专利名称：一种拼接式大面阵数字航测相机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一个航空测绘相机，特别涉及拼接式大面阵数字航测相机。
背景技术：
面阵数字航测相机广泛用于国土资源动态监测、林业资源调查、植被覆盖调查、土地分类、土地利用(现状)监测等方面。调查成果应用于国土资源数据更新、环境监护、耕地保护、规划和土地执法检查、土地利用管理及检查各地统计数据的可靠性，为土地管理的依法行政提供真实可靠的信息支持和依据。高分辨力面阵数字航空相机在航空遥感系统中主要任务有六方面(1)为其它遥感设备应用研究与多遥感设备数据融合应用与实验研究提供基本几何影像基础数据支持；(2)为开展深层次的多传感器遥感数据融合与综合应用相关技术研究提供技术支持；(3)用于国家基础地理信息获取与更新；(4)用于国家土地分类调查和土地利用(现状)监测；(5)在国家有关部门有应急需要的时候提供支持，进行自然灾害评估、减灾防灾、植被覆盖、生态环境工作；(6)兼顾作业性工作，中比例尺测量用于国家基础地理信息获取等、大比例尺航空摄影测量用于城市规划、城市建设、道路桥梁等基础建设领域、城市地理信息获取、农业资源普查等。目前的数字航测相机有两种类型，一种是三线阵数字航空相机，如徕卡公司与德国宇航中心DIR联合研制的ADS40数字航测相机；另一种是大面阵数字航测相机，如Z/I公司研制的DMC和奥地利Vexcel公司研制的UCX数字航测相机。实际上，面阵数字航测相机相对线阵航测相机而言更有优势，因为采用面阵CCD技术，图像数据在X和Y方向具有严格的几何关系，减少了复杂性、提高工作效率。对于大面阵CCD数字航测相机来说，由于技术上的原因，直接生产大幅面的面阵 CCD存在困难，目前的数字航测相机均采用镜头拼接的方式· DMC包含八个独立的CXD相机；其4个全色镜头是倾斜为一个固定角度(分别为10° /20° )进行安置，镜头的位置成“碗”状排列，4个全色镜头主点之间的距离分别为 80/170mm,另外4个多光谱镜头，分别对称排列在全色镜头的两侧。因此DMC的全色影像是由4个不同投影中心的小影像合成。· UCX的传感器单元由8个高分辨力的光学镜头组成，其中4个全色波段的镜头沿飞行方向等向等间距顺序排列，间距为80mm，另外4个多光谱镜头，对称排列在全色镜头的两侧，所有镜头都是水平、垂直对向地面。然而，目前市场上的数字航测相机尚存在一些不足，主要为(1)像幅较小、分辨力较低胶片式航测相机一般有两种像幅180mmX 180mm和230mmX 230mm。DMC数字航测相机拼接后的像素总数为13824X7680，拼接后的像面大小为 165. 89mmX92. 16mm ；UCX数字航测相机全色影像像素总数为14430X9420，其面阵尺寸为 104mmX68. 4mm。(2)物镜视场较小、物镜型号单一
胶片式航测相机ΑΦΑ_41型航测相机具有3种焦距的镜箱，其视场角分别为 65°、104°、118° ；MRB型航测相机配备三款物镜，其视场角分别为122°、92°、55° ； LMK2000型航测相机配备四款物镜，其视场角分别为119°、90°、72°、53° ；RMK型航测相机有5个不同焦距的摄影物镜，其视场角分别为125°、93°、77°、56°、30° ；RC10/20型航测相机备有四种不同焦距的物镜筒，其视场角分别为120°、90°、70°、55°。大面阵数字航测相机对于DMC数字航测相机来说，其拼接后的视场角为 69° Χ42°，对角线视场为76. 7° ；对于UCX数字航测相机来说，其视场角为55° Χ37°， 其对角线视场为63. 8°。(3)因各全色相机曝光的差异引起的图像拼接的差异目前市场上的大面阵航测相机均由多个面阵全色相机构成(DMC和UCX各有四个全色相机)，每个全色相机又由全色CCD和全色物镜组成。各全色相机分别对相应视场范围成像，之后再将各全色相机所成的像拼接为一幅全色图像。然而，由于是多个全色相机单独工作，很难控制其曝光的同步性。因此会对最终的拼接效果有所影响。
发明内容
