專利名稱：基于多元面陣拼接的高空紅外成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高空機(jī)載紅外相機(jī)遙感成像方法，具體是指采用多元面陣拼接 的成像方法。
背景技術(shù)：
紅外相機(jī)主要有三種成像方式，如圖l所示搖掃方式探測(cè)器采用單元器件，穿軌方向的成像由掃描機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，而飛 機(jī)的運(yùn)動(dòng)則實(shí)現(xiàn)沿軌方向的成像。該方式可以實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)成像、探測(cè)器像元數(shù) 目最少。但是由于采用物方機(jī)械掃描，體積大，像元駐留時(shí)間短，不利于提高 系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度。推掃方式探測(cè)器采用多元器件(面陣或線陣)，穿軌方向由多個(gè)像元同時(shí) 成像，沿軌方向的成像由飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)完成。由于采用像方掃描，沒(méi)有機(jī)械掃描 機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)體積小、重量輕，像元駐留時(shí)間長(zhǎng)，有利于提高系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度。 缺點(diǎn)是刈副寬度和空間分辨率較高時(shí)，需要高分辨率的探測(cè)器件和大視場(chǎng)的光 學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)。多元并掃式又稱混合型掃描是介于搖掃式和推掃式之間的一種光譜成像 方式。探測(cè)器采用多元器件，不同于推掃式的是多元探測(cè)器成像不是在穿軌方 向而是在沿軌方向同時(shí)成像，即掃描機(jī)構(gòu)每沿穿軌方向掃過(guò)一次，探測(cè)器n個(gè) 像元將同時(shí)沿穿軌方向并行掃過(guò)n個(gè)條帶。其優(yōu)點(diǎn)是在大的刈副寬度下可以有
效的提高系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度。缺點(diǎn)是受飛機(jī)姿態(tài)影響圖像產(chǎn)生扭曲。這三種成像方式在技術(shù)上已經(jīng)成熟，在一定的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)可以滿足紅外系 統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要，但是在高空高靈敏度和寬視場(chǎng)要求下，不能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要 求。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種基于多元面陣拼接的高空機(jī)載紅外相機(jī)成像方 法，該方法的掃描形式采用擺動(dòng)掃描，探測(cè)器采用多元面陣紅外焦平面探測(cè)器， 解決了由多元面陣探測(cè)成像的無(wú)縫拼接，達(dá)到高空紅外成像的高靈敏度、高空 間分辨率和大幅寬的要求。一種基于多元面陣拼接的高空機(jī)載紅外相機(jī)成像方法，其步驟包括在穿 軌方向，采用45°擺鏡掃描，系統(tǒng)光學(xué)觀測(cè)視場(chǎng)自左向右覆蓋一條掃描線，當(dāng) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)擺鏡擺動(dòng)到凝視位置時(shí)，面陣紅外焦平面探測(cè)器開始曝光成像，曝光 結(jié)束由電子系統(tǒng)讀出并記錄一幀數(shù)據(jù)，完成一個(gè)成像周期，等待電機(jī)運(yùn)動(dòng)到下 幀位置重新開始曝光和信號(hào)讀出，相鄰幀之間重疊10%，以保證在飛機(jī)姿態(tài)不 穩(wěn)條件下地面圖像的無(wú)縫拼接。相鄰幀圖像的拼接采用影像匹配中的相關(guān)函數(shù)測(cè)度算法、交互選擇目標(biāo)點(diǎn) 和待匹配點(diǎn)來(lái)識(shí)別同名點(diǎn)。同名點(diǎn)為在相鄰兩幅圖像重疊區(qū)域中的同一特征點(diǎn)。 具體方法如下a.在前一幅圖像中先確定一個(gè)待定點(diǎn)即目標(biāo)點(diǎn)，以此點(diǎn)為中心選m Xn(取 m 二 n)個(gè)像素的灰度陣列作為目標(biāo)區(qū)D ，灰度矩陣為G( gi,》(i = 1 ， 2 ，…， m ; j = 1 ， 2 ，…，n) ， m禾口n為奇數(shù)，與G對(duì)應(yīng)的灰度函數(shù)為g ( x ， y) ( ( x ， y) ED);b.