TDI相机的行频校准方法

tdi相机的行频校准方法
技术领域
1.本发明属于光电测试仪器装调技术领域，尤其涉及一种tdi相机的行频校准方法。


背景技术：

2.tdi相机在航天航空测绘领域有着广泛的应用，其成像核心元器件tdi图像传感器采用推扫成像的方式在动态扫描过程中对移动目标进行成像。光电探测系统对目标进行成像，通过光学镜头成像至tdi图像传感器像面。结合光电探测系统与目标之间的相对移动速度以及光学系统焦距参数，可以得到tdi图像传感器像面目标图像的移动速度。tdi图像传感器通过设置行频参数，使像元尺寸与行频的乘积与目标图像的移动速度一致，从而获得清晰的动态目标图像。
3.常规测试方法是利用示波器等高精度测量设备，对tdi图像传感器进行测量，获取准确的基准时钟频率。当tdi图像传感器集成在光学系统内后，通过对光学镜头的焦距参数进行精确测量，利用光电系统与目标相对移动速度、光电系统与目标之间的距离参数、光学镜头的焦距参数计算得到实际使用过程中tdi图像传感器像面处目标图像移动速度，结合像元尺寸，计算得到对应的行频。在此基础上，利用标准测试图像进行动态成像，对成像质量进行评价(对图像清晰度、mtf等参数进行计算)，评估行频参数的准确性。但该方法灵敏度较低，在行频偏差较小的情况下，图像质量相关参数测试重复性精度低，行频参数的准确性无法进一步提高。
4.现有技术对行频的修正方法主要采用成像质量评价法。首先，按照理论速度计算得到行频参数，通过成像系统对移动目标进行推扫成像，对目标移动速度进行微调，采用图像质量参数评价的方法，记录得到速度
‑
成像质量序列，查询成像质量最好时所对应的行频值，即为最佳行频值。当该方法在测试过程中，当行频偏差较小时，图像变化不明显，无法进一步优化。


