一种标定相机内方位元素的迭代算法

为优化自标定技术解算内方位元素数学模型,阐述了一种利用自标定技术进行相机内方位元素标定的迭代算法。内方位元素结果优化采用牛顿—拉夫逊迭代算法,在保证计算效率的同时能够获得较高的精度。B双空间几何理论建立于正方形在物、像两空间的射影几何关系,利用二维棋盘格标定图像中点、线、面间固有的几何关系得到迭代算法初值;采用包含3个径向和2个切向畸变系数的畸变模型能够更好地表达镜头畸变情况;标定方法操作过程简单、实验误差小。为与张氏标定法进行比较,对使用张氏标定法的图像数据进行实验,得到与其相同标定精度的实验结果,验证了基于B双空间几何法的自标定方法的正确性和可行性。     

空间机械臂视觉相机内参标定技术研究

针对空间机械臂视觉相机的任务需求与配置,内参标定技术是相机高精度获取合作目标位置、方向等运动信息的首要前提和重要保障。文章设计了一种基于二维平面靶的机械臂相机内参标定方法,用于解算焦距、主点坐标、畸变系数等。首先,利用相机拍摄多幅平面靶图像,求解平面靶与相机图像之间的映射矩阵;其次,构建相机内参约束方程;再次,利用特征值分解,解算焦距、主点坐标等参数值;最后,引入径向、切向畸变构建非线性模型,将解得的内参作为初值,利用Levenberg-Marquardt优化算法即可计算出相机内参最优解。试验结果表明,该方法完全适用于机械臂相机内参标定,标定结果均满足机械臂视觉相机获取合作目标三维位姿的测量精度要求。     

偏场使用的同轴三反系统畸变稳定性仿真分析

针对测绘图像几何精度对光学镜头畸变稳定的要求,仿真分析了一偏场使用的同轴三反光学系统镜头的畸变稳定性,从而论证该光学镜头用于测绘相机的可能性。将光学系统畸变误差源分解为加工误差、装调误差、工作温度变化引入的误差、以及调焦引入的误差4个主要部分,利用光学设计软件仿真分析了各误差源单独做用时对光学镜头畸变的影响情况,仿真结果表明在引入误差源的情况下,所分析的光学镜头的相对畸变不变,绝对畸变的最大变化范围小于2个像元尺寸,光学镜头的畸变稳定,有用于测绘相机的可能性。     

基于大数据多视场传函计算的星载相机焦面标定方法

为了精准标定星载相机在轨焦面位置,提出了一种基于大数据多视场光电传递函数过焦曲线的计算方法,即采用大数据处理办法,排除温度梯度、振动等测试环境影响,计算得到多视场光电传递函数,并测试计算不同焦面位置下的传递函数,绘制过焦曲线,标定焦面。通过该方法,实现了有效光学口径为600 mm,焦距为2597 mm的高分七号卫星正样激光测高仪系统中两通道可见光足印相机的焦面标定,位置标定精度小于0.02 mm,各个视场传递函数优于0.35(31线对/毫米)。经高分七号在轨图像验证,大数据多视场光电传递函数计算方法完全满足现有星载相机的标定精度和像质要求。     

非合作大目标位姿测量的线结构光视觉方法

空间机器人与非合作大目标交会接近最终段,单目相机不能获取完整的特征图像而无法完成相对位姿测量。针对此问题,提出基于线结构光和单目视觉的相对位姿测量方法。以非合作大目标上的局部矩形特征为测量对象,首先,建立相对位姿测量模型并给出四个测量坐标系之间的关系;其次,通过相机对不完整矩形和线结构光的约束获得四个特征点在相机坐标系下的坐标;然后,利用四个特征点计算相机坐标系与目标坐标系之间的转移矩阵;最后,将转移矩阵分解得到矩形特征的相对位姿。通过改变影响测量精度的输入误差和标定误差等因素对该方法进行仿真验证,结果表明该测量方法是有效的。     

传输型立体测绘相机几何精度仿真分析

航天传输型立体测绘相机几何精度和稳定性决定了立体摄影成像的精度,对其几何精度测试技术需作专门研究。文章介绍了传输型立体测绘相机几何精度测试方法,推导了基于最小二乘原理进行几何精度测试的主点、主距和畸变误差传递公式,对主点、主距和畸变测试精度进行了全面的仿真分析,仿真结果可以为测绘相机设计和测试人员提供参考。     

传输型线阵测绘相机几何精度标定方法

分析了传统框幅式测绘相机几何精度评价和测试方法的局限性：不适用于以长焦距、小视场角为主的传输型线阵测绘相机。从传输型测绘相机原理出发。分析了以视主点作为传输型测绘相机主点评价指标的合理性和可行性。指出了同传统方法相比在几何精度标定过程中需要注意的问题并提出标定方法。     

