專利名稱：一種多片交錯拼接tdi-ccd相機偏流角的調(diào)整方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種TDI-C⑶相機偏流角的調(diào)整方法，特別是涉及一種適合于應(yīng)用在航天相機地面成像實驗中的，多片交錯拼接TDI-C⑶相機偏流角的調(diào)整方法。
背景技術(shù)：
TDI (Time Delayed and Integration)_CCD,即時間延遲積分 CCD,是近幾年發(fā)展起來的一種新型光電傳感器。TDI-C⑶是基于對同一目標(biāo)多次曝光，通過延遲積分的方法，大大增加了光能的收集，在惡劣環(huán)境條件下，例如在光線較暗的場所，也能輸出一定信噪比的信號。在空間對地面的遙感中，采用TDI-CCD器件作為焦平面探測器可以減小相對孔徑，從而可減小探測器重量和體積。當(dāng)應(yīng)用TDI-CCD對運動目標(biāo)成像時，與其他視頻掃描方法 相比具有一系列優(yōu)點，其中包括靈敏度高、動態(tài)范圍大等。它允許在限定光強時提高掃描速度，或在常速掃描時減小照明光源的亮度，減小了功耗，降低了成本。航天相機是航天遙感器中最重要的遙感器，一般包括航天偵察相機、航天測繪相機、航天多光譜相機及成像光譜儀。航天相機多采用TDI-CCD作為焦平面光電轉(zhuǎn)換元件。拍照方式采用推掃成像技術(shù)，通過對同一目標(biāo)進行多次曝光積分，獲得足夠的光電靈敏度和信噪比。這種TDI-C⑶的工作原理與普通線陣CXD不同，它要求行掃速率與目標(biāo)的運動速率嚴格同步。在成像過程中需要保證推掃方向和TDI-CCD積分方向嚴格一致，且像移速度要與TDI-CCD的行頻相匹配，否則將產(chǎn)生圖像模糊和幾何畸變?？刂仆茠叻较蚝托蓄l匹配的技術(shù)被稱為像移匹配技術(shù)，像移匹配是TDI-CXD使用過程中需要著重解決的問題。TDI-CCD推掃方向和積分方向的角度偏差被稱為偏流角。航天相機在研制、調(diào)試階段需要在地面做大量成像試驗，靜態(tài)、動態(tài)傳遞函數(shù)測試等工作。航天相機的地面成像實驗是航天相機研制、調(diào)試階段的一種重要的安全測試手段。在該地面成像實驗中，需要將多片交錯拼接TDI-CCD相機安裝在轉(zhuǎn)臺上，轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)帶動相機轉(zhuǎn)動，從而做到模擬在軌推掃成像。由于轉(zhuǎn)臺、相機、光機系統(tǒng)、焦平面等存在安裝誤差；對月亮等高仰角目標(biāo)成像時還會引入俯仰角誤差，這些因素會在成像過程中產(chǎn)生偏流角，影響成像質(zhì)量。由于上述地面實驗中產(chǎn)生偏流角的因素為相機安裝、目標(biāo)位置、轉(zhuǎn)臺精度等方面。導(dǎo)致現(xiàn)有技術(shù)中的，飛行器上利用調(diào)偏流機構(gòu)來實現(xiàn)偏流角調(diào)整的方法，不能應(yīng)用在航天相機的地面成像實驗中。目前，航天相機的地面成像實驗的調(diào)整偏流角的方法是分析產(chǎn)生偏流角的各個環(huán)節(jié)，對各環(huán)節(jié)的引入的誤差進行標(biāo)定，最終通過調(diào)偏流機構(gòu)將總誤差引起的偏流角消除。這種方法實現(xiàn)起來復(fù)雜，各環(huán)節(jié)的標(biāo)校精度要求很高；對于拍攝月亮這種動目標(biāo)需要頻繁調(diào)整偏流角，精度和速度都難以保證。所以目前，急需一種適合于應(yīng)用在航天相機地面成像實驗中的，多片交錯拼接TDI-CCD相機偏流角的調(diào)整方法。
