A/B星CCD相机在轨辐射性能检测分析

为检测分析HJ-1A/B星CCD相机在轨辐射探测性能及其辐射定标的有效性,提出了基于多种光学特性地面目标的在轨检测方法。首先,介绍了HJ-1A/B星CCD相机在轨辐射性能检测方法,并基于2013年HJ-1A/B卫星地面同步观测试验数据,获取了HJ-1A/B星过境时刻的卫星入瞳处等效辐亮度。然后以该等效辐亮度为基准,对HJ-1A/B星CCD相机历次在轨辐射定标结果进行检验,分析HJ-1A/B星CCD相机的在轨运行期间辐射探测性能变化趋势。结果表明：HJ-1A/B星在轨运行过程中,辐射性能在不断发生变化;在轨运行5年多时间里,HJ-1A/B星的CCD相机各波段的辐射性能平均衰变量最低为3.7%,最大为39.6%;为保证遥感数据的定量化精度,定期的在轨绝对辐射定标十分必要。     

大视场空间相机侧摆成像时几何参数分析

为了提高大视场空间相机物距、投射角、地面像元分辨率、幅宽等几何参数的计算精度,研究了星下点成像与侧摆成像时上述几何参数的精确计算方法。在全面考虑地球曲率和投射角的基础上,建立了相应的几何模型,改进了大视场空间相机几何参数计算方法。根据仿真分析,对于轨道高度650 km、半视场40的空间相机,当侧摆20时,垂直线阵方向像元分辨率的最大值是最小值的2.31倍,是传统计算方法的1.78倍;平行线阵方向像元分辨率的最大值是最小值的7.16倍,是传统计算方法的4.29倍;幅宽是传统计算方法的1.33倍。因此,传统计算方法存在较大的误差,提出的精确计算方法对于提高大视场空间相机成像质量具有重要意义。     

摆扫式面阵CCD航空相机的像旋转分析

航空相机在进行拍照时,通常采用45°扫描反射镜绕光轴摆扫或步进,进行多行迹摆扫式拍照,以增大对地面景物的观测范围,但当扫描镜绕光轴旋转对物体进行观测时,物体反射像也将绕轴进行旋转,目标相对探测器(CCD)产生了像旋转。通过运用光线矢量与光轴旋转变换的方法,建立了相机的数学模型。根据该模型,针对扫描反射镜旋转所产生的像旋转,利用光学矩阵建立了扫描镜转角与像旋转角之间的关系,对比各种消除像旋方法的优缺点,提出了采用扫描镜与像面旋转机构同步旋转结合的方法实现消除像旋,为工程设计提供了必要参考。     

状态观测器在航空相机中的应用

为了提高航空相机在摆扫方向上的成像分辨率,提出了一种基于状态观测器的加速度反馈控制方法,并对该方法的相位特性以及鲁棒性进行分析研究。首先,对镜筒角速度的测量元件光纤陀螺进行参数标定,采用频域法建立俯角控制系统的数学模型。其次,设计镜筒角加速度状态观测器,并提出了将状态观测器和牛顿预测器相结合的方法,解决了估计算法的相位滞后问题,进一步提高了估计角加速度的响应频带。最后,通过将观测到的角加速度信息构成加速度反馈控制系统,并且应用于某型长焦距倾斜CCD相机的俯角速度控制系统中。实验结果表明:基于状态观测器的加速度反馈控制方法能够显著地提高俯角控制系统的动态响应特性以及稳态精度。当俯角控制系统受到阶跃型的外界扰动时,镜筒的角速度出现了宽度为0.2 s的脉冲型波动,且幅值仅为采用超前-滞后控制方法的1/2。本文所述的控制方法具有较强的鲁棒性,适于工程应用。     

偏流角对空间相机影响研究

研究了卫星运行中偏流角对TDICCD相机像质的影响.根据卫星运动状态,推导了偏流角的具体变化形式,以及由其在穿航方向和沿航方向引起的相机像移和由此造成的像质退化调制传递函数(MTF).并针对高度为500km的圆形卫星轨道,定量计算了偏流角导致的像移对相机像质的影响程度.结果表明:偏流角在赤道附近最大,随着纬度的升高,偏流角呈非线性减小.并且,由它引起的像移在穿航方向对相机像质的影响远大于沿航方向.对于给定的轨道参数,偏流角最大值约为3.7°,当积分级数为32时,由其引起的像移调制传递函数接近于零,严重影响了相机的成像质量.为此,提出了使用二维摆镜和调整焦平面方向两种实时补偿偏流角影响的方法.     

