可自穩及自校正運動畸變的ccd測繪相機的製作方法

2023-06-05 21:59:21 2

專利名稱：可自穩及自校正運動畸變的ccd測繪相機的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種CCD測繪相機，尤其涉及一種可自穩及自校正運動畸變 的CCD測繪相機。
背景技術：
CCD測繪相機現已廣泛應用於航天航空領域，它以衛星為平臺，對地球表面 進行攝影，獲取影像信息，經攝影測量處理，精確測定地球表面的地貌、地物 (目標)的形狀、大小和空間位置。CCD傳輸型測繪相機的圖像產品可用在軍事 偵察、農業、環境監測、地圖測繪、城市與區域規劃、油氣開發、通信、防災、 汽車導航和房地產銷售等眾多領域。空間測繪和攝影由於不受地域和國界的限 制，具有非常顯著的軍事意義。航天測繪相機提供的地圖測繪數據與目標情報 數據，都是軍隊戰鬥力的重要保障條件。
CCD傳輸型測繪相機在國際上是20世紀80年代發展起來的。隨著光電子元件 技術的飛躍發展，以線陣CCD器件為探測器的傳輸型衛星成為當前發展的重點方 向。眾所周知，衛星不規則運動之一是姿態慢速擺動。CCD測繪相機對衛星姿態 的穩定度具有很高要求，尤其是在高解析度CCD測繪相機中，因像元尺寸減小、 焦距加長，對衛星姿態的穩定度要求更加苛刻。傳統的CCD測繪相機自身都不具 備"自穩及自校正"因衛星姿態擺動造成的圖象畸變功能，對於地元解析度要 求不高的圖像影響不是很大，但要獲得高的地元解析度圖像則具有很大局限性。 因此，需要設計衛星的精密定姿裝備。現在，主要應用星敏感器定姿和INS測量 姿態技術，但它們也有明顯的缺點。星敏感器定姿會造成額外的系統誤差，主 要表現在①星敏感器的測量誤差。②星敏感器的安裝誤差，該誤差為系統 誤差。③軌道參數誤差。同時還具有結構複雜、成本高、要防止太陽幹擾、星 識別複雜、確定初始姿態，需要第二姿態確定系統的缺點。而INS測量姿態技術 的缺點為陀螺易於漂移、有高速旋轉部件、易磨損、功率大、質量大。
傳輸型測繪相機通常使用線陣CCD器件作為成像器件，按照CCD組合方式的
3不同和攝影測量原理的不同，大致可以分為三種類型
第一種是單線陣CCD航天攝影測量相機。這種相機主要通過衛星或相機的前 後或左右側擺形成傾斜攝影，獲得立體影像實現測繪的目的。
第二種是雙線陣CCD攝影測量相機，由安裝在航天飛行器內的兩個具有一定
交會角的線陣CCD構成。這種相機80年代初由美國提出，是將兩臺CCD相機以一 定交會角安裝，這樣無需側擺就能夠獲得立體像對。但這種方案對衛星姿態穩 定度要求太高(10_6 ° /S)，因此至今也沒有實施。
第三種是三線陣CCD相機。這種相機安裝有一定交會角的前視、後視和正視 三個線陣CCD，相機沿衛星飛行方向安裝。這種相機能夠從攝影圖像中重構外方 位元素，而且對衛星姿態穩定度的要求比雙線陣CCD相機要低，是當前傳輸型測 繪相機的重點發展方向。
然而，雖然第一類和第三類對衛星姿態穩定度的要求沒有第二類高，但是 衛星姿態穩定度對CCD測繪相機的成像質量還是有很大影響，衛星的抖動不可避 免的會導致圖像的扭曲。在國內現有的衛星平臺基礎上，對1X10—4° /s的穩定 性指標仍然有一定難度。因此為解決此矛盾，還必須採取新的方法。
實用新型內容
為了解決背景技術中存在的上述技術問題，本實用新型提供了一種可實現 高精度檢測、可恢復扭曲圖像、可對圖像可進行校正、結構簡單以及成本低的 可自穩及自校正運動畸變的CCD測繪相機。
本實用新型的技術解決方案是本實用新型提供了一種可自穩及自校正運
動畸變的CCD測繪相機，包括CCD測繪相機，CCD測繪相機的焦面組件是由相鄰兩 片CCD視場拼接而成，其特殊之處在於所述拼接點重疊的像元數是20 1000。 上述相鄰兩個CCD測繪相機的間隔是30 50mm。
上述相鄰兩個CCD測繪相機在拼接時，垂直線陣方向位置偏差應小於l/5像 元，沿線陣方向重疊偏差應小於l/5像元，共面誤差應小於10戶。 本實用新型的優點是
1、可實現高精度檢測和可恢復扭曲圖像。本實用新型由於對CCD相機焦面 組件採用了特殊的CCD視場拼接方式，並通過"偽逆"算法進行推算，可以很好的分析並得到與像元解析度同步實現衛星姿態(慢速擺動，或叫顫振)的高精 度檢測和圖像扭曲恢復，在同等條件下，對於一個角解析度為0.5角秒的系統來
說，其檢測精度可以達到0.05角秒。
2、 對圖像可進行校正。本實用新型在CCD相機焦面組件設計採用了特殊的 CCD視場拼接方式，增加了拼接點的重疊區域，利用重疊區域不同時刻對同一目 標照相，可以高精度地實現像旋的檢測，同時可設置多個搭接點來提高像旋檢 測的精度，從而對像旋進行校正。
3、 結構簡單，成本低。本實用新型在沒有附加任何其它硬體設備的條件下， 從而不會增加相機焦面組件體積和複雜度，更不會增加額外的系統誤差，且對 相機的製造技術要求不會造成困難。