發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有的航天相機的地面成像實驗的調(diào)整偏流角的方法存在的，各環(huán)節(jié)的標(biāo)校精度要求很高、頻繁調(diào)整偏流角時精度和速度都難以保證的技術(shù)問題，提出一種適用于應(yīng)用在航天相機地面成像實驗中的，簡單高效、可以滿足頻繁調(diào)整需要的、多片交錯拼接TDI-CXD相機偏流角的調(diào)整方法。本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下一種多片交錯拼接TDI-C⑶相機偏流角的調(diào)整方法，包括以下步驟步驟101 :測量得到相鄰的兩片TDI-CXD在偏流角為零時的搭接像元列數(shù)n ；步驟102 :計算所述相鄰的兩片TDI-C⑶所拍到的重復(fù)圖像的像元列數(shù)m ;步驟103 :調(diào)整調(diào)偏流機構(gòu)，使重復(fù)圖像的像元列數(shù)m趨向于與搭接像元列數(shù)n —致。在上述技術(shù)方案中，所述步驟102具體包括 步驟102a :拍照并采集圖像；步驟102b :計算相鄰的兩片TDI-CXD重復(fù)圖像的列數(shù)m。在上述技術(shù)方案中，在所述步驟102之前還包括步驟確定調(diào)偏流機構(gòu)初始位置。在上述技術(shù)方案中，所述步驟103具體包括步驟103a :判斷m是否等于0,如果是則調(diào)整調(diào)偏流機構(gòu)向正方向調(diào)整偏流角，然后轉(zhuǎn)步驟102 ;如果否則轉(zhuǎn)步驟103b ；步驟103b :判斷m是否小于n，如果是則計算偏流角P，并根據(jù)計算得到的結(jié)果調(diào)整調(diào)偏流機構(gòu)向正方向調(diào)整偏流角P，然后結(jié)束；如果否則轉(zhuǎn)步驟103c ；步驟103c :判斷m是否大于n，如果是則計算偏流角P，并根據(jù)計算得到的結(jié)果調(diào)整調(diào)偏流機構(gòu)向負方向調(diào)整偏流角P，然后結(jié)束；如果否則轉(zhuǎn)步驟103d ；步驟103d :判斷m是否等于n,如果是則結(jié)束。 在上述技術(shù)方案中，在所述步驟103之前還包括步驟測量得到兩行TDI-C⑶感光區(qū)的間距d，以及每片TDI-C⑶的像元尺寸a。在上述技術(shù)方案中，所述步驟103b中的計算偏流角P是根據(jù)P =arcta n[aX (m_n)/d]得到的；所述步驟103c中的計算偏流角P是根據(jù)P =arctan[aX (n_m)/d]得到的。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的多片交錯拼接TDI-CXD相機偏流角的調(diào)整方法，利用圖像匹配的方法，計算出相鄰兩片TDI-CXD圖像中重疊圖像的列數(shù)m，圖像重疊列數(shù)m與已知搭接像元列數(shù)n的差值作為調(diào)偏流方向的依據(jù)。本發(fā)明的調(diào)整方法避免中間環(huán)節(jié)的標(biāo)校，直接從成像鏈路的末端——圖像入手，通過計算兩片TDI-C⑶之間搭接像元的列數(shù)來調(diào)整偏流角的大小，實現(xiàn)簡單，調(diào)偏流速度快，很適合TDI-C⑶地面轉(zhuǎn)臺成像實驗中使用。
