大视场反射式自由曲面空间相机畸变标定方法
【专利摘要】大视场反射式自由曲面空间相机的畸变标定方法属于光学检测与光学测量【技术领域】，该方法利用三台经纬仪建立测量坐标系，通过基准转换标定出光学系统全视场内各计量标记点的方位角、俯仰角，再通过数据拟合方法实现视场角为76度的反射式自由曲面光学系统在分散装调状态下二维畸变分布的标定。本发明实现了复杂光学系统散摆条件下的保精度畸变测量，降低了研制成本，缩短了研制周期；经试验结果验证上述测量及数据解算方法的精度与准确性均满足研制需求。
【专利说明】大视场反射式自由曲面空间相机畸变标定方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学检测与光学测量【技术领域】，具体涉及一种大视场反射式自由曲面 空间相机的畸变标定方法。
【背景技术】
[0002] 用于地面农作物普查的空间遥感器需要具备较大的视场角，才可以实现卫星一次 过顶对应的地面刈副宽度满足农作物长势等观测数据量需求。为此，遥感器的主要光学载 荷--甚宽覆盖多光谱空间相机（以下简称空间相机）采用多个反射式自由曲面光学元件 构成光学系统，可以达到76°的视场角，但由此引起的畸变在成像方向上高达10% (理论 值）。上述畸变会引起图像失真与扭曲，造成视场中央与视场边缘推扫速度产生差异，并且 导致遥感器成像过程中各视场的相移补偿存在误差，进而引起图像分辨率下降以及光谱通 道配准误差。可以说，对于推扫成像的多光谱空间相机，较大的畸变会引起主要光学指标的 全面下降。为此需要在空间相机装调过程中对全视场畸变进行精密标定，拟合出像面各点 的畸变分布，为进一步精密装调及畸变矫正提供必要的测量数据。
[0003] 目前，实验室内常用的畸变标定方法包括精密测角法、三维空间试验场标定法、基 于径向约束的两步标定法、同一标定物多角度成像法、基于光学衍射元件的标定方法及自 标定方法等。现有方法在进行大视场多光谱反射式自由曲面光学系统装调过程中畸变标定 时存在的不足与缺点如下：
[0004] (1)多光谱相机采用推扫成像方式，而三维空间试验场标定法、基于径向约束的两 步标定法（RAC)、同一标定物多角度成像法等只适用于面阵探测器凝视成像系统的畸变标 定，因此难以应用于推扫成像系统装调阶段的畸变标定。
[0005] (2)基于光学衍射元件的标定方法需要口径覆盖待测光学系统的大尺寸衍射光学 元件以提供不同角度的入射光线，而待测系统有效口径超过750_，目前难以加工出适合的 衍射元件。
[0006] (3)常规精密测角标定方法使用转台、平行光管及标准标定物实现畸变精密测量， 但对于76°视场的空间相机，需要研制口径超过1500mm的平行光管才可以在转台旋转过 程中覆盖全部视场角，其研制成本与难度难以承受。
[0007] (4)精密测角法需要将光学系统放置在高精度转台上以提供标准角度，但高性能、 复杂光学系统集成装调过程是在光学平台上借助大量的辅助装调设备分散完成的，上述辅 助装调设备连同光学平台的尺寸与重量过大难以放置在转台上进行畸变标定。
[0008] (5)对于由反射式自由曲面光学兀件构成的成像系统，其畸变分布规律并不完全 符合最小二乘规律等现有的畸变拟合先验法则，难以采用目前的畸变拟合方法解算全视场 内各点的畸变值。
【发明内容】
[0009] 为了解决上述大视场多光谱空间相机在光学系统装调过程中难以进行畸变标定 的技术问题，本发明提出一种大视场反射式自由曲面空间相机畸变标定方法，其采用三台 经纬仪建立坐标系，通过基准转换的方法，在保证现有标定精度的基础上，实现自由曲面光 学系统装调过程中的畸变标定。此外该方法通过与光学设计仿真模拟的光束出射二维偏角 的逐点比对计算，结合多项式拟合算法，可计算畸变分布函数中多项式系数，最终得到光学 系统全视场各点的畸变值。通过应用该方法得到的畸变标定数据对图像进行矫正，验证了 该方法的有效性以及畸变标定精度。