火星相机研制

介绍了火星探测的进展及火星相机的科学目标,分析了空间相机及火星相机的特点,展现了课题组经过数年研究在火星相机工程样机的研制过程中取得的成果。研究内容包括:火星表面物质的光谱特性、火星探测光学遥感器的谱段设置、近火弧段星下点光照条件分析、近火点太阳高度角随时间变化规律、火星表面高程的直方图分布特性分析、考虑火星表面高程因素速高比误差造成的像移、火星相机工程样机研制、火星相机工程样机外景成像试验等。总结了过去的工作,为将来进一步研制火星相机打下基础。所研制的火星相机适用于在环火轨道对火星表面的观测成像。     

全景式航空相机摄影起始角误差抑制方法

覆盖宽度是全景式航空相机的重要指标，深入分析了摄影起始角误差对全景式航空相机所得图像锯齿效应的影响。在介绍全景式航空相机工作方式及工作时序的基础上，分析了所得图像边缘差异占覆盖宽度的比值与目标倾斜角、横向扫描角及摄影起始角误差之间的关系。全景式航空相机工作时，通常对摄影起始角设定预留恒定角度值，该方法会造成较大的摄影起始角误差。为了减小该误差，提出了改进迭代算法:在每帧成像时记录摄影起始角误差，并利用该误差对下一帧图像进行修正。最后给出了实验结果。结果表明:采用传统算法和改进迭代算法时，摄影起始角误差均方根值分别为0.045和0.005，值范围分别为[0.009 1，0.014 8]、[0.001 0，0.001 7]。改进迭代算法将摄影起始角误差降低为传统算法的1/9，对应最大值为0.001 7，满足工程需求。     

基于高程和地物光谱约束的多光谱图像预处理算法

分视场滤光片型多光谱相机在利用拼接和配准生成多光谱图像时,受云、水等特殊地物的影响,利用现有方法生成的结果图像上容易出现条带噪声和错配现象。提出了一种三维信息约束下的尺度不变特征转换(SIFT)图像配准和地物光谱特性约束下的多光谱图像预处理算法,该算法利用三维信息约束的SIFT算子提高配准精度,同时在地物光谱特性约束下选取有效的辐射校正点提高图像拼接时各条带图像灰度的校正精度。实验结果表明,利用该方法对分视场多光谱相机数据进行预处理时,即使图像上存在云、水等特殊区域的地物,结果图像仍能保持高精度配准且无条带噪声。     

摄像机标定中总体最小二乘法抗噪性的研究

为了降低摄像机标定中图形加性噪声给标定精度带来的不良影响,提出了基于总体最小二乘法的摄像机标定方法。由于总体最小二乘法具有消除或降低噪声的功能,本文将其用于求解单应性矩阵,既提高了单应性矩阵的精度,又为摄像机内外参数和畸变系数的精确测量提供了理论依据。在此基础上借助OpenCV函数库获取图形中角点高精度坐标的功能,在Visual C＋＋环境下实现了对摄像机的标定。数值实验和实际标定实验均表明,提出的标定方法具有更高的精度和抗噪声能力。     

三折式光学窗口对航空相机成像的影响

基于平行光通过倾斜的平板玻璃会使光线发生平移的现象,从几何光学的角度分析了三折式光学窗口对航空相机成像分辨率的影响,在窗口玻璃厚度为25 mm,窗口玻璃之间的夹角为45,照相距离为5 000m的条件下,对焦距1 000 mm 的相机成像偏移量进行了分析计算,计算结果成像偏移量为3.34 m,大于设计要求的1/3 像元.最后,通过试验检验了成像偏移对相机成像分辨率的影响,分析及试验结果表明,相机焦距、窗口玻璃厚度和窗口玻璃之间的夹角越大,相机照相距离越小,使相机成像分辨率越低,尤其是采用三折式窗口玻璃的长焦距相机,不适宜在较近照相距离下照相。