本发明的技术解决问题提供一种拼接式大面阵数字航测相机，解决市面上面阵数字航测相机幅面较小的问题，提供大幅面高分辨力的航测图像；此外，还解决市面上面阵数字航测相机视场较小、物镜型号单一的问题和解决市面上大面阵拼接式数字航测相机因各全色相机曝光的差异引起的图像拼接的差异。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种拼接式大面阵数字航测相机， 包括全色相机模块和多光谱相机模块，全色相机模块和多光谱相机模块的光轴垂直于地面；所述全色相机模块包括全色相机物镜1、反射式四棱锥分光棱镜2、第一全色CCD3、第二全色(XD4、第三全色(XD5和第四全色(XD6 ；所述多光谱相机模块包括第一多光谱物镜及CCD7、第二多光谱物镜及CCD8、第三多光谱物镜及CCD9和第四多光谱物镜及CCDlO ；全色相机物镜1四周对称放置第一多光谱物镜及CCD7、第二多光谱物镜及CCD8、第三多光谱物镜及CCD9和第四多光谱物镜及CCDlO ；全色相机物镜1后为反射式四棱锥分光棱镜2， 反射式四棱锥分光棱镜2四周为第一全色CCD3、第二全色CCD4、第三全色CCD5和第四全色 CCD6 ；地面物体发出的光线经全色相机物镜1后，再经反射式四棱锥分光棱镜2各反射锥面的反射，成像于第一全色(XD3、第二全色(XD4、第三全色(XD5和第四全色(XD6上；通过图像处理可将第一全色(XD3、第二全色(XD4、第三全色(XD5和第四全色(XD6上四幅满足中心投影景象的四个部分的图像数据转换为中心投影的单幅图像数据，获得高分辨的单一中心投影全色图像；第一多光谱物镜及CCD7、第二多光谱物镜及CCD8、第三多光谱物镜及 (XD9和第四多光谱物镜及CXDlO分别获取R、G、B、NIR图像信息，其各自镜头与全色相机物镜1的视场角相一致，获取的图像在地面处理时合成为彩色图像或者彩红外图像；彩色或彩红外图像与全色高分辨力图像可进一步融合，获取高分辨力真彩色图像或伪彩色图像。 所述反射式四棱锥分光棱镜2、第一全色(XD3、第二全色(XD4、第三全色(XD5和第四全色CCD6为固定部分，固定部分中，反射式四棱锥分光棱镜2位于中间，第一全色CCD3、 第二全色(XD4、第三全色(XD5和第四全色(XD6位于经反射式四棱锥分光棱镜2光路转折后所对应的像面位置。
所述全色相机物镜1、第一多光谱物镜及(XD7、第二多光谱物镜及(XD8、第三多光谱物镜及CCD9、第四多光谱物镜及CCDlO为可换部分，第一多光谱物镜及CCD7、第二多光谱物镜及(XD8、第三多光谱物镜及(XD9、第四多光谱物镜及CXDlO的各镜头垂直向下放置；在可换部分中，全色相机物镜1位于中间，其四周对称放置第一多光谱物镜7 第四多光谱物镜及CCDlO ；为适应不同的拍摄要求，可通过更换可换部分够构成三套数字航测相机，分别为宽角航测相机、中角航测相机和常角航测相机，其对应的全色相机物镜1及第一多光谱物镜7 第四多光谱物镜及CCDlO的物镜分别为宽角物镜、中角物镜和常角物镜。根据不同飞机平台 相机安装尺寸的不同，可灵活排布所述全色相机物镜1、第一多光谱物镜7 第四多光谱物镜及CCDlO的位置，所述第一多光谱物镜7 第四多光谱物镜及CXDlO对称于全色相机物镜1呈圆环排列或矩形排布。所述全色相机物镜1选用宽角、中角、常角物镜各一套，其中宽角物镜的视场角为75° X75°、对角线视场为94. 68° ；中角物镜的视场57° X57°、对角线视场角 75.04° ；常角物镜的视场角为42° X42°，对角线视场为56. 99° ；为了实现全色相机物镜1后方的反射式四棱锥2分光和第一全色(XD3 第四全色(XD64块全色CXD的拼接，对于全色相机物镜1的宽角、中角、常角物镜来说，各物镜后工作距离均需> 124mm。所述全色相机物镜1的宽角、中角、常角物镜均采用反远距式的结构，即负正透镜分离的结构；其中负光焦度透镜组作为前组、正光焦度透镜组作为后组；前组与后组中各组元件沿光轴依次排列，以满足高分辨力、低畸变要求。