专利名称：消除45度扫描镜引起的像旋转的方法
技术领域：
本发明涉及一种消除45度扫描镜引起的像旋转的方法，具体地说，是涉及一种消除在多元探测器的并行扫描过程中，光学遥感仪器因采用45度旋转扫描镜而引起的像旋转的方法。
背景技术：
光学遥感仪器研制和使用是为了实现遥感数据的定量化应用，而定量化应用的前提是仪器本身所必需据有的较高的辐射定标精度。根据人们长期来对多种光学遥感仪器的在轨观测，发现遥感仪器的在轨性能是逐步衰减的，而且这种衰减是不可避免的。而在靠近紫外的短波区域，这种衰减甚至可以高达25％。在这种情况下，如果还是使用发射前的辐射定标系数来反演地物目标相应的辐射，显然无法保证定标精度。因为，一方面不可能在很短的时间内发射多颗卫星；另一方面目前所研制的遥感仪器的使用寿命正越来越长，因此任何一种遥感仪器必然要经过一个长期使用的过程，为了观测遥感仪器在轨期间的性能衰减状况，以便及时的校正遥感仪器的辐射定标系数，必须发展星上辐射定标系统。而对于双面旋转扫描镜，其成像视场只有180度，而地物成像却对应了大部分视场，因此没有位置用以安装星上定标系统，并且也“看不见”冷空间。CCD推扫式成像系统，则必须通过转向镜才能看见定标系统，精确度不高。而采用45度旋转扫描镜能够看见360度范围内所有的目标，所以可非常方便地用于安装星上辐射定标系统中。为了提高遥感仪器的辐射探测灵敏度，经常采用的一种方法是延长驻留时间，而采用多元探测器并行扫描则是一种常见的延长驻留时间的手段。对于应用多元探测器并行扫描的成像方式，45度旋转扫描镜的像旋转就在图像中表现得非常明显。根据45度镜的成像过程，在光路中可以通过引入K镜用以消旋，这已在COCTS(海洋水色水温扫描仪)的下传数据中得到验证。但K镜消除像旋转有一个比较大的缺点是遥感仪器的光路比较长，并且在光路中多了一个运动部件，可能降低星上环境下运行的仪器可靠性；此外，还多了三个光学反射面，不仅降低了光学效率，还增大了仪器的偏振度。
发明内容
从上如述，如何克服已有采用K镜消除45度扫描镜像旋存在的光路长、可靠性降低，以及降低光学效率和增大仪器的偏振度的缺点，特别是发生K镜停转时带来的像消旋的麻烦，乃是本发明所要解决的技术问题，因此，本发明的目的在于提供一种消除45度扫描镜引起的像旋转的方法，以达到消旋，且能相对缩小遥感仪器的光路，并提高星上环境下运行的仪器可靠性，还减少三个光学反射面，在减少仪器偏振响应度的同时，提高仪器的光学转换效率。
本发明的技术方案是提供一种消除45度扫描镜引起的像旋转的方法，其适用于K镜发生故障时对图像的消旋，至少包含下列步骤对计算机输入像旋转图像；K镜角度的获取并输入该计算机中；计算机进行成像关系计算；从最基本的反射定律推导出整个光学遥感仪器的成像过程；获得像旋转图像坐标和消旋图像坐标之间的映射关系；利用上述坐标映射关系和消旋算法对整幅图像进行消旋；消旋图像输出；将上述消旋的图像作为输入，回到步骤A，循环执行；步骤A中，所述的输入像旋转图像是输入一下传的图像数据；步骤B中，所述K镜角度的获取包含下列步骤B1.对相邻的两行图像数据表示为第一行x[i] 第二行y[i]
以下列两种表达式来表示连续性a＝∑(x[i]-y[i])*(x[i]-y[i])，b＝∑(x[i]*y[i]-(x[i]-y[i])*(x[i]-y[i]))，B2.通过一定的计算样本使上述a表达式达到最小值，使上述b表达式达到最大值；B3.对B2所获的数据进行统计特性分析，确定K镜的角度；步骤B2中，所述的计算样本的选取方式是选择5个区间(1~64)，(1~300)，(1~1024)，(725~1024)和(961~1024)；每个区间算8组数据，这样通过表达式a、b的计算，总共可以有5*8*2＝80个K镜角度，进行步骤B3的统计特性分析。
