一種多片線陣ccd相機(jī)的相對(duì)輻射定標(biāo)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種多片線陣CCD相機(jī)的相對(duì)輻射定標(biāo)方法，包括以下步驟：建立遙感衛(wèi)星傾斜布置的多片線陣CCD相機(jī)的焦平面坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系；根據(jù)地球半徑以及衛(wèi)星軌道高度、俯仰角與滾動(dòng)角，計(jì)算成像時(shí)刻地理坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)偏移星下點(diǎn)的地心角大?。唤牡乩碜鴺?biāo)系到焦平面坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系；在定標(biāo)模式的成像過程中，依據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系計(jì)算衛(wèi)星的偏航角速度，使得多片線陣CCD的所有像元對(duì)地面同一區(qū)域成像；利用直方圖匹配方法建立直方圖查找表。本發(fā)明建立在嚴(yán)密轉(zhuǎn)換關(guān)系的基礎(chǔ)之上，將傾斜布置的多片線陣CCD所有像元對(duì)同一區(qū)域成像，使得所有像元具有相同的輸入。
【專利說明】一種多片線陣CCD相機(jī)的相對(duì)輻射定標(biāo)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多片線陣CCD相機(jī)的相對(duì)輻射定標(biāo)方法，屬于遙感衛(wèi)星定標(biāo)技術(shù) 領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]目前，空間遙感CCD相機(jī)朝著更高分辨率、大幅寬等方向發(fā)展，從而保證更高的空 間分辨率和時(shí)間分辨率。在軌道高度一定的前提下，空間相機(jī)地面像元分辨率的提高導(dǎo)致 相機(jī)焦距的增長(zhǎng)，而焦距的增長(zhǎng)和視場(chǎng)角的增大導(dǎo)致需要采用多片線陣CCD拼接來組成較 大幅寬空間相機(jī)的焦平面。
[0003] 線陣CCD不同像元的光響應(yīng)非一致性、讀出電路自身及其與CCD耦合的非一致性、 不同通道放大電路的非一致性、光學(xué)系統(tǒng)的加工精度等原因，導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)和CCD探測(cè)器 等響應(yīng)的不一致性，直接表現(xiàn)為同樣的輻射亮度輸入對(duì)各個(gè)像元有著不一致性的輸出灰度 值，從而造成獲取的圖像出現(xiàn)條帶現(xiàn)象。同時(shí)，大視場(chǎng)相機(jī)焦面由多片線陣CCD拼接而成， 不同片CCD由于制造差異，響應(yīng)度相差較大，導(dǎo)致不同片的圖像存在較大的偏差。因此，有 必要對(duì)多片線陣CCD相機(jī)進(jìn)行相對(duì)輻射定標(biāo)。目前，為減小光學(xué)畸變、地球曲率的影響，將 多片線陣CCD陣列傾斜布置在焦平面上，用"弧線"形狀代替常用的"直線"形狀布置方式。 例如，法國(guó)Pleiades衛(wèi)星的全色譜段探測(cè)器組件由5片線陣CCD組成，地面分辨率〇. 7m，為 減少光學(xué)畸變對(duì)TDI同步的影響，采取的措施是5片線陣CCD非共線布置，兩兩相鄰兩片之 間的傾斜角度為0.3°。
[0004] 目前常用的遙感衛(wèi)星相對(duì)輻射定標(biāo)方法中，實(shí)驗(yàn)室相對(duì)輻射定標(biāo)獲取的定標(biāo)系 數(shù)，隨著衛(wèi)星發(fā)射之后遙感器性能的下降，輻射定標(biāo)系數(shù)會(huì)失效；均勻地面場(chǎng)景法需要湖 泊、草原、冰川、人工均勻場(chǎng)地等定標(biāo)場(chǎng)，尋找或建設(shè)難度大、成本高；大量衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù) 的在軌統(tǒng)計(jì)是目前國(guó)內(nèi)采用比較廣的一種方法，積累多軌圖像數(shù)據(jù)，但該方法的前提是確 保各軌圖像數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性；國(guó)外應(yīng)用廣泛的Side-slither定標(biāo)方法，將衛(wèi)星偏航角旋轉(zhuǎn) 90°，選擇雨林、沙漠、冰蓋等相對(duì)均勻的場(chǎng)景作為定標(biāo)源，因此，對(duì)定標(biāo)源的要求高，導(dǎo)致 對(duì)定標(biāo)區(qū)域的選擇受限。