[发明专利]一种多片线阵CCD相机的相对辐射定标方法

摘要

本发明涉及一种多片线阵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。

主权项

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＝a_n|p₂|ⁿ+a_n‑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，a_n,a_n‑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：$\left[\begin{array}{c}{P}_1\\ P_2\\ P_3\\ 1\end{array}\right]=M_6{M}_5{M}_4{M}_3{M}_2{M}_1\left[\begin{array}{c}{G}_1\\ G_2\\ 0\\ 1\end{array}\right];---\left(1\right)$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：$\begin{array}{c}{M}_1=\left[\begin{array}{cccc}{\cos i}_0& {-\sin i}_0& 0& 0\\ {\sin i}_0& {\cos i}_0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}{\cos \mathrm{\γ}}_0& 0& {\sin \mathrm{\γ}}_0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ -{\sin \mathrm{\γ}}_0& 0& {\cos \mathrm{\γ}}_0& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& {\cos \∠K}_0{\mathrm{OK}}_1& {\sin \∠K}_0{\mathrm{OK}}_1& 0\\ 0& -{\sin \∠K}_0{\mathrm{OK}}_1& \cos {\∠K}_0{\mathrm{OK}}_1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\\ \left[\begin{array}{cccc}\cos {\∠K}_1{\mathrm{OG}}_0& 0& -\sin \∠K_1{\mathrm{OG}}_0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ {\sin \∠K}_1{\mathrm{OG}}_0& 0& {\cos \∠K}_1{\mathrm{OG}}_0& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& (R+h)\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\end{array};$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：$M_2=\left[\begin{array}{cccc}\cos \mathrm{\ωt}& 0& \sin \mathrm{\ωt}& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ -\sin \mathrm{\ωt}& 0& \cos \mathrm{\ωt}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right];$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：$M_3=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& -(R+H)\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}\cos \mathrm{\γ}& 0& -\sin \mathrm{\γ}& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ \sin \mathrm{\γ}& 0& \cos \mathrm{\γ}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}{\cos i}_0& {\sin i}_0& 0& 0\\ {-\sin i}_0& {\cos i}_0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right];$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：$M_5=\left[\begin{array}{cccc}\frac{f}{H-h}& 0& 0& 0\\ 0& \frac{f}{H-h}& 0& 0\\ 0& 0& \frac{f}{H-h}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right];$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：$M_6=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& f\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right];$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。