估計(jì)同名點(diǎn)可能存在的范圍，在后一幅圖像中以用鼠標(biāo)交互選擇的待匹配點(diǎn)為中心，建立一個(gè)k XI ( k 〉 m ， 1 > n)個(gè)像素的灰度陣列作為搜索 區(qū)D',灰度矩陣為G' ( g' i, j) ( i = 1 ， 2 ，…，k ; j = 1 , 2 ，…，1 ) ， k 與l也為奇數(shù)，與G'對(duì)應(yīng)的灰度函數(shù)為g' ( x' ， y' ) ( ( x' , y' )GD'); G'中任意一個(gè)m行n列的子塊，即搜索窗口記為G' r,e = ( g' i + r, j + 。) ( i = 1,2，…，m ; j = 1 ， 2 ，…，n ;r = int ( m/ 2) + 1 , int ( m/ 2) + 2 ，…，k - int ( m/ 2) ; c 二 int ( n/ 2) + 1 ， int ( n/ 2) + 2 ，…，1 - int ( n/ 2))。 c.離散灰度數(shù)據(jù)對(duì)相關(guān)函數(shù)的估計(jì)公式為R ( c ， r) 二 Z!1X,' =1 >1(3)若R ( c。 ， r。) > R ( c ， r) ( r ^r。 ， c半c。)，貝ljc。和r。為搜索區(qū)影像相對(duì)于目標(biāo)區(qū)影像位移的行、列參數(shù)，搜索窗口的中心像素被認(rèn)為是同名點(diǎn)。 圖像校正及重疊區(qū)域定位拼接基于仿射變換的相鄰兩幅圖像像對(duì)的簡(jiǎn)化關(guān)系為{ x2 = a0 + ai Xi + a2 yt (4) y2 = bo + th Xi + b2 yi ， 相鄰兩幅圖像的相對(duì)位置定向由式(4)中的6個(gè)參數(shù)確定，通過(guò)識(shí)別兩幅 圖像的3個(gè)同名特征點(diǎn)，求得這6個(gè)變換參數(shù)，就能把后一幅圖像變換到前一 幅圖像的像空間坐標(biāo)系中。根據(jù)上述相鄰幀圖像拼接方法編成軟件存儲(chǔ)在計(jì)算 機(jī)中，通過(guò)軟件進(jìn)行圖像的后期預(yù)處理和校正，完成各幀圖像的拼接。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于采用面陣凝視成像，提高了探測(cè)器積分時(shí)間，系統(tǒng)在 高空間分辨率的同時(shí)保證高溫度靈敏度；畫幅式成像使飛機(jī)姿態(tài)引入的圖像扭曲達(dá)到最??；通過(guò)擺鏡掃描使系統(tǒng)可以達(dá)到45°以上的大觀測(cè)視場(chǎng)；相鄰幀之間重疊10%，以保證在飛機(jī)姿態(tài)不穩(wěn)條件下地面圖像的無(wú)縫拼接。


圖1為現(xiàn)有的三種成像方式示意圖； 圖2為本發(fā)明成像方式原理示意圖； 圖3為擺鏡運(yùn)動(dòng)角速度曲線圖； 圖4為擺鏡運(yùn)動(dòng)位置曲線圖； 圖5為相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)等效光路圖； 圖6為圖像拼接軟件流程圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的一種基于多元面陣拼接的高空機(jī)載紅外相機(jī)成像方法作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明紅外相機(jī)具體參數(shù)如下 總視場(chǎng)45° ;飛行高度12， 000 20， 000米高空；像元數(shù) 320X256元； 瞬時(shí)視場(chǎng)0. lmrad ; 波段 3 5um;溫度靈敏度優(yōu)于O. 1K;光學(xué)系統(tǒng)口徑lOOmm。1. 擺鏡1采用鋁鎂合金金屬反射鏡，由高精度電機(jī)驅(qū)動(dòng)，完成相機(jī)瞬時(shí)視場(chǎng)的空間掃描。擺鏡的掃描角速度曲線如圖3，擺鏡的位置曲線如圖4。擺鏡驅(qū) 動(dòng)電機(jī)采用直流無(wú)刷擺角電機(jī)(Cambridge Technology,Inc的Model 6900)，擺動(dòng)角度為±11.25° 。2. 光學(xué)系統(tǒng)采用卡塞格林望遠(yuǎn)鏡方式，光學(xué)系統(tǒng)如圖5所示。主鏡3和次 鏡2均為非球面反射鏡，鏡面鍍銀反射膜，以提高系統(tǒng)的光學(xué)效率。3. 探測(cè)器組件4中探測(cè)器選擇SOFRADIR公司320X256焦平面HgCdTe器 件，響應(yīng)波長(zhǎng)為3 5iim，像元數(shù)為320X256元，光敏元尺寸為30um X 30nm，探測(cè)率大于1X1011 cm*Hz1/2. W—、工作溫度為77K 90K，斯特林制冷機(jī) 選配SOFRADIR公司配套的IDTL061斯特林制冷機(jī)。上述紅外相機(jī)參數(shù)是用來(lái)說(shuō) 明本發(fā)明的特征、技術(shù)性能和功能特點(diǎn)，而非用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。 采用本發(fā)明方法在實(shí)驗(yàn)室模擬成像中取得了較好的試驗(yàn)結(jié)果。
權(quán)利要求
