一种多片线阵CCD相机的相对辐射定标方法技术

本发明专利技术涉及一种多片线阵CCD相机的相对辐射定标方法，包括以下步骤：建立遥感卫星倾斜布置的多片线阵CCD相机的焦平面坐标系与地理坐标系；根据地球半径以及卫星轨道高度、俯仰角与滚动角，计算成像时刻地理坐标系的坐标原点偏移星下点的地心角大小；建立从地理坐标系到焦平面坐标系的转换关系；在定标模式的成像过程中，依据转换关系计算卫星的偏航角速度，使得多片线阵CCD的所有像元对地面同一区域成像；利用直方图匹配方法建立直方图查找表。本发明专利技术建立在严密转换关系的基础之上，将倾斜布置的多片线阵CCD所有像元对同一区域成像，使得所有像元具有相同的输入。

【技术实现步骤摘要】
一种多片线阵CCD相机的相对辐射定标方法
本专利技术涉及一种多片线阵CCD相机的相对辐射定标方法，属于遥感卫星定标

技术介绍
目前，空间遥感CCD相机朝着更高分辨率、大幅宽等方向发展，从而保证更高的空间分辨率和时间分辨率。在轨道高度一定的前提下，空间相机地面像元分辨率的提高导致相机焦距的增长，而焦距的增长和视场角的增大导致需要采用多片线阵CCD拼接来组成较大幅宽空间相机的焦平面。线阵CCD不同像元的光响应非一致性、读出电路自身及其与CCD耦合的非一致性、不同通道放大电路的非一致性、光学系统的加工精度等原因，导致光学系统和CCD探测器等响应的不一致性，直接表现为同样的辐射亮度输入对各个像元有着不一致性的输出灰度值，从而造成获取的图像出现条带现象。同时，大视场相机焦面由多片线阵CCD拼接而成，不同片CCD由于制造差异，响应度相差较大，导致不同片的图像存在较大的偏差。因此，有必要对多片线阵CCD相机进行相对辐射定标。目前，为减小光学畸变、地球曲率的影响，将多片线阵CCD阵列倾斜布置在焦平面上，用“弧线”形状代替常用的“直线”形状布置方式。例如，法国Pleiades卫星的全色谱段探测器组件由5片线阵CCD组成，地面分辨率0.7m，为减少光学畸变对TDI同步的影响，采取的措施是5片线阵CCD非共线布置，两两相邻两片之间的倾斜角度为0.3°。目前常用的遥感卫星相对辐射定标方法中，实验室相对辐射定标获取的定标系数，随着卫星发射之后遥感器性能的下降，辐射定标系数会失效；均匀地面场景法需要湖泊、草原、冰川、人工均匀场地等定标场，寻找或建设难度大、成本高；大量卫星图像数据的在轨统计是目前国内采用比较广的一种方法，积累多轨图像数据，但该方法的前提是确保各轨图像数据的稳定性；国外应用广泛的Side-slither定标方法，将卫星偏航角旋转90°，选择雨林、沙漠、冰盖等相对均匀的场景作为定标源，因此，对定标源的要求高，导致对定标区域的选择受限。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种多片线阵CCD相机的相对辐射定标方法，建立从地理坐标系到焦平面坐标系的严密转换关系，针对多片线阵CCD在焦平面上倾斜布置的特点、以及光学畸变与地球曲率的影响，建立多片线阵CCD拟合后的成像曲线方程，在此基础之上精确计算偏航角速度，使得倾斜布置的多片线阵CCD所有像元对同一区域成像，该方法无论对星下点成像还是非星下点成像都具备模型严密、求解精度高等优点。本专利技术的技术方案是：一种多片线阵CCD相机的相对辐射定标方法，步骤如下：1)建立遥感卫星多片线阵CCD相机的焦平面坐标系P0-P1P2P3及其对应的地理坐标系G0-G1G2G3；其中多片线阵CCD的相邻两片之间以预设的倾斜角度布置在焦平面上；其中，P0为焦平面坐标系的原点，位于多片线阵CCD的中点；P1、P2、P3三个坐标轴分别平行于卫星本体坐标系S0-S1S2S3的滚动轴、俯仰轴和偏航轴；G0为地理坐标系的坐标原点，且G0是P0点对应的地面点；G1轴过G0且平行于卫星飞行方向；G3轴指向天顶并过地球中心；G2轴垂直于G1G3构成的平面且符合右手法则；建立多片线阵CCD拟合后的成像曲线方程p1＝an|p2|n+an-1|p2|n-1+…+a1|p2|+a0，其中，(p1,p2)表示多片线阵CCD在焦平面坐标系中的坐标，an,an-1,…,a1,a0为方程系数，n为方程次数，|·|表示取绝对值；2)建立从地理坐标系G0-G1G2G3到焦平面坐标系P0-P1P2P3的转换关系；21)卫星绕本体坐标系的滚动轴旋转滚动角之后，P0点对应的地面点从星下点K0指向点K1，则从星下点K0指向点K1对应的地心角表示为∠K0OK1，其中，O为地心；卫星再绕本体坐标系的俯仰轴旋转俯仰角θ之后，P0点对应的地面点从点K1指向点G0，则从点K1指向点G0对应的地心角表示为∠K1OG0；卫星最后绕本体坐标系的偏航轴旋转偏航角ψ之后，P0点对应的地面点仍为G0；根据地球半径R、卫星轨道高度H以及卫星的俯仰角θ、滚动角，计算获得∠K0OK1与∠K1OG0；22)从地理坐标系G0-G1G2G3到焦平面坐标系P0-P1P2P3的转换关系表示为：其中，M1为从地理坐标系G0-G1G2G3到地固坐标系O-E1E2E3的转换矩阵，具体表示为：其中h为地面点G0的地形高度，γ0为升交点与卫星之间的地心角，i0为卫星轨道倾角；M2为从地固坐标系O-E1E2E3到惯性坐标系O-I1I2I3的转换矩阵，具体表示为：其中ω为地球自转角速度；M3为从惯性坐标系O-I1I2I3到轨道坐标系B0-B1B2B3的转换矩阵，具体表示为：其中γ＝γ0+Ωt，Ω为卫星轨道运行相对地心的角速度；M4为从轨道坐标系B0-B1B2B3到本体坐标系S0-S1S2S3的转换矩阵，具体表示为：其中ψ0、θ0、分别表示卫星的初始偏航角、俯仰角与滚动角，分别表示卫星的偏航角速度、俯仰角速度、滚动角速度；M5为从本体坐标系S0-S1S2S3到相机坐标系C0-C1C2C3的转换矩阵，具体表示为：其中f为相机的焦距；M6为从相机坐标系C0-C1C2C3到焦平面坐标系P0-P1P2P3的转换矩阵，具体表示为：3)根据步骤2)中建立的转换关系，计算获得焦平面坐标系P0-P1P2P3的原点P0对应的初始偏流角β0；将卫星偏航角旋转90°-β0后，进入相对辐射定标模式；4)根据步骤1)建立的多片线阵CCD拟合后的成像曲线方程，在相对辐射定标模式的成像过程中，根据步骤2)中建立的转换关系计算获得卫星偏航角速度；多片线阵CCD的所有像元在该偏航角速度下对地面同一区域成像，获取图像数据；5)根据步骤4)获取的图像数据，利用直方图匹配方法获得多片线阵CCD所有像元的直方图查找表。所述步骤21)中根据地球半径R、卫星轨道高度H以及卫星的俯仰角θ、滚动角计算获得∠K0OK1与∠K1OG0的具体方法如下：211)卫星绕本体坐标系的滚动轴旋转滚动角之后，计算获得从星下点K0指向点K1对应的地心角212)卫星绕本体坐标系的俯仰轴旋转俯仰角θ之后，计算从点K1指向点G0对应的地心角其中B0为卫星轨道坐标系的原点。所述步骤4)中卫星偏航角速度获得的具体方法为：41)卫星相对辐射定标模式下，设定偏航角速度的范围为所述偏航角速度不超过卫星姿态机动能力范围；将偏航角速度作为循环变量，以作为偏航角速度的初始值，按照递进步长逐次递加，重复步骤411)至步骤414)，直到偏航角速度到达则循环结束，并转至步骤42)；411)卫星相对辐射定标成像的起始时刻t0记为0，t0时刻对应的焦平面坐标系称为原焦平面坐标系，坐标原点为P0，t0时刻对应的地理坐标系称为原地理坐标系，坐标原点为G0；412)原焦平面坐标系以线性CCD的像元尺寸de作为步长沿着卫星飞行方向进行平移，同时原焦平面坐标系绕着坐标原点P0以偏航角速度进行旋转，经过时间t1＝n1×te后，原焦平面坐标系的原点P0运动到新焦平面坐标系P0′-P1′P2′P3′的原点P0′；其中te为曝光时间，n1为原焦平面坐标系移动的像元个数；计算获得P0′在原焦平面坐标系中的坐标(p10′,p20′,0)，其中根据公式(1)，计算获得新坐标原点本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多片线阵CCD相机的相对辐射定标方法，其特征在于步骤如下：1)建立遥感卫星多片线阵CCD相机的焦平面坐标系