专利名称：可自稳及自校正运动畸变的ccd测绘相机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种CCD测绘相机，尤其涉及一种可自稳及自校正运动畸变 的CCD测绘相机。
背景技术：
CCD测绘相机现已广泛应用于航天航空领域，它以卫星为平台，对地球表面 进行摄影，获取影像信息，经摄影测量处理，精确测定地球表面的地貌、地物 (目标)的形状、大小和空间位置。CCD传输型测绘相机的图像产品可用在军事 侦察、农业、环境监测、地图测绘、城市与区域规划、油气开发、通信、防灾、 汽车导航和房地产销售等众多领域。空间测绘和摄影由于不受地域和国界的限 制，具有非常显著的军事意义。航天测绘相机提供的地图测绘数据与目标情报 数据，都是军队战斗力的重要保障条件。
CCD传输型测绘相机在国际上是20世纪80年代发展起来的。随着光电子元件 技术的飞跃发展，以线阵CCD器件为探测器的传输型卫星成为当前发展的重点方 向。众所周知，卫星不规则运动之一是姿态慢速摆动。CCD测绘相机对卫星姿态 的稳定度具有很高要求，尤其是在高分辨率CCD测绘相机中，因像元尺寸减小、 焦距加长，对卫星姿态的稳定度要求更加苛刻。传统的CCD测绘相机自身都不具 备"自稳及自校正"因卫星姿态摆动造成的图象畸变功能，对于地元分辨率要 求不高的图像影响不是很大，但要获得高的地元分辨率图像则具有很大局限性。 因此，需要设计卫星的精密定姿装备。现在，主要应用星敏感器定姿和INS测量 姿态技术，但它们也有明显的缺点。星敏感器定姿会造成额外的系统误差，主 要表现在①星敏感器的测量误差。②星敏感器的安装误差，该误差为系统 误差。③轨道参数误差。同时还具有结构复杂、成本高、要防止太阳干扰、星 识别复杂、确定初始姿态，需要第二姿态确定系统的缺点。而INS测量姿态技术 的缺点为陀螺易于漂移、有高速旋转部件、易磨损、功率大、质量大。
传输型测绘相机通常使用线阵CCD器件作为成像器件，按照CCD组合方式的
3不同和摄影测量原理的不同，大致可以分为三种类型
第一种是单线阵CCD航天摄影测量相机。这种相机主要通过卫星或相机的前 后或左右侧摆形成倾斜摄影，获得立体影像实现测绘的目的。
第二种是双线阵CCD摄影测量相机，由安装在航天飞行器内的两个具有一定
交会角的线阵CCD构成。这种相机80年代初由美国提出，是将两台CCD相机以一 定交会角安装，这样无需侧摆就能够获得立体像对。但这种方案对卫星姿态稳 定度要求太高(10_6 ° /S)，因此至今也没有实施。
第三种是三线阵CCD相机。这种相机安装有一定交会角的前视、后视和正视 三个线阵CCD，相机沿卫星飞行方向安装。这种相机能够从摄影图像中重构外方 位元素，而且对卫星姿态稳定度的要求比双线阵CCD相机要低，是当前传输型测 绘相机的重点发展方向。
然而，虽然第一类和第三类对卫星姿态稳定度的要求没有第二类高，但是 卫星姿态稳定度对CCD测绘相机的成像质量还是有很大影响，卫星的抖动不可避 免的会导致图像的扭曲。在国内现有的卫星平台基础上，对1X10—4° /s的稳定 性指标仍然有一定难度。因此为解决此矛盾，还必须采取新的方法。
实用新型内容
为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本实用新型提供了一种可实现 高精度检测、可恢复扭曲图像、可对图像可进行校正、结构简单以及成本低的 可自稳及自校正运动畸变的CCD测绘相机。
本实用新型的技术解决方案是本实用新型提供了一种可自稳及自校正运
动畸变的CCD测绘相机，包括CCD测绘相机，CCD测绘相机的焦面组件是由相邻两 片CCD视场拼接而成，其特殊之处在于所述拼接点重叠的像元数是20 1000。 上述相邻两个CCD测绘相机的间隔是30 50mm。
上述相邻两个CCD测绘相机在拼接时，垂直线阵方向位置偏差应小于l/5像 元，沿线阵方向重叠偏差应小于l/5像元，共面误差应小于10戶。 本实用新型的优点是
1、可实现高精度检测和可恢复扭曲图像。本实用新型由于对CCD相机焦面 组件采用了特殊的CCD视场拼接方式，并通过"伪逆"算法进行推算，可以很好的分析并得到与像元分辨率同步实现卫星姿态(慢速摆动，或叫颤振)的高精 度检测和图像扭曲恢复，在同等条件下，对于一个角分辨率为0.5角秒的系统来
说，其检测精度可以达到0.05角秒。
2、 对图像可进行校正。本实用新型在CCD相机焦面组件设计采用了特殊的 CCD视场拼接方式，增加了拼接点的重叠区域，利用重叠区域不同时刻对同一目 标照相，可以高精度地实现像旋的检测，同时可设置多个搭接点来提高像旋检 测的精度，从而对像旋进行校正。
3、 结构简单，成本低。本实用新型在没有附加任何其它硬件设备的条件下， 从而不会增加相机焦面组件体积和复杂度，更不会增加额外的系统误差，且对 相机的制造技术要求不会造成困难。


图l为本实用新型的结构示意图2为本实用新型的卫星姿态与像移关系图。
具体实施方式