1. 一種基于多元面陣拼接的高空紅外成像方法，其特征在于包括如下步驟: 在穿軌方向，采用45°擺鏡掃描，系統(tǒng)光學(xué)觀測(cè)視場(chǎng)自左向右覆蓋一條掃描線，當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)擺鏡擺動(dòng)到凝視位置時(shí)，面陣紅外焦平面探測(cè)器開始曝光成 像，曝光結(jié)束由電子系統(tǒng)讀出并記錄一幀數(shù)據(jù)，完成一個(gè)成像周期，等待電機(jī) 運(yùn)動(dòng)到下幀位置重新開始曝光和信號(hào)讀出，相鄰幀圖像之間重疊10%，以保證 在飛機(jī)姿態(tài)不穩(wěn)條件下地面圖像的無(wú)縫拼接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的一種基于多元面陣拼接的高空紅外成像方法，其特征 在于所說(shuō)的相鄰幀圖像的拼接采用影像匹配中的相關(guān)函數(shù)測(cè)度算法、交互選 擇目標(biāo)點(diǎn)和待匹配點(diǎn)來(lái)識(shí)別同名點(diǎn)；同名點(diǎn)為在相鄰兩幅圖像重疊區(qū)域中的同 一特征點(diǎn)，具體方法如下a.在前一幅圖像中先確定一個(gè)待定點(diǎn)即目標(biāo)點(diǎn)，以此點(diǎn)為中心選m Xn(取 m = n)個(gè)像素的灰度陣列作為目標(biāo)區(qū)D ，灰度矩陣為G( gi,》(i 二 1 ， 2 ，…， m; j 二 1 ， 2 ， ■ ， n) ， ra和n為奇數(shù)，與G對(duì)應(yīng)的灰度函數(shù)為g ( x ， y) ( ( x ， y) eD);b.估計(jì)同名點(diǎn)可能存在的范圍，在后一幅圖像中以用鼠標(biāo)交互選擇的待 匹配點(diǎn)為中心，建立一個(gè)k XI ( k > m ， 1 〉 n)個(gè)像素的灰度陣列作為搜索 區(qū)D'，灰度矩陣為G' ( g' i, j) ( i = 1 ， 2 ，， k ; j = 1 , 2 ， ■ ， 1 ) ， k 與l也為奇數(shù)，與G'對(duì)應(yīng)的灰度函數(shù)為g' ( x' ， y' ) ( ( x' ， y' )eD'); G'中任意一個(gè)m行n列的子塊,即搜索窗口記為G' r, 。 = ( g' i + r.」+ 。) ( i = 1,2,…，m ; j = 1 ， 2 ，…'n ; r = int ( m/ 2) + 1 ， int ( m/ 2) + 2 ，…，k - int ( m/ 2) ; c = int ( n/ 2) + 1 , int ( n/ 2) + 2 ，…，1 -int ( n/ 2)); C.離散灰度數(shù)據(jù)對(duì)相關(guān)函數(shù)的估計(jì)公式為<formula>formula see original document page 3</formula>若R ( c。 ， r。) 〉 R ( c ， r) ( r ^r。 ， c #cQ)，貝Uc。和r。為搜索區(qū)影像相對(duì)于目標(biāo)區(qū)影像位移的行、列參數(shù)，搜索窗口的中心像素被認(rèn)為是同名點(diǎn)； 圖像校正及重疊區(qū)域定位拼接基于仿射變換的相鄰兩幅圖像像對(duì)的簡(jiǎn)化關(guān)系為{ x2 = a0 + ai Xi + a2 y丄 (4) y2 二 bo + th + b2 yi ，相鄰兩幅圖像的相對(duì)位置定向由式(4)中的6個(gè)參數(shù)確定，通過(guò)識(shí)別兩幅 圖像的3個(gè)同名特征點(diǎn)，求得這6個(gè)變換參數(shù)，就能把后一幅圖像變換到前一 幅圖像的像空間坐標(biāo)系中；上述相鄰幀圖像拼接方法編成軟件存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，通過(guò)軟件進(jìn)行圖像的 后期預(yù)處理和校正，完成各幀圖像的拼接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于多元面陣拼接的高空紅外成像方法，采用面陣畫幅式成像，通過(guò)擺鏡在穿軌方向的物方掃描以獲得大幅寬，擺鏡工作在掃描凝視成像模式，紅外面陣探測(cè)器在擺鏡處于凝視位置時(shí)曝光成像，相鄰兩幀圖像之間保持10％以上重疊率，相鄰幀圖像的拼接采用影像匹配中的相關(guān)函數(shù)測(cè)度算法，以保證圖像的無(wú)縫拼接。該成像方法提高了系統(tǒng)的積分時(shí)間，有效改善了紅外系統(tǒng)的靈敏度，畫幅式成像解決由飛機(jī)姿態(tài)影響導(dǎo)致的圖像嚴(yán)重扭曲。本發(fā)明解決了高空機(jī)載紅外相機(jī)高分辨率、大幅寬和高靈敏度的技術(shù)難題。
文檔編號(hào)G01J5/20GK101144740SQ200710040399
公開日2008年3月19日 申請(qǐng)日期2007年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月8日
發(fā)明者龍 于, 毛潔娜, 毛閔軍, 王建宇, 嶸 舒 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所