圖I是交錯拼接TDI-CXD相機中的多片TDI-CXD位置的示意圖；圖2是本發(fā)明的多片交錯拼接TDI-CCD相機偏流角的調(diào)整方法的一種具體實施方式
中的調(diào)整方法流程示意圖；圖3是圖2所示的具體實施方式
中，當(dāng)m=0時兩片CXD位置關(guān)系示意圖；圖4是圖2所示的具體實施方式
中，當(dāng)m>n時兩片CXD位置關(guān)系示意圖；圖5是圖2所不的具體實施方式
中，當(dāng)0〈m〈n時兩片(XD位直關(guān)系不意圖6是圖2所示的具體實施方式
中，當(dāng)m=n時兩片CCD位置關(guān)系示意圖；圖7是圖2所示的具體實施方式
中，實驗的組成框圖；圖8是圖2所示的具體實施方式
中，相鄰兩片TDI-CXD拼接參數(shù)示意圖；圖9是輻射狀標(biāo)靶的示意圖；圖10是圖2所示的具體實施方式
中，相鄰兩片TDI-CCD拍照圖9中所示的輻射狀標(biāo)靶得到的照片示意圖；圖中的附圖標(biāo)記表示為I-第一片 TDI-CCD (TDI-CCD1)的感光區(qū)；2_ 第二片 TDI-CCD (TDI-CCD2)的感光區(qū)；
3-平行光管；4_相機光機本體；5_調(diào)偏流機構(gòu)；6-轉(zhuǎn)臺；7_圖像采集與處理系統(tǒng)；8-TDI-CCD及成像電路。
具體實施例方式本發(fā)明的思想是，不交纏于分析計算產(chǎn)生偏流角的各環(huán)節(jié)以及各環(huán)節(jié)對產(chǎn)生偏流角的貢獻值，而是將圖像引入偏流角控制回路，因為各環(huán)節(jié)引起的偏流角的總和最終在圖像中有所體現(xiàn)。將兩片TDI-CCD獲取的圖像中的重復(fù)圖像找出，并計算出重復(fù)圖像的列數(shù)，并利用該值計算出需要調(diào)整調(diào)偏流機構(gòu)的角度值，從而可以快速調(diào)整調(diào)偏流機構(gòu)到準(zhǔn)確的位置。本發(fā)明為了克服飛行器上使用的像移補償方法不適合地面轉(zhuǎn)臺推掃實驗的不足，不研究像移產(chǎn)生的環(huán)節(jié)，直接從圖像結(jié)果出發(fā)，利用圖像匹配方法找出兩片TDI-CCD搭接像元數(shù)，通過調(diào)整調(diào)偏流機構(gòu)，使搭接像元數(shù)逼近理論數(shù)值，從而消除成像過程偏流角的影響。具體是通過以下步驟來實現(xiàn)步驟101 :測量得到相鄰的兩片TDI-CXD在偏流角為零時的搭接像元列數(shù)n ；步驟102 :計算所述相鄰的兩片TDI-C⑶所拍到的重復(fù)圖像的像元列數(shù)m ；步驟103 :調(diào)整調(diào)偏流機構(gòu)，使重復(fù)圖像的像元列數(shù)m趨向于與搭接像元列數(shù)n —致。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述。圖I至圖10顯示了本發(fā)明的多片交錯拼接TDI-C⑶相機偏流角的調(diào)整方法的一種具體實施方式
。如圖I所示，實驗系統(tǒng)中的設(shè)備包括作為光源的平行光管3，相機光機本體4，與所述相機光機本體4相連接的調(diào)偏流機構(gòu)5和TDI-CXD及成像電路8，以及圖像采集與處理系統(tǒng)7。所述相機光機本體5設(shè)置在轉(zhuǎn)臺6上。如圖I所示，兩行TDI-CCD中，每一行都設(shè)有多片TDI-CXD，而相鄰的兩片TDI-CXD處在不同兩行上。在交錯拼接TDI-CXD相機中的多片TDI-CXD中相鄰的兩片TDI-CXD (第一和第二片TDI-(XD)的位置關(guān)系如圖8所示。