[发明专利]一种基于月球成像的光学成像系统焦距精确测量方法

权利要求书

1.一种基于月球成像的光学成像系统焦距精确测量方法，其特征在于通过以下步骤实现：

（1）通过光学成像系统在地面或在轨观测月球，获取月球图像，记录成像位置以及成像时刻，计算光学成像系统到月球的距离；

（2）初步确定月球所在图像中的位置，基于亚像素边缘检测算法提取月球图像边缘；

（3）利用提取的边缘信息对月球圆盘进行初步拟合，构造月球圆环，并根据落入月球圆环区域的边缘点数，得到初始粗拟合圆盘；

（4）在初始粗拟合圆盘的基础上，利用最小二乘法拟合月球圆盘，并且基于距离约束逐步优化，最终得到高精度的亚像素级月球圆盘；

（5）利用光学成像系统与月球的位置几何关系计算光学成像系统焦距。

2.根据权利要求1所述的一种基于月球成像的光学成像系统焦距精确测量方法，其特征在于：所述步骤（2）中初步确定月球所在图像中的位置通过以下步骤实现：

（2.1）构造月球图像的坐标系XOY，将所获取的月球图像的左上角作为月球图像的坐标原点O，水平向右作为月球图像的X轴，竖直向下作为月球图像的Y轴；

（2.2）将月球图像分别在X、Y方向投影，在X方向的投影值为图像中每一列的灰度值之和，在Y方向的投影值为图像中每一行的灰度值之和，分别统计X与Y方向灰度值之和大于预设阈值的区域，该区域的宽度与高度分别表示为ΔX与ΔY；

（2.3）将上述区域在X与Y方向分别往+X、-X方向以及+Y、-Y方向扩展δ个像素，则将宽度为ΔX+2δ、高度为ΔY+2δ的矩形区域初步确定为月球所在图像中的位置。

3.根据权利要求2所述的一种基于月球成像的光学成像系统焦距精确测量方法，其特征在于：所述步骤（2.1）中预设阈值大于20个灰度值，所述步骤（2.2）中δ取值范围30～50个像素。

4.根据权利要求1所述的一种基于月球成像的光学成像系统焦距精确测量方法，其特征在于：所述步骤（3）中得到初始粗拟合圆盘通过以下步骤实现：

（3.1）根据步骤（2）提取的边缘信息，统计所有边缘在X、Y方向的坐标最大点与最小点，得到所对应的四个极值点坐标，判断四个极值点中是否有重合的点，如果四个极值点都不重合，则转步骤（3.3），否则四个极值点有重合，不重合的极值点数为m个，m为大于1小于4的整数，继续步骤（3.2）；

（3.2）构造新坐标系X′O′Y′，以月球图像的坐标原点O为新坐标系的坐标原点O′，X轴、Y轴各顺时针旋转45°得到X′轴和Y′轴，统计所有边缘在X′、Y′方向的坐标最大点与最小点得到四个新极值点坐标，判断每个新极值点与步骤（3.1）中极值点是否重合，如果不重合则m加1，将该新极值点补充到步骤（3.1）中的极值点中，直到m等于4，得到四个不重合的极值点；

（3.3）以四个极值点的三个极值点作为一组分别拟合月球圆盘，得到四个月球圆盘；

（3.4）对四个月球圆盘中的每个圆盘都进行下述处理，即以月球圆盘边界为分界线，在半径方向分别向外、向内扩展n个像素，形成宽度为2n个像素的月球圆环；

（3.5）统计所有边缘点落在月球圆环外侧的边缘点的个数，如果边缘点的个数大于设定的阈值，则将该月球圆环所对应的月球圆盘去掉，不作为候选月球圆盘，如果边缘点的个数不大于设定的阈值，则将该月球圆环所对应的月球圆盘作为候选月球圆盘；

（3.6）遍历候选月球圆盘中的所有边缘点，记录落在候选月球圆盘所对应的月球圆环区域的边缘点，如果所述候选月球圆盘的个数大于1，则继续步骤（3.7），否则将该候选月球月盘作为初始粗拟合圆盘，不继续步骤（3.7）；

（3.7）统计所记录的落在每个候选月球圆盘所对应的圆环区域的边缘点数，将具有最大边缘点数所对应的月球圆盘作为初始粗拟合圆盘。

5.根据权利要求4所述的一种基于月球成像的光学成像系统焦距精确测量方法，其特征在于：所述步骤（4）中得到高精度的亚像素级月球圆盘通过以下步骤实现：

（4.1）将步骤（3.6）或步骤（3.7）所获得的初始粗拟合圆盘所对应的圆环区域的边缘点，利用最小二乘法拟合圆盘，得到亚像素级月球圆盘；

（4.2）确定参与拟合的每个边缘点到亚像素级月球圆盘的距离，如果该距离大于设定的阈值，则去掉该边缘点，否则保留该边缘点；直至所有边缘点处理完成；

（4.3）将保留的所有边缘点利用最小二乘法拟合圆盘，得到新的亚像素级月球圆盘，重新执行步骤（4.2），直到所有距离大于设定阈值的边缘点都去掉得到高精度的亚像素级月球圆盘。