P0‑P1P2P3及其对应的地理坐标系G0‑G1G2G3；其中多片线阵CCD的相邻两片之间以预设的倾斜角度布置在焦平面上；其中，P0为焦平面坐标系的原点，位于多片线阵CCD的中点；P1、P2、P3三个坐标轴分别平行于卫星本体坐标系S0‑S1S2S3的滚动轴、俯仰轴和偏航轴；G0为地理坐标系的坐标原点，且G0是P0点对应的地面点；G1轴过G0且平行于卫星飞行方向；G3轴指向天顶并过地球中心；G2轴垂直于G1G3构成的平面且符合右手法则；建立多片线阵CCD拟合后的成像曲线方程p1＝an|p2|n+an‑1|p2|n‑1+…+a1|p2|+a0，其中，(p1,p2)表示多片线阵CCD在焦平面坐标系中的坐标，an,an‑1,…,a1,a0为方程系数，n为方程次数，|·|表示取绝对值；2)建立从地理坐标系G0‑G1G2G3到焦平面坐标系P0‑P1P2P3的转换关系；21)卫星绕本体坐标系的滚动轴旋转滚动角之后，P0点对应的地面点从星下点K0指向点K1，则从星下点K0指向点K1对应的地心角表示为∠K0OK1，其中，O为地心；卫星再绕本体坐标系的俯仰轴旋转俯仰角θ之后，P0点对应的地面点从点K1指向点G0，则从点K1指向点G0对应的地心角表示为∠K1OG0；卫星最后绕本体坐标系的偏航轴旋转偏航角ψ之后，P0点对应的地面点仍为G0；根据地球半径R、卫星轨道高度H以及卫星的俯仰角θ、滚动角，计算获得∠K0OK1与∠K1OG0；22)从地理坐标系G0‑G1G2G3到焦平面坐标系P0‑P1P2P3的转换关系表示为：P1P2P31=M6M5M4M3M2M1G1G201;---(1)]]>其中，M1为从地理坐标系G0‑G1G2G3到地固坐标系O‑E1E2E3的转换矩阵，具体表示为：M1=cosi0-sini000sini0cosi00000100001cosγ00sinγ000100-sinγ00cosγ00000110000cos∠K0OK1sin∠K0OK100-sin∠K0OK1cos∠K0OK100001cos∠K1OG00-sin∠K1OG000100sin∠K1OG00cos∠K1OG00000110000100001(R+h)0001;]]>其中h为地面点G0的地形高度，γ0为升交点与卫星之间的地心角，i0为卫星轨道倾角；M2为从地固坐标系O‑E1E2E3到惯性坐标系O‑I1I2I3的转换矩阵，具体表示为：M2=cosωt0sinωt00100-sinωt0cosωt00001;]]>其中ω为地球自转角速度；M3为从惯性坐标系O‑I1I2I3到轨道坐标系B0‑B1B2B3的转换矩阵，具体表示为：M3=10000100001-(R+H)0001cosγ0-sinγ00100sinγ0cosγ00001cosi0sini000-sini0cosi00000100001;]]>其中γ＝γ0+Ωt，Ω为卫星轨道运行相对地心的角速度；M4为从轨道坐标系B0‑B1B2B3到本体坐标系S0‑S1S2S3的转换矩阵，具体表示为：其中ψ0、θ0、分别表示卫星的初始偏航角、俯仰角与滚动角，分别表示卫星的偏航角速度、俯仰角速度、滚动角速度；M5为从本体坐标系S0‑S1S2S3到相机坐标系C0‑C1C2C3的转换矩阵，具体表示为：M5=fH-h0000fH-h0000fH-h00001;]]>其中f为相机的焦距；M6为从相机坐标系C0‑C1C2C3到焦平面坐标系P0‑P1P2P3的转换矩阵，具体表示为：M6=10000100001f0001;]]>3)根据步骤2)中建立的转换关系，计算获得焦平面坐标系P0‑P1P2P3的原点P0对应的初始偏流角β0；将卫星偏航角旋转90°‑β0后，进入相对辐射定标模式；4)根据步骤1)建立的多片线阵CCD拟合后的成像曲线方程，在相对辐射定标模式的成像过程中，根据步骤2)中建立的转换关系计算获得卫星偏航角速度；多片线阵CCD的所有像元在该偏航角速度下对地面同一区域成像，获取图像数据；5)根据步骤4)获取的图像数据，利用直方图匹配方法获得多片线阵CCD所有像元的直方图查找表。...