步骤C中，成像关系计算的公式为X＝Fysin(θs-2θk)+Fzcos(θs-2θk)，Y＝Fxsin(θs)+[Fycos(θs-2θk)-Fz sin(θs-2θk)]cos(θs)，Z＝-Fxcos(θs)+[Fycos(θs-2θk)-Fz sin(θs-2θk)]sin(θs)，其中，θs为45度镜的旋转角度，θk为K镜的旋转角度，X坐标为飞行方向坐标分量，Y为扫描方向坐标分量，Z为卫星高度维坐标，Fx为有K镜时探测器在光轴方向的像方坐标，Fy为有K镜时探测器在横向的像方坐标，Fz为有K镜时探测器在纵向的像方坐标。
步骤D中，所述的推导出整个光学遥感仪器的成像过程的成像公式是X＝Fz，Y＝Fxsin(θs)+Fycos(θs)，Z＝-Fxcos(θs)+Fysin(θs)，步骤E中，所述的获得像旋转图像坐标和消旋图像坐标之间的映射关系的计算公式是dx＝Fz-Fzcos(θs-2θk)-Fysin(θs-2θk)，dy＝cos(θs)*[Fy-Fycos(θs-2θk)-Fzsin(θs-2θk)]，其中，dx和dy表示像旋和消旋两者存在差别的坐标增量。
根据本发明一个总的构思，本发明还提供了一种消除45度扫描镜引起的像旋转的方法，其适用于在没有K镜时对图像的消旋，至少包含下列步骤S1.对计算机输入像旋转图像；S2.计算机进行成像关系计算；S3.从最基本的反射定律推导出整个光学遥感仪器的成像过程；S4.获得像旋转图像坐标和消旋图像坐标之间的映射关系；S5.利用上述坐标映射关系和消旋算法对整幅图像进行消旋；S6.消旋图像输出；S7.将上述消旋的图像作为输入，回到步骤S1，循环执行。
步骤S1中，所述的对计算机输入像旋转图像包括下传图像数据或输入一帧图像数据。
步骤S2中，计算机进行成像关系计算的公式是X＝Bysin(θs)-Bzcos(θs)，Y＝(Bycos(θs)+Bzsin(θs))cos(θs)+Bxsin(θs)，Z＝(Bycos(θs)+Bzsin(θs))sin(θs)-Bxcos(θs)，其中θs为45度镜的旋转角度，X坐标为飞行方向坐标分量，Y为扫描方向坐标分量，Z为卫星高度维坐标，Bx为没有K镜时探测器在光轴方向的像方坐标，By为没有K镜时探测器在横向的像方坐标，Bz为没有K镜时探测器在纵向的像方坐标。
步骤S3中，所述的从最基本的反射定律推导出整个光学遥感仪器的成像过程的成像公式是
X＝Bz，Y＝Bxsin(θs)+Bycos(θs)，Z＝-Bxcos(θs)+Bysin(θs)，步骤S4中，获得像旋转图像坐标和消旋图像坐标之间的映射关系的成像公式是dx＝Bz-Bzcos(θs)-Bysin(θs)，dy＝cos(θs)*[By-Bycos(θs)-Bzsin(θs)]，其中，dx和dy表示像旋和消旋两者存在差别的坐标增量。
利用本发明实现图像旋转的消除具有以下优点达到消旋的目的，且相对缩短了光路，同时减少了一个星上环境下使用的运动部件，提高星上环境下运行的仪器可靠性；还减少了三个光学反射面，在减少仪器偏振响应度的同时，提高仪器的光学转换效率，从而可以提高仪器的探测灵敏度；降低了仪器各方面的研制成本。
特别是，对于在K镜的情况，能有效地解决图K镜停转而引起消除像旋的麻烦。
图1为本发明在K镜发生故障时进行消旋的流程示意图。
图2为本发明在没有K镜时进行消旋的流程示意图。
图3为本发明的一个实施例中的像旋图像。
图4为本发明对应于图3实施例中的消旋图像。
图5为本发明对应于图3实施例中的无像旋图像。
具体实施例方式以下根据图1和图2，说明本发明的较佳实施方式。