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種多片線陣CCD相機(jī)的 相對(duì)輻射定標(biāo)方法，建立從地理坐標(biāo)系到焦平面坐標(biāo)系的嚴(yán)密轉(zhuǎn)換關(guān)系，針對(duì)多片線陣CCD 在焦平面上傾斜布置的特點(diǎn)、以及光學(xué)畸變與地球曲率的影響，建立多片線陣CCD擬合后 的成像曲線方程，在此基礎(chǔ)之上精確計(jì)算偏航角速度，使得傾斜布置的多片線陣CCD所有 像元對(duì)同一區(qū)域成像，該方法無論對(duì)星下點(diǎn)成像還是非星下點(diǎn)成像都具備模型嚴(yán)密、求解 精度高等優(yōu)點(diǎn)。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種多片線陣CCD相機(jī)的相對(duì)輻射定標(biāo)方法，步驟如下：
[0007] 1)建立遙感衛(wèi)星多片線陣(XD相機(jī)的焦平面坐標(biāo)系Pq-PRPs及其對(duì)應(yīng)的地理坐 標(biāo)系Gq-G^Gs ;其中多片線陣CCD的相鄰兩片之間以預(yù)設(shè)的傾斜角度布置在焦平面上；其 中，PQ為焦平面坐標(biāo)系的原點(diǎn)，位于多片線陣CCD的中點(diǎn)；Pi、P2、P 3三個(gè)坐標(biāo)軸分別平行于 衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的滾動(dòng)軸、俯仰軸和偏航軸；G。為地理坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)，且G。是 P〇點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地面點(diǎn)而軸過G。且平行于衛(wèi)星飛行方向；G3軸指向天頂并過地球中心；g2軸 垂直于構(gòu)成的平面且符合右手法則；
[000S]建立多片線陣CCD擬合后的成像曲線方程Pl = an | p21 η+￡νι | P21 …+ai | P21 +a。， 其中，（P" P2)表示多片線陣CCD在焦平面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，an，，…，ai, a。為方程系數(shù)，n 為方程次數(shù)，I · I表示取絕對(duì)值；
[0009] 2)建立從地理坐標(biāo)系Gq-gas到焦平面坐標(biāo)系PQ-P lP2P3的轉(zhuǎn)換關(guān)系；
[0010] 21)衛(wèi)星繞本體坐標(biāo)系的滾動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)滾動(dòng)角φ之后，P。點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地面點(diǎn)從星下點(diǎn) Κ。指向點(diǎn)心，則從星下點(diǎn)Κ。指向點(diǎn)&對(duì)應(yīng)的地心角表示為Z ，其中，〇為地心；衛(wèi)星再 繞本體坐標(biāo)系的俯仰軸旋轉(zhuǎn)俯仰角Θ之后，p。點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地面點(diǎn)從點(diǎn)&指向點(diǎn)G。，則從點(diǎn)& 指向點(diǎn)G。對(duì)應(yīng)的地心角表示為Z &0G。；衛(wèi)星最后繞本體坐標(biāo)系的偏航軸旋轉(zhuǎn)偏航角ψ之 后，P。點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地面點(diǎn)仍為G。；根據(jù)地球半徑R、衛(wèi)星軌道高度Η以及衛(wèi)星的俯仰角Θ、滾 動(dòng)角Φ，計(jì)算獲得Ζ ΚαΟΙ^與Z &0G。；

【權(quán)利要求】
1. 一種多片線陣CCD相機(jī)的相對(duì)輻射定標(biāo)方法，其特征在于步驟如下： 1) 建立遙感衛(wèi)星多片線陣(XD相機(jī)的焦平面坐標(biāo)系及其對(duì)應(yīng)的地理坐標(biāo)系 ;其中多片線陣C⑶的相鄰兩片之間以預(yù)設(shè)的傾斜角度布置在焦平面上；其中，匕 為焦平面坐標(biāo)系的原點(diǎn)，位于多片線陣C⑶的中點(diǎn)；Pl、P2、P3三個(gè)坐標(biāo)軸分別平行于衛(wèi)星本 體坐標(biāo)系的滾動(dòng)軸、俯仰軸和偏航軸；Gc!為地理坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)，且Gc!是P Q點(diǎn) 對(duì)應(yīng)的地面點(diǎn)而軸過心且平行于衛(wèi)星飛行方向；G3軸指向天頂并過地球中心；G2軸垂直 于hG 3構(gòu)成的平面且符合右手法則； 建立多片線陣C⑶擬合后的成像曲線方程Pl = an| p21n+a^ | ρ2 |η_1+…+&11 p21 +aQ，其中， 化142)表示多片線陣^0在焦平面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，3"，&11_ 1，?