圖l為本實用新型的結構示意圖2為本實用新型的衛星姿態與像移關係圖。
具體實施方式

參見圖l，本實用新型提供了一種可自穩及自校正運動畸變的CCD測繪相機， 該CCD測繪相機採用了獨特的CCD焦面結構，CCD在進行視場拼接時特意增加了拼 接點的重疊區域，其拼接點重疊的像元數為20 1000。所有CCD在拼接時其空間 位置具有很多的組合方式，凡是在相機推掃方向上相鄰兩CCD滿足本實用新型的 拼接方式的任何空間結構均可實現相機的自穩及自校正功能。實際設計時可根 據相機的用途來確定。
本實用新型與傳統的CCD相機相比，在CCD焦面設計時使用了多片CCD視場拼 接的方式，且相鄰兩片CCD在拼接時特意增加了拼接點的重疊區域，其拼接點重 疊的像元數為20 1000。
相鄰兩片CCD l在拼接時，垂直線陣方向位置偏差應小於l/5像元，沿線陣 方向重疊偏差應小於l/5像元，共面誤差應小於10戸。
圖1隻是CCD空間結構組合的一種形式。CCD的片數大於等於3片。圖中N表示 單片CCD l像元個數，p (20 1000)表示搭接點重疊區域CCD l像元數。利用p 個像元的重疊區域圖像，可以將前後兩排CCD l的由於衛星平臺漂移導致的圖像相對位置錯動進行精確測量。
當然，本實用新型所提供的可自穩及自校正運動畸變的CCD l測繪系統不僅 可以滿足普通的線陣CCD器件，而且還能滿足TDICCD器件；傳統地，CCD l的視 場拼接是在儘量利用CCD的使用率的原則下拼接的，CCD 1的搭接點上重疊的CCD l像元儘可能的少，只能滿足CCD l相機的正常功能。而本實用新型採取了使用 多條線陣CCD l視場拼接的方法，在CCD l拼接時，特意增加了搭接點的重疊區 域，其實質是利用多個CCD拼接點前後兩片CCD l重疊區域在不同時刻對同一目 標成像後形成關聯結算相機的實時姿態參量。
每兩片CCD l在拼接時必須嚴格滿足垂直線陣方向位置偏差應小於l/5像元， 沿線陣方向重疊偏差應小於l/5像元，共面誤差應小於10，的技術要求；搭接 點重疊像元數應在20 1000範圍內，小於20則獲取的數據量不能滿足要求，大 於1000則會造成資源的浪費；片間間隔應在30 50mm範圍內。
參見圖2，圖中m(t)表示衛星姿態擺動曲線，d(t)為同一景物在t與(f-A^ 時刻的位置位移量。位移量在整個CCD拼接面表面上為同一矢量，共3個自由度， 圖像平移兩個自由度，扭曲一個自由度。利用搭接點進行穩定度數據的測量， 可以對CCD的內部拼接穩定度進行長期監控，使得大量CCD的拼接穩定性修正成 為可能。
由於器件的外形尺寸的限制，兩排CCD在推掃方向上相差一定距離，因此前 後排CCD重疊部分看到同一地面景物的時間相差Af 。因此有如下分析
其中d (t)為同一景物在t與(^一A^時刻的位置位移量。
在"的時間間隔中，相機可以釆集近q (q是一個足夠大的數，在重疊20 個像元，CCD片間間隔為30mm時，q大約為3000)個像元相對位移的數據。因 此有
由式(1)、 (2)得
6formula see original document page 7(3)
顯然，式(3)為一個關於x的非齊次線性方程組，且是一次方程組。在Matlab 中可以利用奇異值分解(SVD)和偽逆算法對方程組(3)進行求解，且可以保 證x的穩定性。這樣，通過測量q個相對位移量"(O可以對衛星的漂移曲線W(O 進行估計，相應的在圖像處理中作出修正，根據計算機模擬的結果，從而實現 對衛星漂移量的校正。實驗室中，利用普通線陣CCD和TDICCD器件進行了驗證， 該方法可大幅改善推掃圖像成像穩定性，因此大大放寬了對衛星平臺穩定性的 要求。
權利要求1、一種可自穩及自校正運動畸變的CCD測繪相機，包括CCD測繪相機，CCD測繪相機的焦面組件是由相鄰兩片CCD視場拼接而成，其特徵在於所述拼接點重疊的像元數是20～1000。
2、 根據權利要求1所述的可自穩及自校正運動畸變的CCD測繪相機，其特徵 之處在於所述相鄰兩個CCD測繪相機的間隔是30 50mm。
3、 根據權利要求1或2所述的可自穩及自校正運動畸變的CCD測繪相機，其 特徵之處在於所述相鄰兩個CCD測繪相機在拼接時，垂直線陣方向位置偏差應 小於l/5像元，沿線陣方向重疊偏差應小於l/5像元，共面誤差應小於10，。
專利摘要本實用新型涉及一種可自穩及自校正運動畸變的CCD測繪相機，包括CCD測繪相機，CCD測繪相機的焦面組件是由相鄰兩片CCD視場拼接而成，拼接點重疊的像元數是20～1000。本實用新型提供了一種可實現高精度檢測、可恢復扭曲圖像、可對圖像可進行校正、結構簡單以及成本低的可自穩及自校正運動畸變的CCD測繪相機。
文檔編號G01C11/00GK201348505SQ200920031639
公開日2009年11月18日 申請日期2009年1月8日 優先權日2009年1月8日
發明者勇 方, 李英才, 喆 白, 臻 馬 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所