本發(fā)明的偏流角的調(diào)整方法的具體步驟為，如圖2所示步驟I、確定多片(至少2片)TDI-C⑶搭接拼接的像元列數(shù)n，n為圖像調(diào)偏流的期望值。確定兩行TDI-CCD感光區(qū)的間距d。同時需要確定調(diào)偏流機構(gòu)控制碼V計算公式v=f( 0 ),該公式與調(diào)偏流機構(gòu)設(shè)計的速比有關(guān)。每一個P值均對應(yīng)一個調(diào)偏流控制碼V,控制碼V決定了調(diào)偏流機構(gòu)的轉(zhuǎn)動角度。
步驟2、將調(diào)偏流機構(gòu)調(diào)整到中間位置。通常調(diào)偏流機構(gòu)可以在正負兩個方向上轉(zhuǎn)動，兩個方向中有一個方向會使搭接像元數(shù)比期望搭接數(shù)多，該方向定義為正方向，另一個方向會使搭接像元數(shù)少甚至?xí)┛p，該方向定義為負方向。實驗中以調(diào)偏流機構(gòu)的中間位置作為調(diào)整的起點。步驟3、開始拍照，采集圖像，獲得如圖10所示的圖像。其中圖中的A、B所指示的兩部分區(qū)域的圖像，為兩片TDI-C⑶由于搭接而產(chǎn)生的重復(fù)圖像。步驟4、利用圖像匹配算法尋找左右兩部分重復(fù)圖像寬度，即重復(fù)圖像的列數(shù)m。步驟5、如果m=0,說明當(dāng)前偏流角偏向負方向的角度過大，以至于兩片TDI-CXD獲取的圖像沒有重疊區(qū)域，此時需要向正方向調(diào)整調(diào)偏流機構(gòu)后返回步驟3。此時兩片TDI-CXD的偏轉(zhuǎn)角度示意圖如圖3所示，第一片TDI-CXD (TDI-(XDl)的感光區(qū)I與第二片TDI-CXD (TDI-CXD2)的感光區(qū)2獲取的圖像沒有重疊區(qū)域。步驟6、如果m>n，說明當(dāng)前偏流角偏向正方向，此時兩片TDI-CXD的偏轉(zhuǎn)角度示意 圖如圖4所示，第一片TDI-CCD (TDI-CCDl)的感光區(qū)I與第二片TDI-CCD (TDI-CCD2)的感光區(qū)2獲取的圖像有重疊區(qū)域。此時偏流角P=arctan[aX (m_n)/d]。將偏流角@帶入調(diào)偏流機構(gòu)控制碼V計算公式v=f ( ^ ),計算出V值,將V值傳送至調(diào)偏流機構(gòu)中，使之向負方向調(diào)整到￠=0的位置，調(diào)偏流過程結(jié)束。步驟7、如果0〈m〈n，說明當(dāng)前偏流角偏向負方向，此時兩片TDI-CXD的偏轉(zhuǎn)角度示意圖如圖5所示，第一片TDI-CCD (TDI-CCDl)的感光區(qū)I與第二片TDI-CCD (TDI-CCD2)的感光區(qū)2獲取的圖像有重疊區(qū)域。此時偏流角P=arctan[aX (n_m)/d]。將偏流角3帶入調(diào)偏流機構(gòu)控制碼V計算公式v=f ( ^ ),計算出V值,將V值傳送至調(diào)偏流機構(gòu)中，使之向正方向調(diào)整到￠=0的位置，調(diào)偏流過程結(jié)束。步驟8、如果m=n,說明偏流角P =0,此時偏流角已經(jīng)調(diào)整到位,調(diào)偏流過程結(jié)束。此時兩片TDI-CCD的偏轉(zhuǎn)角度示意圖如圖6所示。下面以具體的實驗過程和具體實驗數(shù)據(jù)來說明本具體實施方式