空间失稳目标线阵成像畸变分析与三维重建

针对线阵扫描型激光雷达在非合作失稳航天器三维模型重建过程中，存在运动目标线扫数据畸变且目标因失稳导致运动特性难以准确估计问题，提出一种带畸变自修正式三维重建方法，并进行畸变容忍度临界值分析。该方法基于测量系统的角精度与测距精度设计畸变容忍度临界值判定条件，首先根据实际工况与判定条件进行比对，判定是否对线扫数据进行初始畸变恢复；其次，对相邻扫描带畸变点云依次进行配准获取目标运动增量、解算目标瞬时运动参数；然后对目标运动参数进行自修正式处理，去除特征突变点干扰；同时依次恢复点云到初始几何位置，完成初始目标三维重建；最后，通过系统进一步迭代，位姿增量自收敛直至最终满足重建精度要求。仿真结果表明，该方法在缺失非合作目标先验信息的情况下，能够有效避免因线扫描导致的畸变问题，并较为快速地实现满足精度要求的目标三维重建，有较强的鲁棒性。     

高轨失稳目标单载荷相对位姿测量方法

针对线阵扫描型激光雷达在探测高轨失稳目标过程中,发生时空非定常点云数据畸变,而需多载荷协同方式测量相对位姿问题,提出一种激光雷达同向差分扫描测量方法。该方法基于运动目标畸变点云信息瞬时拓扑结构不变性,首先对相邻两次扫描的畸变点云进行配准来获取目标运动增量、解算目标瞬时运动参数。其次,逐条恢复畸变扫描线点云所处目标真实几何位置、完成目标三维重建。然后以目标三维模型为初始位姿基准,通过设定增量次数阈值不断更新位姿基准实现误差自标定。最后通过叠加位姿增量获取目标相对位姿。该方法在缺失非合作目标先验信息的情况下,仅使用单一载荷,不仅实现了目标三维点云模型的重建,而且精确测量了空间非合作目标相对位姿。     

空间遥感相机挠性支撑扫描装置测角精度标定方法

针对空间遥感相机挠性支撑扫描系统的测角精度标定问题,利用高精度经纬仪测量扫描镜摆动过程中采集的角度误差数据,研究了适用于空间复杂环境的分段误差补偿方法。利用光电自准直仪对扫描镜的零位进行监测,以解决经纬仪随时间、环境引起的零位漂移。根据高轨应用需求,分析了分段误差补偿法的必要性。将获得角度误差引入补偿系统,采用分段误差补偿法对测角电路进行标定。将测试结果与谐波误差补偿法标定结果对比,验证了分段误差补偿后系统的测角精度能够满足系统性能指标要求。最终确定了分段误差补偿法在空间遥感相机有限角度扫描系统高测角精度实现过程中的有效性。     

基于高分卫星姿态监测的姿态参数算法优化

目前航天测绘相机几何参数的在轨标定通常经由地面检校场数据处理完成。然而,由于一次摄影中难以保证获取的地面检校场影像完整,使得在轨标定周期较长,进而导致实时监测与标定非常困难。“高分十四号”卫星搭载了一种新的姿态测定系统,利用高精度的相机光轴监测实现对相机几何参数的在轨实时标定。文章在此基础上对高分卫星星地相机间夹角在轨解算方案进行了优化,并基于数值仿真和在轨实测数据进行了分析,结果显示优化算法可以进一步提高影像内定向稳定度和最终的定位精度,未来有望在高精度立体测绘应用中发挥重要作用。     

相机保护罐玻璃对摄影测量精度的影响规律分析与误差补偿

文章通过统计相机镜头处加玻璃前后点位的位移分布规律,选择合适数学模型,将玻璃对测量精度造成的影响减弱。现已完成相机保护罐玻璃对测量精度影响的实验,实验表明:加玻璃后像点坐标变化量最大约为5μm,该变化量的分布与镜头畸变规律相似。最后将其影响划归为径向畸变模型,并通过实验证明该方法能够有效减弱玻璃对测量精度影响。     

多谱段光学遥感探测器配准误差分析

多光谱相机获取的同一目标在不同谱段图像中几何位置不同,造成了多谱段图像配准误差。而多谱段图像谱段配准问题是制约卫星数据规模化与产业化应用的重要因素之一。文章针对常见的同一光学系统多光谱成像模式,建立多谱段探测器配准误差模型,从空间相机设计角度考虑,仅考虑图像之间的位置关系,分别分析延时成像及非延时成像时造成谱段配准误差的因素,以及各因素对多谱段图像配准的影响。多谱段图像配准误差无延时成像时与各谱段像主点观测精度有关,延时成像时像主点位置观测精度和姿态指向精度影响较大,卫星速度观测精度影响较小。最后根据地面图像处理配准误差要求,仿真分析得出各引起配准误差因素的指标要求,可以为多光谱遥感器的设计和应用提供参考。     

一种空间推扫型光学成像系统几何映射方法

卫星光学遥感器在轨成像会受到颤振的影响,因此图像品质受姿态稳定度的影响很大,而高分辨率图像受到平台误差的影响更加明显。通过研究空间相机的几何模型,提出了一种从地球坐标系到空间光学遥感器坐标系之间的转换关系;分析了在轨卫星的姿态误差和运动源,并在几何模型中加入了内外方位元素特征;然后进行了空间TDICCD相机的成像仿真实验。为了在像面上模拟颤振,分别进行不同模态的颤振仿真,并且对视线范围内多模态综合作用进行仿真。仿真实验是基于三个轴系方向的,并且计算了TDICCD仿真图像的几何畸变量,模型中几何畸变量的测量尺度达到亚像素级,结果有利于指导卫星平台和遥感器的参数设计。     