技术实现要素：

5.本发明为解决上述问题，基于上述描述，本发明提供了一种tdi相机的行频校准方法，利用采集的图像进行计算获得。采用倾斜一定角度的条纹像进行推扫成像，当目标移动速度与tdi图像传感器行频匹配时，动态图像中拍频像的倾斜角度与实际拍频像倾斜角度相同，当目标移动速度与tdi图像传感器行频不匹配时，动态图像中拍频像的倾斜角度会发生变化，与实际拍频像倾斜角度产生偏差。通过计算动态图像中拍频图像的倾斜角度，利用速度偏差
‑
倾斜角度曲线可计算得到当前行频偏差系数，通过对当前行频修正，即可得到准确的行频参数。该方法采用实时动态图像进行计算，图像速度偏差测试分辨率可达千分之一。该方法对光电系统整机进行测试，只需要图像即可进行参数计算，测试流程方便。具体包括：
6.一种tdi相机的行频校准方法，包括如下步骤：
7.s1系统初始化；
8.s2将所述照明装置打开使其产生均匀面光源，高精度运动机构带动所述条纹目标靶匀速运动，tdi相机捕捉并反馈所述条纹目标靶的图像并将其反馈至成像装置；
9.s3条纹目标靶上的条纹整列尺寸为n
×
n，在所述条纹目标靶运动时，第n个条纹与像元中间交汇为a点(x
a
，y
a
)，第1个条纹与像元中间交汇至b点(x
b
，y
b
)，b
偏差
点(x
b偏差
，y
b偏差
)，利用倾斜角计算方法通过a点和b
偏差
、a点和b点的倾斜角：
[0010][0011][0012]
其中，所述速度偏差为速度的变化体现在第1个条纹的直线在y轴截距的变化，将速度偏差的直线方程与像元中间交汇点为b
偏差
点，θ
偏差
为理论速度下的拍频像实际倾斜角度，θ
理论
为理论速度下的拍频像理论倾斜角度；
[0013]
s4确定a点和b的的直线方程y：
[0014]
y＝
‑
tanθ
理论
·
x+yb
·
(1
‑
η
速度偏差
)
ꢀꢀꢀ
(3)
[0015]
其中，η
速度偏差
为速度偏差；
[0016]
s5多次重复步骤s2至s4，所述步骤s2中的条纹目标靶每次测试的移动速度不相同；
[0017]
s6根据测试的数据对不同移动速度下θ
偏差
与η
速度偏差
进行曲线绘制；
[0018]
s7计算修正后的行频数值f
校正
，所述计算公式如下：
[0019]
f
校正
＝f
设定
÷
(1
‑
η
速度偏差
)
ꢀꢀꢀ
(4)
[0020]
其中，为设定的理论的行频数值f
设定
。
[0021]
优选的，所述照明装置包括积分球和led或卤素灯和led。
[0022]
优选的，所述照明装置为led面光源。
[0023]
优选的，所述高精度运动机构可以为匀速直线运动机构或匀速转动运动机构。
[0024]
优选的，所述条纹目标靶为明暗相间的条纹靶，所述条纹靶阵列时满足投影后的面积能够覆盖50
×
50个像元以上。
[0025]
一种tdi相机行频的校正系统，包括依次设置的照明装置、高精度运动机构、目标发生装置、tdi相机、成像装置，所述高精度运动机构上设置有条纹目标靶；
[0026]
所述照明装置用于均匀的向条纹目标靶提供光源；
[0027]
所述高精度运动机构用于带动条纹目标靶匀速运动；
[0028]
所述目标发生装置将经过条纹目标靶的光线输出成平行光线；
[0029]
所述tdi相机放置在所述平行光线的光路上并将光束聚焦在所述tdi相机的图像传感器的像面上；
[0030]
所述成像装置获取图像，利用倾斜角计算方法计算图像中拍频像的倾斜角，利用速度误差系数计算方法解算倾斜角所对应速度误差值，最后对拍频进行校正。
[0031]
有益效果：本发明主要通过解析动态图像拍频像的倾斜角度，计算得到速度的偏差量，进而对tdi相机行频参数进行修正。该方法采用实时图像进行计算，计算结果能够反应图像采集时间速度的偏差值，无需采集多幅图像，有效提高了测试的效率。速度误差的分辨率可达千分之一，能够提高行频的校正精度。
附图说明
[0032]
图1为本发明一种实施例的系统简图；
[0033]
图2为本发明一种实施例的计算图像示意图；
[0034]
图3为本发明一种实施例的计算方法示意简图；
[0035]
图4为本发明一种实施例的计算方法速度失配分析图；
[0036]
图5为本发明一种实施例的速度失配与倾斜角曲线图。
具体实施方式
[0037]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0038]
需要注意的是，本文使用术语第一、第二、第三等来描述各种部件或零件，但这些部件或零件不受这些术语的限制。这些术语仅用来区别一个部件或零件与另一部件或零件。术语诸如“第一”、“第二”和其他数值项在本文使用时不是暗示次序或顺序，除非由上下文清楚地指出。为了便于描述，本文使用空间相对术语，诸如“内部”、“外部”、“上端”、“下端”、“左侧”、“右侧”、“上部的”、“左”、“右”等，以描述本实施例中部件或零件的方位关系，但这些空间相对术语并不对技术特征在实际应用中的方位构成限制。
[0039]
如图1
‑
图5所示，一种tdi相机的行频校准方法，包括如下步骤：
[0040]
s1系统初始化；
[0041]
s2将所述照明装置打开使其产生均匀面光源，高精度运动机构带动所述条纹目标靶匀速运动，tdi相机捕捉并反馈所述条纹目标靶的图像并将其反馈至成像装置；
[0042]
s3条纹目标靶上的条纹整列尺寸为n
×
n，在所述条纹目标靶运动时，第n个条纹与像元中间交汇为a点(x
a
，y
a
)，第1个条纹与像元中间交汇至b点(x
b
，y
b
)，b
偏差
点(x
b偏差
，y
b偏差
)，利用倾斜角计算方法通过a点和b
偏差
、a点和b点的倾斜角：
[0043][0044][0045]
其中，所述速度偏差为速度的变化体现在第1个条纹的直线在y轴截距的变化，将速度偏差的直线方程与像元中间交汇点为b
偏差
点，θ
偏差
为理论速度下的拍频像实际倾斜角度，θ
理论
为理论速度下的拍频像理论倾斜角度；