。如圖7-10所示，本發(fā)明采用兩片交錯拼接的4096X96級TDI-CXD做偏離角調(diào)整實驗。實驗的組成框圖如圖7所示。圖7中的平行光管用于模擬無窮遠目標(biāo)，成像相機安裝于單軸轉(zhuǎn)臺6上,轉(zhuǎn)臺6轉(zhuǎn)動帶動相機光機本體4擺轉(zhuǎn)運動來模擬推掃拍照過程。CCD成像系統(tǒng)固聯(lián)于調(diào)偏流機構(gòu)5上，CXD成像系統(tǒng)獲得推掃圖像數(shù)據(jù)，通過Camlink接口將圖像傳到圖像采集與處理系統(tǒng)7中。計算兩片交錯拼接TDI-CCD搭接像元數(shù)的算法在圖像采集與處理系統(tǒng)7中完成。計算出搭接像元數(shù)后，圖像采集與處理系統(tǒng)7向調(diào)偏流機構(gòu)5發(fā)送指令，控制調(diào)偏流機構(gòu)5轉(zhuǎn)動一定的角度進行偏流角補償。兩片TDI-CXD拼接尺寸和搭接像元數(shù)如圖8所示，兩片TDI-C⑶感光區(qū)間距d=25mm,搭接的像元數(shù)n=30,像元尺寸a=8. 75um。實驗選用的祀標(biāo)為福射狀祀標(biāo)如圖9所示。具體實驗過程如下TDI-CCD 相機上電； 將調(diào)偏流機構(gòu)5調(diào)整到中間位置；啟動轉(zhuǎn)臺6,轉(zhuǎn)臺6帶動相機轉(zhuǎn)動；轉(zhuǎn)臺6轉(zhuǎn)速恒定時TDI-CXD相機開始拍照，并將兩片TDI-CXD拍到的靶標(biāo)圖像傳至圖像采集與處理系統(tǒng)7中。兩片TDI-CXD拍到的原始圖像如圖10所示；
圖像采集與處理系統(tǒng)7中的圖像匹配算法開始工作，計算兩片TDI-CXD拍到的重復(fù)圖像的列數(shù)m。圖10中A、B兩部分為重疊圖像，重疊圖像的列數(shù)m=23。0〈m〈n說明當(dāng)前偏流角偏向負方向，需要將調(diào)偏流機構(gòu)5向正方向調(diào)整,調(diào)整的角度P=arctan[aX (n_m)/d] =0. 14。將3角帶入調(diào)偏流控制碼公式可以計算出v=0x034a,將該碼值傳輸至調(diào)偏流控制器中，控制調(diào)偏流機構(gòu)5向正方向轉(zhuǎn)動到￠=0的位置，調(diào)偏流過程結(jié)束。本發(fā)明的多片交錯拼接TDI-C⑶相機偏流角的調(diào)整方法適用于多片(多于等于2片)TDI-CXD交錯拼接的相機，且兩片TDI-CXD具有一定的搭接像元數(shù)。對于單片TDI-CXD或者多片TDI-C⑶間沒有搭接像元的相機不適用本發(fā)明的偏流角調(diào)整方法。本發(fā)明的多片交錯拼接TDI-CCD相機偏流角的調(diào)整方法適用于航天、航空相機的地面轉(zhuǎn)臺推掃成像實驗中，不適用于在執(zhí)行任務(wù)中的調(diào)偏流過程。本發(fā)明的多片交錯拼接TDI-CCD相機偏流角的調(diào)整方法中的步驟4中的“利用圖像匹配方法找出重疊列數(shù)”的方法有多種，在其他的具體實施方式
中，只要保證準(zhǔn)確找出兩 片C⑶拍到的重疊區(qū)域即可。本發(fā)明的多片交錯拼接TDI-CCD相機偏流角的調(diào)整方法的上述具體實施方式
，是按照左側(cè)的TDI-CXD位于右側(cè)的TDI-CXD下方的情況，如圖8所示的相的TDI-CXD的位置關(guān)系，來進行的說明，據(jù)此顯然可以得到左側(cè)的TDI-CXD位于右側(cè)的TDI-CXD上方的情況應(yīng)如何進行偏流角的調(diào)整，故不對后一種情況進行贅述。顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護范圍之中。
權(quán)利要求