一种场景无关的图像清晰度评价方法

图像清晰度是遥感相机调焦技术中度量离焦状况的关键参量,调焦系统根据对比不同焦面的图像清晰度来获取最佳焦面的位置。高分辨率线阵CCD遥感相机成像时地面场景不断变化,而常用的图像清晰度评价方法由于依赖景物不变性而失效,因此,文章提出了一种空域和频域相结合的清晰度评价方法。该方法在空域中提取图像内的有效边缘并计算得到图像有效边缘宽度;在频域中,仅抽取图像频域特定高频成分并得到高频成分的频谱强度均值,计算得到基于边缘宽度和高频强度的图像清晰度。经试验验证,该方法适用于场景不断变化的线阵CCD遥感相机图像清晰度的评价,相较传统方法更加准确有效。     

基于扩展卡尔曼滤波的星敏感器在轨几何标定

星敏感器在轨几何标定是消除其系统测量误差,提高姿态确定精度的有效手段之一。目前利用星对角距相等进行星敏感器在轨标定时,大多采用最小二乘求得全局最优的静态待标定参数,但没有完全反映出恒星相机工作期间受外太空环境变化导致内部参数发生的微小动态变化。为了进一步提高星敏感器参数的在轨标定精度,文章在对星图识别结果预处理的基础上,引入扩展卡尔曼滤波对当前星图时刻对应的相机参数进行实时标定,动态获取当前最优参数值。利用该文所提方法对"资源三号"01/02星国产星敏感器进行在轨标定,试验结果表明所提方法能够有效标定当前星敏感器的参数误差,其精度优于传统的最小二乘标定方法,验证了该方法具有更好的适应性和可靠性,为星敏感器的在轨几何标定提供了一种技术参考,可用于卫星在轨实时标定或地面卫星姿态后处理。     

一种星敏感器标定误差修正方法研究

针对星敏感器地面实验室待定系数法标定的缺陷,提出了一种星敏感器标定误差修正方法以提高标定精度并根据实际标定数据进行了计算验证。基于星敏感器标定系统建立了标定理想模型。在用物理方法求得主点坐标的基础上,将焦距测量值代入星敏感器标定误差模型,只需考虑镜头畸变和像面旋转对星敏感器标定结果的影响。提出了标定误差的分步校正方法:先用径向畸变的一阶模型校正镜头畸变;再以标定理论值的中心水平线为基准,与实测值的拟合直线比较,求出实测直线与理论直线的夹角,依据点的旋转公式修正像面旋转引起的误差。某星敏感器实际标定数据表明:与待定系数法相比,该法不仅减小了标定误差大小而且改善了标定误差的均匀性。     

国产光学卫星影像几何精度研究

受卫星设计和关键硬件制造水平的限制,我国高分辨率光学卫星影像的自主几何定位精度与国际先进水平仍有一定差距。针对在轨的国产光学卫星的影像几何精度问题,文章从误差源分析入手,提出了国产光学卫星影像几何精度提升理论和方法,通过在卫星数据处理过程中自动检测、消除包括设备安装,姿态、轨道测量,相机畸变,时间同步等多种误差,提高了卫星影像的几何精度;并对高分辨率卫星数据的几何精度提升状况进行了验证。结果表明:经过所提出的几何精度提升方法处理后,国产卫星的带控制点影像几何定位精度均可达到1.5像素,显著优于原设计指标。     

基于传感器几何特性和图像特征的影像配准方法

“天绘一号”卫星是我国第一代传输型立体测绘卫星,搭载有三线阵CCD相机、多光谱相机和2m分辨率全色相机。多光谱相机波段间影像的配准是保证多光谱影像质量和有效应用的前提,在现有配准方法的基础上,文章提出了基于传感器几何特性和图像特征的配准方法来改善影像配准效果。这种方法首先基于相机几何特性对待配准图像进行调整,然后对图像进行局部多点取图,采用尺度不变特征变换（Scale Invariant Feature Transform,SIFT）法提取图像特征并进行初步匹配,利用匹配点领域灰度相关性来进行精匹配和误匹配点的剔除,最后获得图像位移差,进而完成图像配准。实验结果表明,这种方法能够提高多光谱波段间影像的配准成功率,准确率达到95％以上,大幅改善了匹配精度。     

立方镜在航天器天线总装测量中的应用

在航天器天线总装试验过程中,立方镜的使用非常广泛,六面体立方镜可用于反映天线产品的空间位置,通过对立方镜坐标系的标定、测量和转移等可实现对天线产品或其部件的精度测量和调整,其作用十分重要。文章介绍了立方镜在航天器天线总装测量过程中的应用,并详细介绍了立方镜坐标系的标定、测量和转换方法。