如图1所示，当本发明由于在K镜发生故障时的消旋处理时，首先，向计算机通过下传的方式输入像旋转图像数据(步骤11)，然后，K镜角度获取并输入该计算机中(步骤12)，计算机进行成像关系计算(步骤13)，从最基本的反射定律推导出整个光学遥感仪器的成像过程(步骤14)，获得像旋转图像坐标和消旋图像坐标之间的映射关系(步骤15)，利用该坐标映射关系并输入消旋算法(步骤16)对整幅图像进行消旋(步骤16)，并最终输出消旋图像(步骤17)，将上述消旋的图像作为输入，回到步骤11，循环执行。
步骤12中，应依据图像固有的连续性特征和图像的辐射数据分布特征，在整个K镜可能的角度范围内进行消旋，寻找最可能的、最佳的角度作为K镜角度的输出。而图像连续性的具体表现有两点；如果相邻两行图像数据可表示为第一行x[i] 第二行y[i]，其中i为探测器序号。
则连续性可以用以下两种表达式来表示a＝∑(x[i]-y[i])*(x[i]-u[i])b＝∑(x[i]*y[i]-(x[i]-y[i])*(x[i]-y[i]))由于像的旋转使得像的连续性遭到破坏，但可以肯定一点，当消旋效果最好时，上述表达式中a达到最小值，而b达到最大值。具体计算样本的选取如下式表示
根据上述表格，将图像进行消旋。
消旋过程阐述如下像旋图像数据作为输入，由像旋图像、像旋坐标和消旋坐标及数学上两维线性插值就可以获得消旋之后的图像。
得到的结果如下对应的图像依次为像旋图像(如图3)、消旋图像(如图4)和无像旋图像(如图5)。
从图像可以看出，消旋效果还是相当好的。
可选择5个区间(1～64)，(1～300)，(1～1024)，(725～1024)和(961～1024)；每个区间算8组数据，这样通过表达式a、b的计算，可以算出2个K镜角度，总共可以有5*8*2＝80个K镜角度，进行统计特性分析，确定K镜的角度。
步骤13中计算机进行成像关系计算的公式为X＝Fysin(θs-2θk)+Fzcos(θs-2θk)Y＝Fxsin(θs)+[Fycos(θs-2θk)-Fzsin(θs-2θk)]cos(θs)Z＝-Fxcos(θs)+[Fycos(θs-2θk)-Fzsin(θs-2θk)]sin(θs)其中，θs为45度镜的旋转角度，θk为K镜的旋转角度，X坐标为飞行方向坐标分量，Y为扫描方向坐标分量，Z为卫星高度维坐标，Fx为有K镜时探测器在光轴方向的像方坐标，Fy为有K镜时探测器在横向的像方坐标，Fz为有K镜时探测器在纵向的像方坐标。
步骤14中，推导出整个光学遥感仪器的成像过程的成像关系计算的公式为X＝Fz，Y＝Fxsin(θs)+Fycos(θs)，Z＝-Fxcos(θs)+Fysin(θs)，步骤15中，获得像旋转图像坐标和消旋图像坐标之间的映射关系的成像公式为dx＝Fz-Fzcos(θs-2θk)-Fysin(θs-2θk)，dy＝cos(θs)*[Fy-Fycos(θs-2θk)-Fzsin(θs-2θk)]，其中，dx和dy表示像旋和消旋两者存在差别的坐标增量。
如图2所示，为本发明在没有K镜时，用以消旋的流程示意图。
首先，向计算机输入一像旋转图像(步骤21)，这种输入可通过下传图像数据或输入一帧图像数据来完成，接着，计算机进行成像关系计算(步骤22)；并从最基本的反射定律推导出整个光学遥感仪器的成像过程(步骤23)；获得像旋转图像坐标和消旋图像坐标之间的映射关系(步骤24)；利用上述坐标映射关系并输入消旋算法(步骤27)对整幅图像进行消旋(步骤25)，消旋图像输出(步骤26)，将上述消旋的图像作为输入，回到步骤21，循环执行。
