一种多片线阵ccd相机的相对辐射定标方法
【专利摘要】本发明涉及一种多片线阵CCD相机的相对辐射定标方法，包括以下步骤：建立遥感卫星倾斜布置的多片线阵CCD相机的焦平面坐标系与地理坐标系；根据地球半径以及卫星轨道高度、俯仰角与滚动角，计算成像时刻地理坐标系的坐标原点偏移星下点的地心角大小；建立从地理坐标系到焦平面坐标系的转换关系；在定标模式的成像过程中，依据转换关系计算卫星的偏航角速度，使得多片线阵CCD的所有像元对地面同一区域成像；利用直方图匹配方法建立直方图查找表。本发明建立在严密转换关系的基础之上，将倾斜布置的多片线阵CCD所有像元对同一区域成像，使得所有像元具有相同的输入。
【专利说明】一种多片线阵CCD相机的相对辐射定标方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种多片线阵CCD相机的相对辐射定标方法，属于遥感卫星定标技术 领域。
【背景技术】
[0002]目前，空间遥感CCD相机朝着更高分辨率、大幅宽等方向发展，从而保证更高的空 间分辨率和时间分辨率。在轨道高度一定的前提下，空间相机地面像元分辨率的提高导致 相机焦距的增长，而焦距的增长和视场角的增大导致需要采用多片线阵CCD拼接来组成较 大幅宽空间相机的焦平面。
[0003] 线阵CCD不同像元的光响应非一致性、读出电路自身及其与CCD耦合的非一致性、 不同通道放大电路的非一致性、光学系统的加工精度等原因，导致光学系统和CCD探测器 等响应的不一致性，直接表现为同样的辐射亮度输入对各个像元有着不一致性的输出灰度 值，从而造成获取的图像出现条带现象。同时，大视场相机焦面由多片线阵CCD拼接而成， 不同片CCD由于制造差异，响应度相差较大，导致不同片的图像存在较大的偏差。因此，有 必要对多片线阵CCD相机进行相对辐射定标。目前，为减小光学畸变、地球曲率的影响，将 多片线阵CCD阵列倾斜布置在焦平面上，用"弧线"形状代替常用的"直线"形状布置方式。 例如，法国Pleiades卫星的全色谱段探测器组件由5片线阵CCD组成，地面分辨率〇. 7m，为 减少光学畸变对TDI同步的影响，采取的措施是5片线阵CCD非共线布置，两两相邻两片之 间的倾斜角度为0.3°。
[0004] 目前常用的遥感卫星相对辐射定标方法中，实验室相对辐射定标获取的定标系 数，随着卫星发射之后遥感器性能的下降，辐射定标系数会失效；均匀地面场景法需要湖 泊、草原、冰川、人工均勻场地等定标场，寻找或建设难度大、成本高；大量卫星图像数据 的在轨统计是目前国内采用比较广的一种方法，积累多轨图像数据，但该方法的前提是确 保各轨图像数据的稳定性；国外应用广泛的Side-slither定标方法，将卫星偏航角旋转 90°，选择雨林、沙漠、冰盖等相对均匀的场景作为定标源，因此，对定标源的要求高，导致 对定标区域的选择受限。
【发明内容】
[0005]本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种多片线阵CCD相机的 相对辐射定标方法，建立从地理坐标系到焦平面坐标系的严密转换关系，针对多片线阵CCD 在焦平面上倾斜布置的特点、以及光学畸变与地球曲率的影响，建立多片线阵CCD拟合后 的成像曲线方程，在此基础之上精确计算偏航角速度，使得倾斜布置的多片线阵CCD所有 像元对同一区域成像，该方法无论对星下点成像还是非星下点成像都具备模型严密、求解 精度高等优点。
[0006] 本发明的技术方案是：一种多片线阵CCD相机的相对辐射定标方法，步骤如下：
[0007] 1)建立遥感卫星多片线阵(XD相机的焦平面坐标系Pq-PRPs及其对应的地理坐 标系Gq-G^Gs ;其中多片线阵CCD的相邻两片之间以预设的倾斜角度布置在焦平面上；其 中，PQ为焦平面坐标系的原点，位于多片线阵CCD的中点；Pi、P2、P 3三个坐标轴分别平行于 卫星本体坐标系的滚动轴、俯仰轴和偏航轴；G。为地理坐标系的坐标原点，且G。是 P〇点对应的地面点而轴过G。且平行于卫星飞行方向；G3轴指向天顶并过地球中心；g2轴 垂直于构成的平面且符合右手法则；