1.一種多片交錯拼接TDI-C⑶相機偏流角的調(diào)整方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟101 :測量得到相鄰的兩片TDI-CCD在偏流角為零時的搭接像元列數(shù)n ； 步驟102 :計算所述相鄰的兩片TDI-C⑶所拍到的重復(fù)圖像的像元列數(shù)m ； 步驟103 :調(diào)整調(diào)偏流機構(gòu)，使重復(fù)圖像的像元列數(shù)m趨向于與搭接像元列數(shù)n—致。
2.如權(quán)利要求I所述的調(diào)整方法，其特征在于，所述步驟102具體包括 步驟102a :拍照并采集圖像； 步驟102b :計算相鄰的兩片TDI-CXD重復(fù)圖像的列數(shù)m。
3.如權(quán)利要求I所述的調(diào)整方法，其特征在于，在所述步驟102之前還包括步驟確定調(diào)偏流機構(gòu)初始位置。
4.如權(quán)利要求1-3任一所述的調(diào)整方法，其特征在于，所述步驟103具體包括 步驟103a:判斷m是否等于0，如果是則調(diào)整調(diào)偏流機構(gòu)向正方向調(diào)整偏流角，然后轉(zhuǎn)步驟102 ;如果否則轉(zhuǎn)步驟103b ； 步驟103b :判斷m是否小于n，如果是則計算偏流角P，并根據(jù)計算得到的結(jié)果調(diào)整調(diào)偏流機構(gòu)向正方向調(diào)整偏流角P，然后結(jié)束；如果否則轉(zhuǎn)步驟103c ； 步驟103c :判斷m是否大于n，如果是則計算偏流角P，并根據(jù)計算得到的結(jié)果調(diào)整調(diào)偏流機構(gòu)向負方向調(diào)整偏流角P，然后結(jié)束；如果否則轉(zhuǎn)步驟103d ； 步驟103d :判斷m是否等于n，如果是則結(jié)束。
5.如權(quán)利要求4所述的調(diào)整方法，其特征在于， 在所述步驟103之前還包括步驟測量得到兩行TDI-CCD感光區(qū)的間距d，以及每片TDI-CCD的像元尺寸a。
6.如權(quán)利要求5所述的調(diào)整方法，其特征在于，所述步驟103b中的計算偏流角P是根據(jù)P =arctan[aX (m_n) /d]得到的； 所述步驟103c中的計算偏流角P是根據(jù)P =arctan[aX (n_m) /d]得到的。
全文摘要
一種多片交錯拼接TDI-CCD相機偏流角的調(diào)整方法，包括以下步驟步驟101測量得到相鄰的兩片TDI-CCD在偏流角為零時的搭接像元列數(shù)n；步驟102計算所述相鄰的兩片TDI-CCD所拍到的重復(fù)圖像的像元列數(shù)m；步驟103調(diào)整調(diào)偏流機構(gòu)，使重復(fù)圖像的像元列數(shù)m趨向于與搭接像元列數(shù)n一致。本發(fā)明的調(diào)整方法避免中間環(huán)節(jié)的標(biāo)校，直接從成像鏈路的末端——圖像入手，通過計算兩片TDI-CCD之間搭接像元的列數(shù)來調(diào)整偏流角的大小,實現(xiàn)簡單，調(diào)偏流速度快，很適合TDI-CCD地面轉(zhuǎn)臺成像實驗中使用。
文檔編號H04N5/372GK102710905SQ201210176738
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月31日
發(fā)明者張葉, 曲宏松, 賀小軍, 金光, 陶淑蘋 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所