，&1，&(|為方程系數(shù)，11為方 程次數(shù)，I · I表示取絕對(duì)值； 2) 建立從地理坐標(biāo)系GcrGAh到焦平面坐標(biāo)系PcrPRPs的轉(zhuǎn)換關(guān)系； 21) 衛(wèi)星繞本體坐標(biāo)系的滾動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)滾動(dòng)角φ之后，Ρα點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地面點(diǎn)從星下點(diǎn)κ。指 向點(diǎn)Ki，則從星下點(diǎn)心指向點(diǎn)Ki對(duì)應(yīng)的地心角表示為Z I^OKi，其中，0為地心；衛(wèi)星再繞本 體坐標(biāo)系的俯仰軸旋轉(zhuǎn)俯仰角Θ之后，P。點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地面點(diǎn)從點(diǎn)Ki指向點(diǎn)G。，則從點(diǎn)Ki指向 點(diǎn)G。對(duì)應(yīng)的地心角表示為ZKiOG^ ;衛(wèi)星最后繞本體坐標(biāo)系的偏航軸旋轉(zhuǎn)偏航角Ψ之后，P。 點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地面點(diǎn)仍為& ;根據(jù)地球半徑R、衛(wèi)星軌道高度Η以及衛(wèi)星的俯仰角Θ、滾動(dòng)角φ， 計(jì)算獲得Z 與2 I^OG。； 22) 從地理坐標(biāo)系GctGAQ到焦平面坐標(biāo)系PcrPRPs的轉(zhuǎn)換關(guān)系表示為：
(1) 其中，為從地理坐標(biāo)系GctGAQ到地固坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，具體表示為：
其中h為地面點(diǎn)心的地形高度，Y(l為升交點(diǎn)與衛(wèi)星之間的地心角，L為衛(wèi)星軌道傾 角； M2為從地固坐標(biāo)系O-E^Eg到慣性坐標(biāo)系O-IJA的轉(zhuǎn)換矩陣，具體表示為：
其中ψ = ψΗ+ψ?、θ = 0,+θ?、φ = φη+φ?; ψ。、θ0、φ。分別表示衛(wèi)星的初始偏航角、 俯仰角與滾動(dòng)角，ψ、§、（^分別表示衛(wèi)星的偏航角速度、俯仰角速度、滾動(dòng)角速度； Μ5為從本體坐標(biāo)系到相機(jī)坐標(biāo)系QrCAQ的轉(zhuǎn)換矩陣，具體表示為：
其中f為相機(jī)的焦距； M6為從相機(jī)坐標(biāo)系QrCAQ到焦平面坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，具體表示為：
3) 根據(jù)步驟2)中建立的轉(zhuǎn)換關(guān)系，計(jì)算獲得焦平面坐標(biāo)系的原點(diǎn)匕對(duì)應(yīng)的 初始偏流角β ο ;將衛(wèi)星偏航角旋轉(zhuǎn)90° - β u后，進(jìn)入相對(duì)福射定標(biāo)模式； 4) 根據(jù)步驟1)建立的多片線陣CCD擬合后的成像曲線方程，在相對(duì)輻射定標(biāo)模式的成 像過程中，根據(jù)步驟2)中建立的轉(zhuǎn)換關(guān)系計(jì)算獲得衛(wèi)星偏航角速度；多片線陣CCD的所有 像元在該偏航角速度下對(duì)地面同一區(qū)域成像，獲取圖像數(shù)據(jù)； 5)根據(jù)步驟4)獲取的圖像數(shù)據(jù)，利用直方圖匹配方法獲得多片線陣CCD所有像元的直 方圖查找表。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多片線陣CCD相機(jī)的相對(duì)輻射定標(biāo)方法，其特征在于： 所述步驟21)中根據(jù)地球半徑R、衛(wèi)星軌道高度Η以及衛(wèi)星的俯仰角Θ、滾動(dòng)角φ計(jì)算獲得 Z KWKi與Z KiOG^的具體方法如下： 211) 衛(wèi)星繞本體坐標(biāo)系的滾動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)滾動(dòng)角Φ之后，計(jì)算獲得從星下點(diǎn)&指向點(diǎn)&對(duì) 應(yīng)的地心角ZKoOKfarcsin
212) 衛(wèi)星繞本體坐標(biāo)系的俯仰軸旋轉(zhuǎn)俯仰角Θ之后，計(jì)算從點(diǎn)&指向點(diǎn)G。對(duì)應(yīng)的地 心角(丨OG(1 =2'arcsin
L;其中
