一种长焦大口径光学相机地面快速高精度标定方法及装置

本发明涉及光学传感器标定的，具体涉及一种长焦大口径光学相机地面快速高精度标定方法及装置。

背景技术：

1、长焦大口径高分辨率光学成像技术具有大范围、远距离、高精度等特点，被广泛应用于航天遥感、天基监视、航空测绘、边海防预警、城市安防等领域，具有极其重要的战略需求和广阔的市场应用前景。然而，“看得清”并不代表“定得准”，由于观测环境的复杂性和技术水平的限制，当前高分辨率卫星数据质量，尤其是几何质量在实际应用中往往难以满足几何定位精度要求，很大程度上制约了其实际应用及服务能力。

2、由于光学镜头设计和加工工艺水平的限制，镜头实际应用过程中并不能遵守理想成像模型保持线性变换，总存在一定非线性畸变，使得实际成像点偏离理想成像点，该误差尤其对于长焦相机影响较为突出，严重降低了其空间定位精度。因此，在长焦光学相机在投入实际使用前，必须对相机内参进行标定，才能保证高精度测量。特别对于航空、航天光学相机，在升空之前的地面标定是长焦大口径光学系统实现高精度探测的基础，对确保入轨后的高精度探测极其重要，也为后续在轨标定提供初始参数。要想提升其定位精度，首先需要解决的问题就是光学相机的几何畸变高精度标定(杨俊峰,安宏,高连义.航天光学测量型相机标定的内容与方法[j].测绘科学与工程,2010,000(001):66-70.)。然而随着相机焦距、口径和体积越来越大，现有方法对测试设备、场地的要求也越来越高，单纯从提高设备的体积和精度来实现高精度几何畸变标定的思路已不太适用。

3、目前大部分长焦相机均采用精密测角法进行相机地面标定，吴国栋等人(吴国栋,韩冰,何煦.精密测角法的线阵ccd相机几何参数实验室标定方法[j].光学精密工程,2007(10):1628-1632.)利用高精度二维精密转台、平行光管对线阵相机进行高精度标定，主距主点的标定精度可达um级；远国勤等人(远国勤,丁亚林,惠守文,刘立国,于春风.基于精密测角法的测绘相机分组渐进标定算法[j].光学学报,2012,32(01):134-139.)提出了一种基于精密测角法的分组渐近算法，采用分组渐进逼近和权值理论对精密测角法进行改进，避免了理论误差以及采样点对算法精度的影响，提高了标定精度；国外航天传感器，如misr、polder也都是采用精密测角法进行定标。精密测角法直观简洁，易于实现，但对标定环境要求苛刻，转台的精确直接决定了标定精度，且制作高精度转台昂贵费时，精密测角法需要人工干预和调整的工作量也较大，无法实现快速标定。

4、基于三维标定场标定法多用于对遥感相机的在轨检校，国内林宗坚等人(林宗坚,宣文玲,孙杰,王东.由小面阵ccd组合构成宽角航空相机[j].测绘科学,2005(01):94-98+112.)利用标准三维检校场测定了面阵ccd相机的内方位元素和光学畸变系数，获取了满意的结果。冯文灝(冯文灏,商浩亮,侯文广.影像的数字畸变模型[j].武汉大学学报(信息科学版),2006(02):99-103.)、王冬(王冬.基于多片空间后方交会的ccd相机检校[d].山东科技大学,2003.)等人在武汉大学、山东科技大学建立了用于近景摄影测量相机的室内检校场，实现了相机内方位元素和光学畸变参数的精确测定；国际上用于相机几何定标的三维控制场主要有挪威的fredrikstad试验场、美国的nasa的ssc试验场、德国的vaihningen/enz试验场、芬兰的sjokulla试验场以及航摄影仪制造商elchingen和herbrugg几何标定场等。基于三维标定场法虽可以保证标定精度，但建立高精度三维标定场价格昂贵困难，且容易受场地及实验条件的限制。

5、目前，制约长焦大口径光学相机地面标定的关键技术难点主要包括：(1)标定模式复杂：现有依靠三轴转台的实验室高精度标定方法对测试设备和测试环境要求苛刻，装调耗时、标定效率低，系统/人工误差不可控，且测角精度直接决定了标定精度；(2)图像质心提取精度不一：靶标成像质量不均，图像定位精度不一，焦距越长表现为标定结果对图像噪声越敏感，即微小定位偏差即可导致较大标定误差；(3)优化收敛速度慢：优化过程中容易产生梯度消失，陷入局部最小，无法得到全局最优解；(4)多参数耦合：内外多参数之间耦合较严重，影响标定精度；(5)长焦大口径相机标定造价高：长焦大口径的相机标定需要更大转台与更长焦距且具有较大视场的平行光管才能实现。因此，突破以上关键技术难点，研究可在地面实现长焦大口径光学相机快速高精度标定方法对保证航空航天等领域中光学载荷的高分辨率成像与高精度定位具有重要意义，是目前亟待解决的重要关键技术。