步骤22中，计算机进行成像关系计算的公式是X＝Bysin(θs)-Bzcos(θs)，Y＝(Bycos(θs)+Bzsin(θs))cos(θs)+Bxsin(θs)，Z＝(Bycos(θs)+Bzsin(θs))sin(θs)-Bxcos(θs)，其中θs为45度镜的旋转角度，X坐标为飞行方向坐标分量，Y为扫描方向坐标分量，Z为卫星高度维坐标，Bx为没有K镜时探测器在光轴方向的像方坐标，By为没有K镜时探测器在横向的像方坐标，Bz为没有K镜时探测器在纵向的像方坐标。
步骤23中，所述的从最基本的反射定律推导出整个光学遥感仪器的成像过程的成像公式是X＝Bz，Y＝Bxsin(θs)+Bycos(θs)，Z＝-Bxcos(θs)+Bysin(θs)，步骤24中，获得像旋转图像坐标和消旋图像坐标之间的映射关系的成像公式是dx＝Bz-Bzcos(θs)-Bysin(θs)，dy＝cos(θs)*[By-Bycos(θs)-Bzsin(θs)]，其中，dx和dy表示像旋和消旋两者存在差别的坐标增量。
由于在没有K镜的情况下，整个消旋方法表现得相对比较简单，主要就是计算消旋坐标和像旋坐标之间的映射关系，因此，可将步骤22～25固化在计算机的软件或硬件中，构成输入和输出之间的“黑匣子”，并最终实现消旋。
通过本发明，对COCTS(海洋水色水温扫描仪)下传的多达50幅的像旋转图像进行了消旋，完全达到了消旋的目的。对地面目标在用K镜消除像旋转获得的图像，和利用本发明，在K镜在某一个固定的位置获得的同一目标的像旋转图像进行消旋处理，两者在最终结果上完全吻合，充分验证了本发明的正确性。
权利要求
1.一种消除45度扫描镜引起的像旋转的方法，其适应于K镜发生故障时对图像的消旋，至少包含下列步骤A.对计算机输入像旋转图像；B.K镜角度的获取并输入该计算机中；C.计算机进行成像关系计算；D.从最基本的反射定律推导出整个光学遥感仪器的成像过程；E.获得像旋转图像坐标和消旋图像坐标之间的映射关系；F.利用上述坐标映射关系和消旋算法对整幅图像进行消旋；G.消旋图像输出；H.将上述消旋的图像作为输入，回到步骤A，循环执行。
2.如权利要求1所述的消除45度扫描镜引起的像旋转的方法，其特征在于，步骤A中，所述的输入像旋转图像是输入一下传的图像数据。
3.如权利要求1所述的消除45度扫描镜引起的像旋转的方法，其特征在于，步骤B中，所述K镜角度的获取包含下列步骤B1.对相邻的两行图像数据表示为第一行x[i] 第二行y[i]以下列两种表达式来表示连续性a＝∑(x[i]-y[i])*(x[i]-y[i])，b＝∑(x[i]*y[i]-([i]-y[i])*(x[i]-y[i]))，B2.通过选取一定的计算样本使上述表达式a达到最小值，使上述表达式b达到最大值；B3.对B2所获的数据进行统计特性分析，确定K镜的角度；
4.如权利要求3所述的消除45度扫描镜引起的像旋转的方法，其特征在于，步骤B2中，所述的计算样本的选取方式是选择5个区间(1～64)，(1～300)，(1-1024)，(725～1024)和(961～1024)；每个区间算8组数据，这样通过表达式a、b的计算，总共可以有5*8*2＝80个K镜角度，进行步骤B3的统计特性分析。
5.如权利要求4所述的消除45度扫描镜引起的像旋转的方法，其特征在于，步骤C中，成像关系计算的公式为X＝Fysin(θs-2θk)+Fzcos(θs-2θk)，Y＝Fxsin(θs)+[Fycos(θs-2θk)-Fzsin(θs-2θk)]cos(θs)，Z＝-Fxcos(θs)+[Fycos(θs-2θk)-Fzsin(θs-2θk)]sin(θs)，其中θs为45度镜的旋转角度，θk为K镜的旋转角度，X坐标为飞行方向坐标分量，Y为扫描方向坐标分量，Z为卫星高度维坐标，Fx为有K镜时探测器在光轴方向的像方坐标，Fy为有K镜时探测器在横向的像方坐标，Fz为有K镜时探测器在纵向的像方坐标。
