远紫外成像仪光学系统坐标系标定方法与流程

本发明属于空间监测技术领域，具体涉及一种远紫外成像仪光学系统坐标系标定方法，尤其适用于大视场远紫外成像仪的光学系统坐标系的标定。

背景技术：

极光主要是由太阳风和地球磁层中的高能带电粒子沿地球磁场线注入高纬度地区，将高层大气分子或原子电离激发产生的发光现象，极光产生于地球的高磁纬地区上空即地球的南北两极区域，一般为大于磁纬60°的区域。极光卵的形状和位置对于解释地球空间环境活动状态具有非常重要的意义。

在观测极光卵的形状和位置时，可以采用远紫外成像仪，尤其是大视场远紫外成像仪。仪器在830km高度的极轨太阳同步轨道上对地球南北两极极光进行沿轨扫描观测时，单个镜头的瞬时视场角达到68°×10°(其中10°为沿轨道方向，68°为跨轨道方向)。但该仪器工作在140nm-180nm的远紫外波段，对其他波段辐射无响应，而现有技术中没有远紫外波段的干涉仪和经纬仪，装调过程无法准确确定仪器光学系统坐标方向，给后续图像处理和数据反演带来了困难。

技术实现要素：

本发明为解决现有技术中远紫外成像仪装调过程无法准确确定仪器光学系统坐标方向，给后续图像处理和数据反演带来了困难的技术问题，提供一种远紫外成像仪光学系统坐标系标定方法。

远紫外成像仪光学系统坐标系标定方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一、使用经纬仪调整平行光管出射光束与立方镜O₁Z₁轴平行，调整好以后，通过远紫外成像仪对平行光管成像，在像面获得像点P₁；

步骤二、利用远紫外成像仪主距f和像元尺寸Δ计算像点P₁在光学系统坐标系中的方向矢量该单位向量即O₁Z₁轴在光学系统坐标系中的单位向量

步骤三、调整平行光管出射光束，使平行光管出射光束在立方镜基础坐标系的X₁Z₁面或Y₁Z₁面内转动，且平行光管出射光束指向与立方镜Z₁轴存在一定夹角，调整好以后，通过远紫外成像仪对平行光管成像，在像面获得像点P₂；

步骤四、利用远紫外成像仪主距f和像元尺寸Δ计算像点P₂在光学系统坐标系中的方向矢量

步骤五、计算O₁Y₁轴或O₁X₁轴在光学系统坐标系中的方向矢量；

如果步骤三中的平行光管出射光束是在Y₁Z₁面内转动，且转向正O₁Y₁轴一侧，则O₁X₁轴的单位向量表示为O₁Y₁轴的单位向量表示为

如果步骤三中的平行光管出射光束是在Y₁Z₁面内转动，且转向负O₁Y₁轴一侧，则O₁X₁轴的单位向量表示为O₁Y₁轴的单位向量表示为

如果步骤三中的平行光管出射光束是在X₁Z₁面内转动，且转向正O₁X₁轴一侧，则O₁Y₁轴的单位向量表示为O₁X₁轴的单位向量表示为

如果步骤三中的平行光管出射光束是在X₁Z₁面内转动，且转向负O₁X₁轴一侧，则O₁Y₁轴的单位向量表示为O₁X₁轴的单位向量表示为

步骤六、计算光学系统坐标系至立方镜基础坐标系的转换矩阵

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明的远紫外成像仪光学系统坐标系标定方法克服了远紫外成像仪无法使用普通经纬仪和干涉仪进行坐标系标定的局限性，采用同时工作在远紫外波段和可见光波段的平行光管作为远紫外成像仪的成像光源，经纬仪作为光源方向和立方镜坐标轴的测量仪器，通过测量平行于立方镜坐标轴的光线的图像，准确计算光学系统坐标系至立方镜基础坐标系的转换矩阵，标定精度高，简单易行，为远紫外成像仪数据的后续处理建立图像像点坐标与空间坐标的严密几何关系。