6、随着相机焦距、口径和体积越来越大，对测试设备、场地要求也越来越高，单纯从提高设备的体积和精度来实现相机高精度畸变标定的方法，工程上难以实现。因此，亟需突破传统基于转台的精密测角法的相机地面标定技术，研究一种适用于长焦大口径光学相机地面快速高精度标定系统及方法，填补我国在该领域相关系统空白，为实现高分辨率高精度远距离探测及应用提供技术保障。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种长焦大口径光学相机地面快速高精度标定方法及装置，具有结构紧凑小巧、标定效率高、通用性强、系统组成简单等特点，能够在实验室内实现长焦大口径光学相机的地面快速高精度标定。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种长焦大口径光学相机地面快速高精度标定方法，包括如下步骤：

4、步骤a、在地面实验室环境下，搭建长焦大口径光学相机地面高精度标定硬件装置，仅采用平面靶标配合平行光管，辅以分光镜与平面反射镜实现长焦大口径光学相机的地面高精度标定；

5、步骤b、进行图像特征点建模与提取，采用基于最优尺度的图像特征点高精度提取方法，实现特征点不同尺度条件下的高精度提取；

6、步骤c、通过基于分析雅各比矩阵中对应内参数求解不确定度建模，得出靶标空间标定场对内参标定精度的影响，选择构建出最优空间标定场；

7、步骤d、通过对特征点局部定位建立数学模型，得出图像特征点定位不确定度与图像噪声间数学解；

8、步骤e、采用图像特征点定位不确定度加权与中心标准化法避免陷入局部最小以及降低多参数之间耦合；

9、步骤f、摆动平面反射镜改变第二组光线入射方向，覆盖整个大口径光学相机视场内成像，依次代入上述步骤最终求解得出光学相机内参数。

10、进一步地，所述步骤a中，无穷远成像目标设计为微型平面靶标安装在平行光管焦平面上，生成无穷远平面靶标，通过分光镜分为两组无穷远靶标射线，第一组直接进入待标定相机，第二组通过反射镜反射后同步进入待标定相机视野。

11、进一步地，所述步骤b中，采用自适应多尺度质心提取方法实现特征点质心提取，实现不同图像特征点均在最优尺度条件下完成质心提取，提高特征点质心提取精度。

12、进一步地，所述步骤d中，定量分析每个特征点定位偏差情况，通过分析图像局部特征点定位、图像噪声模型，求解出图像特征点定位精度与图像噪声之间关系，得出图像特征点定位不确定度的数学解，为后续图像定位不确定度加权操作奠定基础。

13、进一步地，所述步骤e中，通过对相机内参标定优化中雅各比矩阵进行图像定位不确定度加权，以解决梯度消失，收敛速度慢以及容易陷入局部最小的问题；通过引入中心标准化法以降低标定过程中内外参耦合，以此实现长焦相机内参数的快速高精度标定。

14、本发明还提供一种长焦大口径光学相机地面快速高精度标定装置，包括：图像分析与计算模块、靶标成像与图像采集模块和无穷远靶标模块；

15、所述图像分析与计算模块包括计算机，用于对靶标成像与图像采集模块的图像进行处理，并根据相机内参模型进行相机内参数优化求解；

16、所述靶标成像与图像采集模块包括高分辨率相机与控制箱，其中高分辨率相机包括ccd成像大靶面以及长焦大口径光学镜头，控制箱触发高分辨率相机对无穷远靶标进行成像；

17、所述无穷远靶标模块包括平面靶标、平行光管、分光棱镜以及平面反射镜，平面靶标安装在平行光管焦平面处，通过背光光源照亮后经过平行光管进入分光棱镜，一束光线直接进入长焦大口径光学镜头，另一束光线经过平面反射镜后进入长焦大口径光学镜头。

18、本发明与现有技术相比的有益效果在于：

19、本发明提出一种长焦大口径光学相机地面快速高精度标定方法及装置。本项目拟采用基于平面靶标结合平行光管构造无穷远成像靶标的长焦相机地面标定模式，设计一种结合分光镜及平面反射镜组合形成大视场成像与标定系统。该测量系统由无穷远平面靶标、分光镜与反射镜，通过自由移动平面反射镜即可构造出覆盖全视场的无穷远靶标成像，因此该系统具有结构紧凑小巧、标定效率高、通用性强、系统组成简单等特点，非常适合在实验室内实现长焦大口径光学相机的地面高精度标定。本项目拟提出的标定方法不仅为长焦大口径光学相机地面高精度标定提供有效手段，而且对推动在大型长焦光学系统校验与标定，进一步提高光学系统加工和质量具有重要的理论意义和实际价值。