星軌道坐標(biāo)系的原點(diǎn)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多片線陣CCD相機(jī)的相對(duì)輻射定標(biāo)方法，其特征在于： 所述步驟4)中衛(wèi)星偏航角速度獲得的具體方法為： 41)衛(wèi)星相對(duì)輻射定標(biāo)模式下，設(shè)定偏航角速度沖的范圍為隊(duì)]，所述偏航角速度 也不超過衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力范圍；將偏航角速度中作為循環(huán)變量，以-％作為偏航角速度 的初始值，按照遞進(jìn)步長(zhǎng)d中逐次遞加，重復(fù)步驟411)至步驟414)，直到偏航角速度到達(dá)也 則循環(huán)結(jié)束，并轉(zhuǎn)至步驟42); 411) 衛(wèi)星相對(duì)福射定標(biāo)成像的起始時(shí)刻h記為0, h時(shí)刻對(duì)應(yīng)的焦平面坐標(biāo)系稱為 原焦平面坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)為P〇, h時(shí)刻對(duì)應(yīng)的地理坐標(biāo)系稱為原地理坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)為 G〇 ; 412) 原焦平面坐標(biāo)系以線性CCD的像元尺寸de作為步長(zhǎng)沿著衛(wèi)星飛行方向進(jìn)行平移， 同時(shí)原焦平面坐標(biāo)系繞著坐標(biāo)原點(diǎn)P〇以偏航角速度承進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過時(shí)間h = niXte后， 原焦平面坐標(biāo)系的原點(diǎn)P〇運(yùn)動(dòng)到新焦平面坐標(biāo)系Pc/ -P/ P，P，的原點(diǎn)Pc/ ;其中 為曝光時(shí)間，ηι為原焦平面坐標(biāo)系移動(dòng)的像元個(gè)數(shù)；計(jì)算獲得P(/在原焦平面坐標(biāo)系中的 坐標(biāo)（Ρκ/，Ρ'，〇)，其中
根據(jù)公式（1)，計(jì)算獲得新坐標(biāo)原點(diǎn)Pc/在原地理坐標(biāo)系心-匕匕心中的地理坐標(biāo)，記為 G/ (g1C/，g20'，〇); 413) 設(shè)、時(shí)刻原焦平面坐標(biāo)系中的某點(diǎn)B與h時(shí)刻新焦平面坐標(biāo)系中的某點(diǎn)A' 指向地面同一個(gè)區(qū)域，根據(jù)步驟1)建立的多片線陣CCD擬合后的成像曲線方程，設(shè)定 8點(diǎn)在原焦平面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)表示為&(?_?^0)，根據(jù)公式（1)計(jì)算獲得8點(diǎn)在原 地理坐標(biāo)系Q-GAQ中對(duì)應(yīng)的地理坐標(biāo)為G B(g1B，g2B，0);設(shè)定A'點(diǎn)在新焦平面坐標(biāo)系 p。' -p/ V P3'中的坐標(biāo)表示為PA, _n?(P1A, _P2A,，，〇)，經(jīng)過時(shí)間L之后，A' 點(diǎn)與B點(diǎn)的關(guān)系表示為p2A, _η" = (p2B-p2C/ /cos^)，其中p1A, _nOT由步驟1)建立的多 片線陣CCD擬合后的成像曲線方程計(jì)算得到；根據(jù)公式（1)計(jì)算A'點(diǎn)在新地理坐標(biāo)系 G。' -G/ G2' G3'中對(duì)應(yīng)的地理坐標(biāo)表示為 GA, _new(g1A, __g2A, 414) 將V點(diǎn)與B點(diǎn)的地理坐標(biāo)統(tǒng)一到原地理坐標(biāo)系中，則F點(diǎn)與B點(diǎn)在原地理坐 標(biāo)系中的偏移量 Δχ = g1A，_mw+g1(/ -g1B、Ay = g2A，_mw+g2(/ -g2B，計(jì)算獲得平方和 Δ s = Δ χ2+ Δ y2 ； 42)遍歷步驟41)中獲得的所有平方和，并取平方和最小值對(duì)應(yīng)的偏航角速度作為衛(wèi) 星偏航角速度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多片線陣CCD相機(jī)的相對(duì)輻射定標(biāo)方法，其特征在于： 所述步驟1)中預(yù)設(shè)的傾斜角度小于等于3°。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK104298887SQ201410559414
【公開日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年10月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月20日
【發(fā)明者】李海超, 滿益云 申請(qǐng)人:中國(guó)空間技術(shù)研究院