参见图l，本实用新型提供了一种可自稳及自校正运动畸变的CCD测绘相机， 该CCD测绘相机采用了独特的CCD焦面结构，CCD在进行视场拼接时特意增加了拼 接点的重叠区域，其拼接点重叠的像元数为20 1000。所有CCD在拼接时其空间 位置具有很多的组合方式，凡是在相机推扫方向上相邻两CCD满足本实用新型的 拼接方式的任何空间结构均可实现相机的自稳及自校正功能。实际设计时可根 据相机的用途来确定。
本实用新型与传统的CCD相机相比，在CCD焦面设计时使用了多片CCD视场拼 接的方式，且相邻两片CCD在拼接时特意增加了拼接点的重叠区域，其拼接点重 叠的像元数为20 1000。
相邻两片CCD l在拼接时，垂直线阵方向位置偏差应小于l/5像元，沿线阵 方向重叠偏差应小于l/5像元，共面误差应小于10戸。
图1只是CCD空间结构组合的一种形式。CCD的片数大于等于3片。图中N表示 单片CCD l像元个数，p (20 1000)表示搭接点重叠区域CCD l像元数。利用p 个像元的重叠区域图像，可以将前后两排CCD l的由于卫星平台漂移导致的图像相对位置错动进行精确测量。
当然，本实用新型所提供的可自稳及自校正运动畸变的CCD l测绘系统不仅 可以满足普通的线阵CCD器件，而且还能满足TDICCD器件；传统地，CCD l的视 场拼接是在尽量利用CCD的使用率的原则下拼接的，CCD 1的搭接点上重叠的CCD l像元尽可能的少，只能满足CCD l相机的正常功能。而本实用新型采取了使用 多条线阵CCD l视场拼接的方法，在CCD l拼接时，特意增加了搭接点的重叠区 域，其实质是利用多个CCD拼接点前后两片CCD l重叠区域在不同时刻对同一目 标成像后形成关联结算相机的实时姿态参量。
每两片CCD l在拼接时必须严格满足垂直线阵方向位置偏差应小于l/5像元， 沿线阵方向重叠偏差应小于l/5像元，共面误差应小于10，的技术要求；搭接 点重叠像元数应在20 1000范围内，小于20则获取的数据量不能满足要求，大 于1000则会造成资源的浪费；片间间隔应在30 50mm范围内。
参见图2，图中m(t)表示卫星姿态摆动曲线，d(t)为同一景物在t与(f-A^ 时刻的位置位移量。位移量在整个CCD拼接面表面上为同一矢量，共3个自由度， 图像平移两个自由度，扭曲一个自由度。利用搭接点进行稳定度数据的测量， 可以对CCD的内部拼接稳定度进行长期监控，使得大量CCD的拼接稳定性修正成 为可能。
由于器件的外形尺寸的限制，两排CCD在推扫方向上相差一定距离，因此前 后排CCD重叠部分看到同一地面景物的时间相差Af 。因此有如下分析
其中d (t)为同一景物在t与(^一A^时刻的位置位移量。
在"的时间间隔中，相机可以釆集近q (q是一个足够大的数，在重叠20 个像元，CCD片间间隔为30mm时，q大约为3000)个像元相对位移的数据。因 此有
由式(1)、 (2)得
6<formula>formula see original document page 7</formula>(3)
显然，式(3)为一个关于x的非齐次线性方程组，且是一次方程组。在Matlab 中可以利用奇异值分解(SVD)和伪逆算法对方程组(3)进行求解，且可以保 证x的稳定性。这样，通过测量q个相对位移量"(O可以对卫星的漂移曲线W(O 进行估计，相应的在图像处理中作出修正，根据计算机模拟的结果，从而实现 对卫星漂移量的校正。实验室中，利用普通线阵CCD和TDICCD器件进行了验证， 该方法可大幅改善推扫图像成像稳定性，因此大大放宽了对卫星平台稳定性的 要求。
权利要求1、一种可自稳及自校正运动畸变的CCD测绘相机，包括CCD测绘相机，CCD测绘相机的焦面组件是由相邻两片CCD视场拼接而成，其特征在于所述拼接点重叠的像元数是20～1000。
2、 根据权利要求1所述的可自稳及自校正运动畸变的CCD测绘相机，其特征 之处在于所述相邻两个CCD测绘相机的间隔是30 50mm。
3、 根据权利要求1或2所述的可自稳及自校正运动畸变的CCD测绘相机，其 特征之处在于所述相邻两个CCD测绘相机在拼接时，垂直线阵方向位置偏差应 小于l/5像元，沿线阵方向重叠偏差应小于l/5像元，共面误差应小于10，。
专利摘要本实用新型涉及一种可自稳及自校正运动畸变的CCD测绘相机，包括CCD测绘相机，CCD测绘相机的焦面组件是由相邻两片CCD视场拼接而成，拼接点重叠的像元数是20～1000。本实用新型提供了一种可实现高精度检测、可恢复扭曲图像、可对图像可进行校正、结构简单以及成本低的可自稳及自校正运动畸变的CCD测绘相机。
文档编号G01C11/00GK201348505SQ200920031639
公开日2009年11月18日 申请日期2009年1月8日 优先权日2009年1月8日
发明者勇 方, 李英才, 喆 白, 臻 马 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所