[0046]
s4确定a点和b的的直线方程y：
[0047]
y＝
‑
tanθ
理论
·
x+yb
·
(1
‑
η
速度偏差
)
ꢀꢀꢀ
(3)
[0048]
其中，η
速度偏差
为速度偏差；
[0049]
s5多次重复步骤s2至s4，所述步骤s2中的条纹目标靶每次测试的移动速度不相同；
[0050]
s6根据测试的数据对不同移动速度下θ
偏差
与η
速度偏差
进行曲线绘制；
[0051]
s7计算修正后的行频数值f
校正
，所述计算公式如下：
[0052]
f
校正
＝f
设定
÷
(1
‑
η
速度偏差
)
ꢀꢀꢀ
(4)
[0053]
其中，为设定的理论的行频数值f
设定
。
[0054]
本方法的具体远离为：
[0055]
如图1，本发明所设计的照明装置可以产生均匀面光源，条纹目标靶接收这个均匀的光源，并且投影至tdi相机图像传感器像面，条纹目标靶投影后的亮条纹和暗条纹分别对应一列像元，条纹靶阵列应满足投影后的面积能够覆盖50
×
50个像元以上，条纹目标靶测试过程中倾斜角度不宜过大。经tdi相机成像后的目标图像如图2所示，条纹靶倾斜后，亮条纹在某一个位置在存在同时覆盖相邻像元各1/2的情况，从而产生拍频现象。
[0056]
倾斜角计算方法是对每一行图像拍频的二维坐标进行拟合，得到拍频的直线方程，如图2所示，在亮条纹过渡至暗条纹的过程中，记录灰度值变化一半的位置(x
i
，y
i
)，对一组(x
i
，y
i
)进行最小二乘拟合，得到直线方程y＝ax+b，利用tanθ＝1/a计算得到倾斜角θ。通过速度误差系数计算方法对倾斜一定角度的拍频图像进行建模，计算出倾斜角与速度偏差关系曲线，通过已知倾斜角θ，得到速度偏差，进而对行频参数进行修正。
[0057]
具体操作建模过程如图3所示，已知条纹整列尺寸为n
×
n，但条纹图像垂直放置时，条纹与坐标轴平行，当条纹倾斜一定角度后，亮条纹与像元中间位置交汇，产生拍频像，第n个条纹与像元中间交汇至a(x
a
，y
a
)点，第1个条纹与像元中间交汇至b(x
b
，y
b
)点。
[0058]
利用a点和b点绘制直线方程，计算得到直线方程，即利用计算得到理论速度下的角度值θ
理论
。当速度偏离理论值时，目标图像将发生变化。当目标相对移动速度较大时，目标图像呈现压缩现象，条纹及间隔变窄；目标相对移动速度较大时，目标图像呈现舒张现象，条纹及间隔变宽。在模型中，速度变化体现在b
偏差
点位置发生偏移。
[0059]
然后，根据步骤s4中的相关公式开始计算：由倾斜角度得到第1个条纹的直线方程，速度的变化体现在第1个条纹的直线在y轴截距的变化，故存在速度偏差为η
速度偏差
的直线方程可表示为y＝
‑
tanθ
理论
·
x+y
b
·
(1
‑
η
速度偏差
)，则存在速度偏差的直线方程与像元中间交汇点为b
偏差
点，利用a点和b
偏差
点绘制新的直线方程，该方程为：
[0060][0061]
通过公式5得出的具体值，从而确定θ
偏差
的具体指。
[0062]
不同速度偏差η
速度偏差
对应不同的角度值θ
偏差
，计算多个速度偏差η
速度偏差
条件下对应的角度值θ
偏差
，绘制曲线。
[0063]
如图4所示，在实际测试过程中，通过条纹拍频角度θ
偏差
即可得到速度偏差值η
速度偏差
，从而对行频参数进行修正，得到修正值，也就是公式4中的f
校正
。
[0064]
其中，当行频参数偏大时，目标图像相对移动速度变慢，条纹间距变大，拍频像角度变大，速度偏差为负值，f
校正
小于f
设定
，校正后行频参数变小；当行频参数偏小时，目标图像
相对移动速度变快，条纹间距变小，拍频像角度变小，速度偏差为正值，f
校正
大于f
设定
，校正后行频参数变大。
[0065]
优选的一种实施方式，所述照明装置包括积分球和led或卤素灯和led或所述照明装置为led面光源。
[0066]
优选的一种实施方式，所述高精度运动机构可以为匀速直线运动机构或匀速转动运动机构。这里的高精度运动机构为现有技术，不做赘述且不拘泥一种形式。
[0067]
优选的一种实施方式，所述条纹目标靶为明暗相间的条纹靶，所述条纹靶阵列时满足投影后的面积能够覆盖50
×
50个像元以上。
[0068]
本发明对83
×
83的条纹阵列进行测试，当偏转角度为0.7
°
时，速度偏差与角度的关系曲线如图5所示。
[0069]
一种tdi相机行频的校正系统，包括依次设置的照明装置、高精度运动机构、目标发生装置、tdi相机、成像装置，所述高精度运动机构上设置有条纹目标靶；
[0070]
所述照明装置用于均匀的向条纹目标靶提供光源；
[0071]
所述高精度运动机构用于带动条纹目标靶匀速运动；
[0072]
所述目标发生装置将经过条纹目标靶的光线输出成平行光线；
[0073]
所述tdi相机放置在所述平行光线的光路上并将光束聚焦在所述tdi相机的图像传感器的像面上；
[0074]
所述成像装置获取图像，利用倾斜角计算方法计算图像中拍频像的倾斜角，利用速度误差系数计算方法解算倾斜角所对应速度误差值，最后对拍频进行校正。
[0075]
其中，目标发生器用于出射光路中的光束。
[0076]
本系统具体为：条纹目标靶放置在高精度运动机构上，条纹目标靶位于动态目标发生装置物方焦面处，照明机构1对测试目标靶3进行照明，经目标发生装置输出平行光，tdi相机放置在目标发生装置出射平行光光路上，条纹目标靶通过目标发生装置输出的平行光经tdi相机的光学镜头聚焦在tdi相机的图像传感器像面上，获得目标图像，利用倾斜角计算方法计算目标图像中拍频像的倾斜角，利用速度误差系数计算方法解算倾斜角所对应速度误差值，最后对拍频进行校正。
[0077]
以上实施例不局限于该实施例自身的技术方案，实施例之间可以相互结合成新的实施例。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。