【技术特征摘要】
1.一种多片线阵CCD相机的相对辐射定标方法，其特征在于步骤如下：1)建立遥感卫星多片线阵CCD相机的焦平面坐标系P0-P1P2P3及其对应的地理坐标系G0-G1G2G3；其中多片线阵CCD的相邻两片之间以预设的倾斜角度布置在焦平面上；其中，P0为焦平面坐标系的原点，位于多片线阵CCD的中点；P1、P2、P3三个坐标轴分别平行于卫星本体坐标系S0-S1S2S3的滚动轴、俯仰轴和偏航轴；G0为地理坐标系的坐标原点，且G0是P0点对应的地面点；G1轴过G0且平行于卫星飞行方向；G3轴指向天顶并过地球中心；G2轴垂直于G1G3构成的平面且符合右手法则；建立多片线阵CCD拟合后的成像曲线方程p1＝an|p2|n+an-1|p2|n-1+L+a1|p2|+a0，其中，(p1,p2)表示多片线阵CCD在焦平面坐标系中的坐标，an,an-1,L,a1,a0为方程系数，n为方程次数，|·|表示取绝对值；2)建立从地理坐标系G0-G1G2G3到焦平面坐标系P0-P1P2P3的转换关系；21)卫星绕本体坐标系的滚动轴旋转滚动角之后，P0点对应的地面点从星下点K0指向点K1，则从星下点K0指向点K1对应的地心角表示为∠K0OK1，其中，O为地心；卫星再绕本体坐标系的俯仰轴旋转俯仰角θ之后，P0点对应的地面点从点K1指向点G0，则从点K1指向点G0对应的地心角表示为∠K1OG0；卫星最后绕本体坐标系的偏航轴旋转偏航角ψ之后，P0点对应的地面点仍为G0；根据地球半径R、卫星轨道高度H以及卫星的俯仰角θ、滚动角计算获得∠K0OK1与∠K1OG0；22)从地理坐标系G0-G1G2G3到焦平面坐标系P0-P1P2P3的转换关系表示为：其中，M1为从地理坐标系G0-G1G2G3到地固坐标系O-E1E2E3的转换矩阵，具体表示为：其中h为地面点G0的地形高度，γ0为升交点与卫星之间的地心角，i0为卫星轨道倾角；M2为从地固坐标系O-E1E2E3到惯性坐标系O-I1I2I3的转换矩阵，具体表示为：其中ω为地球自转角速度；M3为从惯性坐标系O-I1I2I3到轨道坐标系B0-B1B2B3的转换矩阵，具体表示为：其中γ＝γ0+Ωt，Ω为卫星轨道运行相对地心的角速度；M4为从轨道坐标系B0-B1B2B3到本体坐标系S0-S1S2S3的转换矩阵，具体表示为：其中ψ0、θ0、分别表示卫星的初始偏航角、俯仰角与滚动角，分别表示卫星的偏航角速度、俯仰角速度、滚动角速度；M5为从本体坐标系S0-S1S2S3到相机坐标系C0-C1C2C3的转换矩阵，具体表示为：其中f为相机的焦距；M6为从相机坐标系C0-C1C2C3到焦平面坐标系P0-P...

【专利技术属性】
技术研发人员：李海超，满益云，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11