[0010] 本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：
[0011] 大视场反射式自由曲面空间相机畸变标定方法，包括如下步骤：
[0012] 步骤一：调整网格分划板的位置，使其位于待测光学系统的焦平面内，且网格分划 板的法线方向与待测光学系统的光轴平行，网格分划板的网格线绝对水平；
[0013] 步骤二：将测量经纬仪调平，并校准其光学内调焦系统至无穷远的位置固定不 变；
[0014] 步骤三：调整第一基准经纬仪和第二基准经纬仪的位置，使测量经纬仪在可以照 准待测光学系统全部视场的前提下，仍然能够分别与第一基准经纬仪、第二基准经纬仪实 现互瞄；将第一基准经纬仪和第二基准经纬仪调平，分别校准无穷远位置，并在任意方向对 两个基准经纬仪的方位角清零；然后根据测量方向选取第一基准经纬仪或第二基准经纬仪 与测量经纬仪互瞄对方的自准直十字丝，并记录各基准经纬仪对应的方位角和俯仰角；
[0015] 步骤四：使用测量经纬仪逐一照准网格分划板上的各条网格线交汇点，并记录测 量经纬仪对应的方位角、俯仰角；
[0016] 步骤五：将测量经纬仪沿待测光学系统的线视场方向平移，每次平移后重新调平 测量经纬仪；平移到每个位置后，使用测量经纬仪依照步骤三中的方法再次与第一基准经 纬仪或第二基准经纬仪进行互瞄，可以得到转换坐标系的方位角ω'和俯仰角Θ ':
【权利要求】
1.大视场反射式自由曲面空间相机畸变标定方法，其特征在于，该方法包括如下步 骤： 步骤一：调整网格分划板（4)的位置，使其位于待测光学系统（7)的焦平面内，且网格 分划板（4)的法线方向与待测光学系统（7)的光轴平行，网格分划板（4)的网格线绝对水 平； 步骤二：将测量经纬仪（1)调平，并校准其光学内调焦系统至无穷远的位置固定不变； 步骤三：调整第一基准经纬仪（3)和第二基准经纬仪（6)的位置，使测量经纬仪（1)在 可以照准待测光学系统（7)全部视场的前提下，仍然能够分别与第一基准经纬仪（3)、第二 基准经纬仪（6)实现互瞄；将第一基准经纬仪（3)和第二基准经纬仪（6)调平，分别校准无 穷远位置，并在任意方向对两个基准经纬仪的方位角清零；然后根据测量方向选取第一基 准经纬仪（3)或第二基准经纬仪（6)与测量经纬仪（1)互瞄对方的自准直十字丝，并记录 各基准经纬仪对应的方位角和俯仰角； 步骤四：使用测量经纬仪（1)照准网格分划板（4)上的各条网格线的一系列交汇点 (8)，并记录测量经纬仪（1)对应的方位角、俯仰角； 步骤五：将测量经纬仪（1)沿待测光学系统（7)的线视场方向平移，每次平移后重新调 平测量经纬仪（1);平移到每个位置后，使用测量经纬仪（1)依照步骤三中的方法再次与第 一基准经纬仪（3)或第二基准经纬仪（6)进行互瞄，可以得到转换坐标系的方位角ω '和 俯仰角Θ ':
其中，α为在测量位置Ν进行第Ν次互瞄时，测量经纬仪（1)相对于网格分划板（4) 上最后一个网格线交汇点（8)与测量位置Ν之间的方位夹角为第二基准经纬仪（6)相 对于清零方向旋转的方位角；β为测量经纬仪（1)移至测量位置N+1并重新调平后，测量 经纬仪（1)对测量位置Ν最后一个网格线交汇点（8)的方位角与再次互瞄后的方位角的夹 角；Φ 2为第二基准经纬仪（6)与测量经纬仪（1)位于测量位置Ν+1再次互瞄后相对于清零 方向旋转的方位角；以及，Π i为测量经纬仪（1)在测量位置Ν对网格分划板（4)上最后一 个网格线交汇点（8)的俯仰角；η2为测量经纬仪（1)在测量位置N+1照准测量位置N最后 一个网格线交汇点（8)的俯仰角； 步骤六：根据步骤五的测量原理，将测量经纬仪（1)沿待测光学系统（7)的线视场方 向移动，顺次照准网格分划板（4)上各条网格线的一系列交汇点（8)，并记录测量经纬仪 (1)对应的方位角和俯仰角；在每次移动测量经纬仪（1)后，依照步骤五中的方法与第一基 准经纬仪（3)或第二基准经纬仪（6)建立位置转换基准，得到转换坐标系的俯仰角和方位 角； 步骤七：根据步骤六得到的测量数据，依据内方位元素计算公式，得到待测光学系统 (7)的主点坐标（X。，yQ)和主距（fx，fy)，过程如下： 步骤7.1、通过计量得到网格分划板（4)上各条网格线交汇点⑶对应的坐标为：