所述第一全色(XD3、第二全色(XD4、第三全色(XD5和第四全色(XD6均为 IOkX IOk大面阵CCD，具备理想的灵敏度、动态范围特性、抗弥散功能，其部分参数为 10240X 10240满帧转移CCD阵列、9 μ mX9 μ m像元大小、成像区面积94. 2mmX94. 2mm。为实现这四块大面阵CXD的拼接，可利用反射式四棱锥分光棱镜2产生的渐晕，让各CXD单边有200像素的重叠，因此，拼接后实际像元总数为20280X20280。所述多光谱相机模块第一多光谱物镜及CCD7、第二多光谱物镜及CCD8、第三多光谱物镜及(XD9、第四多光谱物镜及CXDlO各自波段分别为590nm 690nm、500nm 620nm、 430nm 530nm、700nm 850nm。多光谱相机模块所采用的彩色(XD芯片规格为7KX5K。 本发明选用其中心的5120X5120部分。其部分参数为有效阵列数7256X5432 (我们用的部分5120X5120)；像元大小6. 8μπιΧ6. 8μπι ；成像区面积49. OmmX36. 8mm(本发明用的部分34. 816mmX34. 816mm)。同全色相机模块一样，多光谱相机模块也选用宽角、中角、常角物镜各一套，其视场角与全色相机模块各物镜相同。多光谱相机模块各物镜均满足高分辨力、低畸变要求。与现有技术相比本发明具有如下优点(1)本发明的全色相机物镜四周为四台多光谱物镜及多光谱CCD ；全色相机物镜后方为分光棱镜，分光棱镜四周为四台全色CCD，通过拼接方式实现高分辨的相机系统，拼接后的像元总数达到20kX20k，解决数字航测相机幅面较小的问题，提供了大幅面高分辨力的航测图像。(2)本发明采用三套测量框架硬件系统，含宽角(95° )、中角(75° )、常角 (57° )的全色物镜及多光谱物镜各一套，其中一套多光谱物镜包括四个镜头(R、G、B、 OTR)。作业时根据不同的测图应用可以进行灵活选择。这解决了目前面阵数字航测相机视场较小、物镜型号单一的问题。(3)全色相机模块与以往的大面阵航测相机全色模块不同，采用单物镜、反射式四棱锥分光、多CCD拼接的模式。它相对于多物镜、多CCD拼接的模式(例如DMC和UCX),避免了因各全色物镜的差异而引起的图像拼接的差异，保证了系统成像质量的一致性。表1拼接式大面阵航测相机与DMX及UCX全色相机对比
权利要求
1.一种拼接式大面阵数字航测相机，其特征在于包括全色相机模块和多光谱相机模块，全色相机模块和多光谱相机模块的光轴垂直于地面；所述全色相机模块包括全色相机物镜(1)、反射式四棱锥分光棱镜(2)、第一全色CCD(3)、第二全色CCD(4)、第三全色 CCD(5)和第四全色CCD(6)；所述多光谱相机模块包括第一多光谱物镜及CCD(7)、第二多光谱物镜及CCD(S)、第三多光谱物镜及CCD(9)和第四多光谱物镜及CCD(IO)；全色相机物镜(1)四周对称放置第一多光谱物镜及CCD(7)、第二多光谱物镜及CCD(S)、第三多光谱物镜及CCD(9)和第四多光谱物镜及CCD(IO)；全色相机物镜(1)后为反射式四棱锥分光棱镜(2)，反射式四棱锥分光棱镜(2)四周为第一全色CCD(3)、第二全色CCD(4)、第三全色 CXD (5)和第四全色CXD (6)。
2.根据权利要求1所述的拼接式大面阵数字航测相机，其特征在于所述反射式四棱锥分光棱镜(2)、第一全色CCD(3)、第二全色CCD(4)、第三全色CCD(5)和第四全色CCD(6) 组成固定部分，固定部分中，反射式四棱锥分光棱镜(2)位于中间，第一全色CCD(3)、第二全色CCD(4)、第三全色CCD(5)和第四全色CCD(6)位于经反射式四棱锥分光棱镜(2)光路转折后所对应的像面位置。
3.根据权利要求1所述的拼接式大面阵数字航测相机，其特征在于所述全色相机物镜(1)、第一多光谱物镜及CXD(7)、第二多光谱物镜及CXD(S)、第三多光谱物镜及CXD(9)、 第四多光谱物镜及CCD(IO)组成可换部分，全色相机物镜(1)、第一多光谱物镜及CCD (7)、 第二多光谱物镜及CCD(S)、第三多光谱物镜及CCD(9)、第四多光谱物镜及CCD(IO)的各镜头垂直向下放置；在可换部分中，全色相机物镜(1)位于中间，其四周对称放置第一多光谱物镜(7) 第四多光谱物镜及CXD(IO)；为适应不同的拍摄要求，可通过更换可换部分够构成三套数字航测相机，分别为宽角航测相机、中角航测相机和常角航测相机，其对应的全色相机物镜(1)及第一多光谱物镜(7) 第四多光谱物镜及CCD (10)的物镜分别为宽角物镜、中角物镜和常角物镜。