[000S]建立多片线阵CCD拟合后的成像曲线方程Pl = an | p21 η+￡νι | P21 …+ai | P21 +a。， 其中，（P" P2)表示多片线阵CCD在焦平面坐标系中的坐标，an，，…，ai, a。为方程系数，n 为方程次数，I · I表示取绝对值；
[0009] 2)建立从地理坐标系Gq-gas到焦平面坐标系PQ-P lP2P3的转换关系；
[0010] 21)卫星绕本体坐标系的滚动轴旋转滚动角φ之后，P。点对应的地面点从星下点 Κ。指向点心，则从星下点Κ。指向点&对应的地心角表示为Z ，其中，〇为地心；卫星再 绕本体坐标系的俯仰轴旋转俯仰角Θ之后，p。点对应的地面点从点&指向点G。，则从点& 指向点G。对应的地心角表示为Z &0G。；卫星最后绕本体坐标系的偏航轴旋转偏航角ψ之 后，P。点对应的地面点仍为G。；根据地球半径R、卫星轨道高度Η以及卫星的俯仰角Θ、滚 动角Φ，计算获得Ζ ΚαΟΙ^与Z &0G。；
【权利要求】
1. 一种多片线阵CCD相机的相对辐射定标方法，其特征在于步骤如下： 1) 建立遥感卫星多片线阵(XD相机的焦平面坐标系及其对应的地理坐标系 ;其中多片线阵C⑶的相邻两片之间以预设的倾斜角度布置在焦平面上；其中，匕 为焦平面坐标系的原点，位于多片线阵C⑶的中点；Pl、P2、P3三个坐标轴分别平行于卫星本 体坐标系的滚动轴、俯仰轴和偏航轴；Gc!为地理坐标系的坐标原点，且Gc!是P Q点 对应的地面点而轴过心且平行于卫星飞行方向；G3轴指向天顶并过地球中心；G2轴垂直 于hG 3构成的平面且符合右手法则； 建立多片线阵C⑶拟合后的成像曲线方程Pl = an| p21n+a^ | ρ2 |η_1+…+&11 p21 +aQ，其中， 化142)表示多片线阵^0在焦平面坐标系中的坐标，3"，&11_ 1，?，&1，&(|为方程系数，11为方 程次数，I · I表示取绝对值； 2) 建立从地理坐标系GcrGAh到焦平面坐标系PcrPRPs的转换关系； 21) 卫星绕本体坐标系的滚动轴旋转滚动角φ之后，Ρα点对应的地面点从星下点κ。指 向点Ki，则从星下点心指向点Ki对应的地心角表示为Z I^OKi，其中，0为地心；卫星再绕本 体坐标系的俯仰轴旋转俯仰角Θ之后，P。点对应的地面点从点Ki指向点G。，则从点Ki指向 点G。对应的地心角表示为ZKiOG^ ;卫星最后绕本体坐标系的偏航轴旋转偏航角Ψ之后，P。 点对应的地面点仍为& ;根据地球半径R、卫星轨道高度Η以及卫星的俯仰角Θ、滚动角φ， 计算获得Z 与2 I^OG。； 22) 从地理坐标系GctGAQ到焦平面坐标系PcrPRPs的转换关系表示为：
(1) 其中，为从地理坐标系GctGAQ到地固坐标系的转换矩阵，具体表示为：
其中h为地面点心的地形高度，Y(l为升交点与卫星之间的地心角，L为卫星轨道倾 角； M2为从地固坐标系O-E^Eg到惯性坐标系O-IJA的转换矩阵，具体表示为：
其中ψ = ψΗ+ψ?、θ = 0,+θ?、φ = φη+φ?; ψ。、θ0、φ。分别表示卫星的初始偏航角、 俯仰角与滚动角，ψ、§、（^分别表示卫星的偏航角速度、俯仰角速度、滚动角速度； Μ5为从本体坐标系到相机坐标系QrCAQ的转换矩阵，具体表示为：
其中f为相机的焦距； M6为从相机坐标系QrCAQ到焦平面坐标系的转换矩阵，具体表示为：
3) 根据步骤2)中建立的转换关系，计算获得焦平面坐标系的原点匕对应的 初始偏流角β ο ;将卫星偏航角旋转90° - β u后，进入相对福射定标模式； 4) 根据步骤1)建立的多片线阵CCD拟合后的成像曲线方程，在相对辐射定标模式的成 像过程中，根据步骤2)中建立的转换关系计算获得卫星偏航角速度；多片线阵CCD的所有 像元在该偏航角速度下对地面同一区域成像，获取图像数据； 5)根据步骤4)获取的图像数据，利用直方图匹配方法获得多片线阵CCD所有像元的直 方图查找表。