附图说明

图1为本发明的远紫外成像仪及立方镜的安装示意图；

图2为本发明的远紫外成像仪光学系统坐标系标定方法的原理图；

图3为本发明的远紫外成像仪光学系统坐标系标定方法的流程图；

图中，1、远紫外成像仪镜头，2、立方镜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

如图1和图2所示，本发明的原理为：采用立方镜法，并辅助以平行光管。先通过在远紫外成像仪镜头1上安装立方镜2作为光学传递基准(立方镜2的安装位置和方法与现有技术中立方镜2的安装位置和方法相同)，然后根据坐标系正交关系，只需要确定立方镜2的任意两个坐标轴在远紫外成像仪光学系统中的投影关系，即可通过右手定则确定第三个坐标轴，从而建立光学系统坐标系与立方镜基础坐标系的转换矩阵，进而通过立方镜基础坐标系的转换矩阵标定光学系统坐标系。其中，光学系统坐标系为O₂-X₂Y₂Z₂，光学系统坐标系原点O₂位于远紫外成像仪的探测器像面中心，立方镜基础坐标系为O₁-X₁Y₁Z₁，立方镜基础坐标系原点O₁位于立方镜2的中心。本发明建立的坐标系皆为直角坐标系。

如图3所示，本发明的远紫外成像仪光学系统坐标系标定方法，步骤如下：

步骤一、使用经纬仪调整平行光管出射光束与立方镜基础坐标系O₁Z₁轴平行，调整好以后，通过远紫外成像仪1对平行光管成像，在远紫外成像仪的探测器像面获得像点P₁；

其中，经纬仪和平行光管采用本领域中常用设备，没有特殊限制，本实施方式采用的远紫外成像仪，为大视场远紫外成像仪，性能参数为：视场：68°×10°，角分辨率：0.44°，主距：f＝18.18mm，工作波段：140nm-180nm，探测器：光子计数成像探测器，探测器虚拟像元尺寸：Δ＝0.035mm，探测器像面中心O₂坐标[x_c，y_c，z_c]＝[750，750，0]；

步骤二、利用远紫外成像仪主距f和像元尺寸Δ计算像点P₁在光学系统坐标系中的方向矢量该方向向量即O₁Z₁轴在光学系统坐标系中的单位向量

过程为：提取出P₁的坐标[p_1x，p_1y]，则方向向量在光学系统坐标系O₂-X₂Y₂Z₂中的表示为其中同时得到O₁Z₁轴在光学系统坐标系中的单位向量

步骤三、调整平行光管出射光束，使平行光管出射光束在立方镜基础坐标系的X₁Z₁面或Y₁Z₁面内转动，且平行光管出射光束指向与立方镜OZ₁轴存在一定夹角，通过远紫外成像仪对平行光管成像，在像面获得像点P₂；

步骤四、利用远紫外成像仪主距f和像元尺寸Δ计算像点P₂在光学系统坐标系中的方向矢量

如，平行光管出射光束向正O₁Y₁轴方向调整平行光管指向，且平行光管出射光束指向在Y₁Z₁面内，提取出P₂的坐标[p_2x，p_2y]，则方向向量在光学系统坐标系O₂-X₂Y₂Z₂中的表示为其中

步骤五、计算O₁Y₁轴或O₁X₁轴在光学系统坐标系中的方向矢量；

如果步骤三中的平行光管出射光束是在Y₁Z₁面内转动，且转向正O₁Y₁轴一侧，则O₁X₁轴的单位向量表示为根据右手定则，O₁Y₁轴的单位向量表示为

如果步骤三中的平行光管出射光束是在Y₁Z₁面内转动，且转向负O₁Y₁轴一侧，则O₁X₁轴的单位向量表示为根据右手定则，O₁Y₁轴的单位向量表示为

如果步骤三中的平行光管出射光束是在X₁Z₁面内转动，且转向正O₁X₁轴一侧，则O₁Y₁轴的单位向量表示为根据右手定则，O₁X₁轴的单位向量表示为

如果步骤三中的平行光管出射光束是在X₁Z₁面内转动，且转向负O₁X₁轴一侧，则O₁Y₁轴的单位向量表示为根据右手定则，O₁X₁轴的单位向量表示为

步骤六、计算光学系统坐标系至立方镜基础坐标系的转换矩阵