6.如权利要求5所述的消除45度扫描镜引起的像旋转的方法，其特征在于，步骤D中，所述的推导出整个光学遥感仪器的成像过程的成像公式是X＝Fz，Y＝Fxsin(θs)+Fycos(θs)，Z＝-Fxcos(θs)+Fysin(θs)，
7.如权利要求6所述的消除45度扫描镜引起的像旋转的方法，其特征在于，步骤E中，所述的获得像旋转图像坐标和消旋图像坐标之间的映射关系的计算公式是dx＝Fz-Fzcos(θs-2θk)-Fysin(θs-2θk)，dy＝cos(θs)*[Fy-Fycos(θs-2θk)-Fzsin(θs-2θk)，其中dx和dy表示像旋和消旋两者存在差别的坐标增量。
8.一种消除45度扫描镜引起的像旋转的方法，其适用于在没有K镜时对图像的消旋，至少包含下列步骤S1.对计算机输入像旋转图像；S2.计算机进行成像关系计算；S3.从最基本的反射定律推导出整个光学遥感仪器的成像过程；S4.获得像旋转图像坐标和消旋图像坐标之间的映射关系；S5.利用上述坐标映射关系和消旋算法对整幅图像进行消旋；S6.消旋图像输出；S7.将上述消旋的图像作为输入，回到步骤S1，循环执行。
9.如权利要求8所述的消除45度扫描镜引起的像旋转的方法，其特征在于，步骤S1中，所述的对计算机输入像旋转图像包括下传图像数据或输入一帧图像数据。
10.如权利要求8所述的消除45度扫描镜引起的像旋转的方法，其特征在于，步骤S2中，计算机进行成像关系计算的公式是X＝Bysin(θs)-Bzcos(θs)，Y＝(Bycos(θs)+Bzsin(θs))cos(θs)+Bxsin(θs)，Z＝(Bycos(θs)+Bzsin(θs))sin(θs)-Bxcos(θs)，其中θs为45度镜的旋转角度，X坐标为飞行方向坐标分量，Y为扫描方向坐标分量，Z为卫星高度维坐标，Bx为没有K镜时探测器在光轴方向的像方坐标，By为没有K镜时探测器在横向的像方坐标，Bz为没有K镜时探测器在纵向的像方坐标。
11.如权利要求10所述的消除45度扫描镜引起的像旋转的方法，其特征在于，步骤S3中，所述的从最基本的反射定律推导出整个光学遥感仪器的成像过程的成像公式是X＝Bz，Y＝Bxsin(θs)+Bycos(θs)，Z＝-Bxcos(θs)+Bysin(θs)，
12.如权利要求10所述的消除45度扫描镜引起的像旋转的方法，其特征在于，步骤S4中，获得像旋转图像坐标和消旋图像坐标之间的映射关系的成像公式是dx＝Bz-Bzcos(θs)-Bysin(θs)，dy＝cos(θs)*[By-Bycos(θs)-Bzsin(θs)]，其中dx和dy表示像旋和消旋两者存在差别的坐标增量。
全文摘要
本发明公开了一种消除45度扫描镜引起的像旋转的方法，其适用于K镜发生故障时和没有K镜时对图像的消旋，至少包含下列步骤对计算机输入像旋转图像；计算机进行成像关系计算；从最基本的反射定律推导出整个光学遥感仪器的成像过程；获得像旋转图像坐标和消旋图像坐标之间的映射关系；利用上述坐标映射关系和消旋算法对整幅图像进行消旋；消旋图像输出；将上述消旋的图像作为输入，循环执行；在K镜发生故障时，还包括K镜角度的获取并输入该计算机中的步骤。本发明达到消旋的目的，能相对缩小遥感仪器的光路，并提高星上环境下运行的仪器可靠性，还减少了三个光学反射面，在减少仪器偏振响应度的同时，提高仪器的光学转换效率。
文档编号G02B26/10GK1426022SQ0215940
公开日2003年6月25日 申请日期2002年12月31日 优先权日2002年12月31日
发明者黄小仙, 孙德新, 冯旗, 张锷 申请人:中国科学院上海技术物理研究所