，其中（Xi，yk)表示第i行网格线与第k列网格线交汇点的 坐标的理论值； 步骤7. 2、采用步骤六中的标定方法，并结合步骤五中的各转换坐标系， 可测试并计算得到各网格线交汇点（8)对应出射光束的方位角和俯仰角为：
，其中（《ik，0ik)表示对应第i行与第k列网格线交 汇点出射光束的方位角、俯仰角； 步骤7. 3、将上述得到的方位角和俯仰角对应代入光学设计软件中，根据待测光学 系统（7)的光学设计结果计算得到对应| (c〇ik，Θ ik) |的一组网格线交汇点坐标计算值 (X/，yk' )1，即对应出射光束视场角的待测光学系统像面坐标的计算值，根据此计算值 可以拟合出其对应的坐标原点（xiC/，y k(/ ); 步骤7. 4、根据网格线交汇点理论坐标矩阵I (Xi，yk) I计算得到相应的坐标原点 (xiQ，yM)，计算实际坐标原点（Xk/，ykc/ )与理论坐标原点（xi(l，yk。）的差值即得到主点坐 标（Χ〇，％)，进而在光学设计软件中计算得到相应的主距（f x，fy); 步骤八：将步骤七计算得到的主点和主距，代入根据装调后光学系统实际光路关系建 立的光学仿真模型中，仿真计算出光学系统上各条网格线交汇点对应的出射光线的方位 角、俯仰角；再解算上述仿真数据与测量数据及畸变系数建立的超定方程组，可得到多项式 拟合的系数；将得到的系数代入畸变拟合计算公式中，计算待测光学系统（7)焦平面内任 意坐标位置的畸变值，过程如下： 步骤8. 1、待测光学系统（7)像面内任一点畸变的数学模型为：
式中，V k2、k3及Pl、p2为待估算的畸变系数，X、y为像面内任一点坐标，X。、y Q为主点 坐标； 步骤8. 2、根据步骤7. 1得到的网格线交汇点的有限个坐标（Xi，yk)以及步骤7. 4得到 的主点坐标和主距（fx，fy)，计算得到对应的有限个网格线交汇点的畸变值：
(4) 步骤8. 3、联立上述公式（3)和公式（4)建立超定方程组为： Οχ = Dix，Dy = Diy 求解上述超定方程组，计算得到畸变系数kp k2、k3及Pl和p2，再代入公式（3)可计算 出像面内任一点的畸变值。
2.如权利要求1所述的大视场反射式自由曲面空间相机畸变标定方法，其特征在于， 所述步骤一包括如下步骤： 步骤1.1、在测量经纬仪（1)的位置放置配有平面标准镜的光学干涉仪，使干涉仪、待 测光学系统（7)、网格分划板（4)构成准直干涉光路； 步骤1. 2、分别在待测光学系统（7)的+1视场、0视场、-1视场内，根据待测光学系统 (7)的波相差利用多维调整机构（5)调整网格分划板（4)的位置，直至上述各视场的平均波 相差最小，则此时网格分划板（4)位于待测光学系统（7)的焦平面内； 步骤1. 3、将测量经纬仪（1)放置在步骤1. 1所述的位置，并将其调平； 步骤1. 4、使用测量经纬仪（1)分别在待测光学系统（7)的+1视场、0视场、-1视场 内，分别照准网格分划板（4)的同一条横向网格线，利用多维调整机构（5)调整网格分划板 (4)的滚转角，直至测量经纬仪（1)在照准网格分划板（4)的同一条横向网格线时对应的俯 仰角一致，则表明网格分划板（4)对地调平，并且网格分划板（4)法线方向与待测光学系统 (7)的光轴平行，网格线绝对水平。
【文档编号】G01C25/00GK104215261SQ201410427349
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年8月26日 优先权日:2014年8月26日
【发明者】何煦, 张晓辉, 吴国栋, 曹智睿 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所