2. 根据权利要求1所述的一种多片线阵CCD相机的相对辐射定标方法，其特征在于： 所述步骤21)中根据地球半径R、卫星轨道高度Η以及卫星的俯仰角Θ、滚动角φ计算获得 Z KWKi与Z KiOG^的具体方法如下： 211) 卫星绕本体坐标系的滚动轴旋转滚动角Φ之后，计算获得从星下点&指向点&对 应的地心角ZKoOKfarcsin
212) 卫星绕本体坐标系的俯仰轴旋转俯仰角Θ之后，计算从点&指向点G。对应的地 心角(丨OG(1 =2'arcsin
L;其中
星轨道坐标系的原点。
3. 根据权利要求1所述的一种多片线阵CCD相机的相对辐射定标方法，其特征在于： 所述步骤4)中卫星偏航角速度获得的具体方法为： 41)卫星相对辐射定标模式下，设定偏航角速度冲的范围为队]，所述偏航角速度 也不超过卫星姿态机动能力范围；将偏航角速度中作为循环变量，以-％作为偏航角速度 的初始值，按照递进步长d中逐次递加，重复步骤411)至步骤414)，直到偏航角速度到达也 则循环结束，并转至步骤42); 411) 卫星相对福射定标成像的起始时刻h记为0, h时刻对应的焦平面坐标系称为 原焦平面坐标系，坐标原点为P〇, h时刻对应的地理坐标系称为原地理坐标系，坐标原点为 G〇 ; 412) 原焦平面坐标系以线性CCD的像元尺寸de作为步长沿着卫星飞行方向进行平移， 同时原焦平面坐标系绕着坐标原点P〇以偏航角速度承进行旋转，经过时间h = niXte后， 原焦平面坐标系的原点P〇运动到新焦平面坐标系Pc/ -P/ P，P，的原点Pc/ ;其中 为曝光时间，ηι为原焦平面坐标系移动的像元个数；计算获得P(/在原焦平面坐标系中的 坐标（Ρκ/，Ρ'，〇)，其中
根据公式（1)，计算获得新坐标原点Pc/在原地理坐标系心-匕匕心中的地理坐标，记为 G/ (g1C/，g20'，〇); 413) 设、时刻原焦平面坐标系中的某点B与h时刻新焦平面坐标系中的某点A' 指向地面同一个区域，根据步骤1)建立的多片线阵CCD拟合后的成像曲线方程，设定 8点在原焦平面坐标系中的坐标表示为&(?_?^0)，根据公式（1)计算获得8点在原 地理坐标系Q-GAQ中对应的地理坐标为G B(g1B，g2B，0);设定A'点在新焦平面坐标系 p。' -p/ V P3'中的坐标表示为PA, _n?(P1A, _P2A,，，〇)，经过时间L之后，A' 点与B点的关系表示为p2A, _η" = (p2B-p2C/ /cos^)，其中p1A, _nOT由步骤1)建立的多 片线阵CCD拟合后的成像曲线方程计算得到；根据公式（1)计算A'点在新地理坐标系 G。' -G/ G2' G3'中对应的地理坐标表示为 GA, _new(g1A, __g2A, 414) 将V点与B点的地理坐标统一到原地理坐标系中，则F点与B点在原地理坐 标系中的偏移量 Δχ = g1A，_mw+g1(/ -g1B、Ay = g2A，_mw+g2(/ -g2B，计算获得平方和 Δ s = Δ χ2+ Δ y2 ； 42)遍历步骤41)中获得的所有平方和，并取平方和最小值对应的偏航角速度作为卫 星偏航角速度。
4.根据权利要求1所述的一种多片线阵CCD相机的相对辐射定标方法，其特征在于： 所述步骤1)中预设的倾斜角度小于等于3°。
【文档编号】G06F19/00GK104298887SQ201410559414
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年10月20日 优先权日:2014年10月20日
【发明者】李海超, 满益云 申请人:中国空间技术研究院