一种天基红外长焦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，具体涉及一种天基红外长焦光学相机地面快速高精度标定方法及装置。

背景技术：

1、天基红外探测与跟踪系统作为飞行器防御系统探测预警的核心装备，可对全球范围内的战略和战术飞行器进行预警，能够对其从助推段开始进行可靠稳定的跟踪，可监视和跟踪全球飞行器的飞行全程，具备全球全天时覆盖、功能完备、实时响应的预警能力，具有远距离、高灵敏与大范围等特点，被广泛应用于天基监视、导弹预警等领域，对保障国家安全具有重要的战略意义。

2、天基红外光学系统的红外载荷包括高速扫描型红外探测器和高分辨率凝视型红外探测器，均为短红外、中红外和地面可见波段三色红外探测器，使用被动辐射制冷方式，具有很高的敏捷指向控制能力。然而由于光学系统的加工工艺，光学镜头仍然存在一定程度畸变，需要在入轨之前进行地面标定，才能保证在轨的高精度定位；另一方面由于感光芯片导致成像质量差与信噪比低，无法实现精确的图像特征提取，导致系统标定误差较大，无法保证在轨测量精度；同时天基红外光学系统的镜头焦距较长，常规短焦镜头不再适用于其进行地面标定。

3、目前长焦光学相机多采用精密测角法进行地面标定，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、平行光管对长焦线阵相机进行标定；陈晓杰等人(陆晓杰，韩贵丞等人.热红外相机双目测距系统标定技术研究[j].激光与红外,2020(5):567-572.)采用黑色氧化铝和镀镍钕铁制成的圆形点阵平面靶标实现红外双目相机的标定；王子昂等人(王子昂，刘秉琦等人.基于主动红外辐射标定板的超广角红外相机标定[j].光电技术及应用，2019(5):700-703)采用基于主动红外辐射标定板的标定方法实现超广角红外相机的标定；刘建(异源非共轴测量相机的标定和配准技术研究[d]2019)提出采用基于平面靶标结合平行光管的标定方法实现了异源非共轴可见光和红外相机的标定，实现了红外可见光相机的融合。

4、目前，制约天基红外长焦光学相机地面标定的关键技术难点主要包括：(1)现有多依靠在空间摆放发光靶标对红外相机成像，采用基于平面靶标的相机标定方法对红外相机进行标定，该标定模式对于天基长焦红外光学相机则无法实现，且无法直接适用于长焦红外相机标定；(2)红外图像对比度低，靶标特征点提取精度极易受图像噪声干扰，导致图像几何中心定位误差较大，难以实现天基红外长焦光学相机的高精度标定。因此，突破以上关键技术难点，研究可在地面实现天基红外长焦光学相机快速高精度标定方法对提升天基监视和跟踪准确性，实现交会式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。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种天基红外长焦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天基红外长焦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、一种天基红外长焦光学相机地面快速高精度标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

4、步骤a、在地面实验室环境下，搭建起天基红外长焦光学相机地面快速高精度标定装置，仅采用嵌有钨丝发热孔的平面靶标配合平行光管，并设置相关配套的供电、触发、数据采集及处理装置，实现对天基红外长焦光学相机进行发射前的地面高精度标定；

5、步骤b、进行图像特征点建模与提取，采集的红外图像中发光特征点图像，采取基于多尺度模型的圆斑点图像特征点质心进行初步提取，获取图像特征点几何中心坐标的初值；

6、步骤c、通过对图像特征点周围图像进行定位不确定度建模分析，得出每个图像特征点定位精度与图像噪声间的数学解；

7、步骤d、通过建立无穷远平面靶标特征点与采集图像特征点间的映射关系，对每个特征点的定位偏差量进行非线性优化，以其重投影误差最小为目标函数，通过非线性优化得出每个特征点的定位偏差；

8、步骤e、将步骤d中求得特征点定位偏差量补偿至步骤b中特征点坐标，得到图像特征点的精确解，代入天基红外长焦光学相机模型进行标定；

9、步骤f、摆动红外长焦光学相机以改变无穷远靶标的入射方向，可覆盖整个光学相机视场，依次采集多组图像特征点图像，最后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，采用嵌有钨丝发热孔的平面靶标安装在平行光管焦平面上，生成无穷远平面靶标，直接进入待标定红外长焦相机，搭建起适用于天基红外长焦光学相机的地面快速高精度标定装置。

11、进一步地，所述步骤b中，采用基于自适应多尺度的图像特征点质心提取，所有特征光点图像均实现最优尺度提取。

12、进一步地，所述步骤c基于步骤b中图像特征点坐标初值，通过对图像特征点图像建模分析，得出图像特征点定位不确定度与图像噪声间的数学解析解。

13、进一步地，所述步骤d基于步骤b中图像特征点坐标初值和步骤c中特征点定位不确定，建立无穷远平面靶标特征点与采集图像特征点的映射方程，对每个特征点定位偏差进行定量非线性优化求解，以靶标重投影误差最小建立目标函数，通过非线性优化得出每个特征点的定位偏差值。

14、进一步地，所述步骤e将步骤d中求解的图像特征点定位偏差补偿到每个特征点，得到每个特征点的几何中心坐标精确解；最后，步骤f中摆放长焦光学相机以改变无穷远平面靶标的入射方向，得到覆盖整个相机视场的多张图像；依次重复经过步骤b、步骤c、步骤d、步骤e，并代入天基红外光学相机标定模型进行相机内参数求解。

15、本发明还提供一种天基红外长焦光学相机地面快速高精度标定装置，包括：靶标成像与图像采集模块和无穷远靶标模块；其中，所述靶标成像与图像采集模块包括长焦红外光学相机，其由长焦光学镜头和红外相机成像靶标组成，用于对无穷远靶标进行成像；所述无穷远靶标模块由嵌有钨丝发热孔的平面靶标与平行光管组成，平面靶标安装在平行光管的焦平面上，二者组成无穷远发光靶标

16、本发明与现有技术相比的有益效果在于：

17、本发明提出一种新颖的天基红外长焦光学相机地面快速高精度标定方法及装置。本发明公开一种天基红外长焦光学相机地面快速高精度标定方法及装置，包括：将嵌有钨丝发热孔的平面靶标与平行光管相结合以构造无穷远靶标，建立适用于天基红外长焦光学相机的地面标定数学模型；深入分析红外光学图像特征点几何中心定位模型，确立发光点图像定位不确定度数学解；基于透视投影成像模型以及图像特征点定位不确定度约束，对所有图像特征点定位偏差进行非线性优化求解；将所求特征点定位偏差补偿至对应特征点，得到精确的特征点坐标，代入标定模型进行求解相机内参数；建立标定系统装置，实现对天基红外长焦光学相机的地面快速高精度标定。本发明适合在地面实验室环境下对天基红外长焦光学相机进行快速高精度标定，具有精度高、速度快、成本低等优点，对保证航空航天等领域的高分辨率光学成像与高精度定位具有重要意义。