4.根据权利要求1所述的拼接式大面阵数字航测相机，其特征在于根据不同飞机平台相机安装尺寸的不同，可灵活排布所述全色相机物镜(1)、第一多光谱物镜(7) 第四多光谱物镜及CCD(IO)的位置，所述第一多光谱物镜(7) 第四多光谱物镜及CCD(IO)对称于全色相机物镜(1)呈圆环排列或矩形排布。
5.根据权利要求1所述的拼接式大面阵数字航测相机，其特征在于所述全色相机物镜(1)选用宽角、中角、常角物镜各一套，其中宽角物镜的视场角为75° X75°、对角线视场为94. 68° ；中角物镜的视场57° X57°、对角线视场角75. 04° ；常角物镜的视场角为 42° \42°，对角线视场为56.99° ；为了实现全色相机物镜(1)后方的反射式四棱锥(2) 分光和第一全色CCD(3) 第四全色CCD(6)4块全色CCD的拼接，对于全色相机物镜(1)的宽角、中角、常角物镜来说，各物镜后工作距离均需> 124mm。
6.根据权利要求1所述的拼接式大面阵数字航测相机，其特征在于所述全色相机物镜(1)的宽角、中角、常角物镜均采用反远距式的结构，即负正透镜分离的结构；其中负光焦度透镜组作为前组、正光焦度透镜组作为后组；前组与后组中各组元件沿光轴依次排列， 以满足高分辨力、低畸变要求。
7.根据权利要求1所述的拼接式大面阵数字航测相机，其特征在于所述第一全色 CXD (3)、第二全色CXD (4)、第三全色CXD (5)和第四全色CXD (6)均为IOkX IOk大面阵(XD，具备理想的灵敏度、动态范围特性、抗弥散功能，其部分参数为10240X10240满帧转移 CCD阵列、9 μ mX9 μ m像元大小、成像区面积94. 2mmX94. 2mm。
8.根据权利要求1所述的拼接式大面阵数字航测相机，其特征在于所述多光谱相机模块第一多光谱物镜及CCD(7)、第二多光谱物镜及CCD(S)、第三多光谱物镜及CCD(9)、第四多光谱物镜及CCD (10)各自波段分别为590nm 690nm、500nm 620nm、430nm 530nm、 700nm 850nm ；为了与全色相机物镜(1)视场匹配，多光谱模块各物镜按视场也分为宽角、 中角、常角物镜，其中宽角物镜的视场角为75° X75°、对角线视场为94.68° ；中角物镜的视场57° X57°、对角线视场角75.04° ；常角物镜的视场角为42° X42°，对角线视场为56. 99° ；因对多光谱模块物镜的后工作距离无特殊要求，多光谱模块各物镜采用准对称式结构。
全文摘要
一种拼接式大面阵数字航测相机，包括全色相机模块和多光谱相机模块，全色相机模块包括全色相机物镜、反射式四棱锥分光棱镜、四个全色CCD；多光谱相机模块包括四个多光谱物镜及CCD；全色相机物镜位于中间，其四周对称放置四个多光谱物镜及CCD；全色相机物镜后方为反射式四棱锥分光棱镜，反射式四棱锥分光棱镜四周为四个全色CCD。本发明解决了数字航测相机幅面较小的问题，提供了20k×20k大幅面高分辨力的航测图像；本发明包括宽角、中角、常角的全色相机物镜及多光谱相机物镜，作业时可以根据不同的测图应用进行灵活选择不同角度的全色相机物镜，多光谱相机物镜所用角度与全色相机物镜相匹配，这解决了目前面阵数字航测相机视场较小、物镜型号单一的问题；于此同时，因为本发明采用单全色物镜、多全色CCD拼接的模式，避免了多全色物镜、多CCD拼接模式中各全色相机曝光的差异引起的图像拼接的差异。
文档编号G02B13/04GK102261909SQ201110099328
公开日2011年11月30日 申请日期2011年4月20日 优先权日2011年4月20日
发明者梁伟, 蓝公仆, 马文礼, 高晓东 申请人:中国科学院光电技术研究所