專利名稱：：類球形天體敏感器多圖像復(fù)合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于圖像處理領(lǐng)域，涉及一種類球形天體敏感器多個(gè)視場(chǎng)所成圖像的歸一化處理方法。
背景技術(shù)：
：在航天器自主導(dǎo)航領(lǐng)域，存在多種姿態(tài)信息測(cè)量方法，其中包括恒星敏感器、紅外地球敏感器、太陽(yáng)敏感器等等。采用成像的方式攝取參考天體目標(biāo)信息，經(jīng)過圖像處理得到航天器姿態(tài)的敏感器類型主要有星敏感器、靜態(tài)紅外地球敏感器、成像式太陽(yáng)敏感器、紫外地球敏感器等。專利申請(qǐng)?zhí)枮镃N200810057342，名稱為《一種紫外月球敏感器的光學(xué)系統(tǒng)》的中國(guó)專利公開了一種紫外月球敏感器光學(xué)系統(tǒng)，包括環(huán)形遮光罩、平面反射鏡、N面錐反射鏡、濾光片、對(duì)稱式廣角物鏡、CCD接收器，入射光線由環(huán)形遮光罩入射至N面錐反射鏡，經(jīng)N面錐反射鏡和平面反射鏡反射后再經(jīng)濾光片進(jìn)入對(duì)稱式廣角物鏡，入射光線首先經(jīng)第一透鏡和第二透鏡完成視場(chǎng)拓展進(jìn)入光欄，入射光線充滿光欄后射入第三透鏡，第三透鏡將入射光線向光軸方向匯聚射入第四透鏡、第五透鏡、第六透鏡，經(jīng)第七透鏡折射后成像，該成像由CCD接收器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。但是該專利并未提及如何將N個(gè)子成像系統(tǒng)各自獲取的圖像進(jìn)行復(fù)合處理。成像式姿態(tài)敏感器一般采用單個(gè)鏡頭對(duì)地球或者其它天體進(jìn)行成像，敏感器的鏡頭把整個(gè)天體成像到視場(chǎng)，通過對(duì)所成圖像的邊緣提取和處理確定天體中心矢量，可以得到航天器俯仰角和滾動(dòng)角，在非滿月條件下可以得到航天器的偏航角。但是上述專利涉及的類球形天體敏感器不是單一鏡頭成像，而是依靠多個(gè)沿圓周均勻分布的二折轉(zhuǎn)反射鏡組合與單一成像物鏡構(gòu)成的多子成像系統(tǒng)復(fù)合成像的，而且各自子成像系統(tǒng)所成的像在同一個(gè)探測(cè)器上。因此為了獲取天體中心矢量，需要首先將多子成像系統(tǒng)所具有的多系統(tǒng)視場(chǎng)圖像分別轉(zhuǎn)換成等效的單一鏡頭成像情形，再按照上述單一鏡頭成像敏感器的姿態(tài)計(jì)算方法，最終得到敏感器所測(cè)量的天體中心矢量。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種適用于紫外月球敏感器等類球形天體敏感器光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行多視場(chǎng)成像時(shí)對(duì)不同視場(chǎng)圖像進(jìn)行復(fù)合處理的方法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是類球形天體敏感器多圖像復(fù)合方法，步驟如下(1)用棱鏡展開的方法確定各個(gè)子成像系統(tǒng)的等效視軸，等效視軸的方向?yàn)楣鈱W(xué)平場(chǎng)成像鏡頭的光軸方向經(jīng)過平面反射鏡和多面反射棱錐反射以后的方向；(2)建立各子成像系統(tǒng)坐標(biāo)系OAYiZi與總坐標(biāo)系OXYZ的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下義其中總坐標(biāo)系的原點(diǎn)o在光學(xué)平場(chǎng)成像鏡頭的中心，x軸沿光電探測(cè)器像素的行方向，Y軸沿光電探測(cè)器像素的列方向，Z軸完成正交；總坐標(biāo)系的Z軸以XOY平面內(nèi)垂直于子成像系統(tǒng)子午正入射面的一個(gè)軸以最小旋轉(zhuǎn)角方向一次旋轉(zhuǎn)到與等效視軸重合時(shí)得到的坐標(biāo)系為各子成像系統(tǒng)的坐標(biāo)系OiXiYiZi，i=1，2，3…N，N為子成像系統(tǒng)的個(gè)數(shù)，I為各子成像系統(tǒng)的子午正入射面與X軸的夾角為，1=《+(N-l)Q，《為第一個(gè)子成像系統(tǒng)子午正入射面在總坐標(biāo)系OXY平面的實(shí)投影線與X軸的夾角，Q=360°/N，Rz(ni)為總坐標(biāo)系繞Z軸旋轉(zhuǎn)ni時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換矩陣，Ry(20)為總坐標(biāo)系繞Y軸旋轉(zhuǎn)2①時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換矩陣，Rz(-ni)為總坐標(biāo)系繞z軸旋轉(zhuǎn)-ni時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換矩陣；(3)根據(jù)步驟(2)的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系，將各子成像系統(tǒng)所成像點(diǎn)代表的矢量轉(zhuǎn)換到總坐標(biāo)系下；(4)轉(zhuǎn)換得到的總坐標(biāo)系下的圖像即為等效全視場(chǎng)單一鏡頭所成的圖像。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明提出了一種多系統(tǒng)視場(chǎng)復(fù)合的大視角光學(xué)系統(tǒng)圖像轉(zhuǎn)換成等效的單一系統(tǒng)的虛擬圖像方法，通過子成像系統(tǒng)等效光路變換和成像敏感器坐標(biāo)系變換實(shí)現(xiàn)從多系統(tǒng)視場(chǎng)向等效的單一系統(tǒng)視場(chǎng)成像復(fù)合，將多子成像系統(tǒng)所具有的多系統(tǒng)視場(chǎng)圖像分別轉(zhuǎn)換成等效的單一鏡頭成像情形，解決了多系統(tǒng)視場(chǎng)復(fù)合大視角光學(xué)系統(tǒng)圖像處理問題，為類球形天體敏感器的姿態(tài)計(jì)算提供基礎(chǔ)。圖1為類球形天體敏感器構(gòu)成示意圖；圖2為本發(fā)明中多系統(tǒng)視場(chǎng)復(fù)合光路的等效結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明中多系統(tǒng)視場(chǎng)復(fù)合大視角光學(xué)系統(tǒng)原理圖。具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出了一種類球形天體敏感器多視場(chǎng)圖像復(fù)合方法，解決其光學(xué)系統(tǒng)中多個(gè)子成像系統(tǒng)所成圖像的復(fù)合歸一化問題。這里的多視場(chǎng)是指多個(gè)子成像系統(tǒng)各自的視場(chǎng)，歸一化圖像是指一個(gè)虛擬的圖像，該圖像是由多個(gè)子成像系統(tǒng)所成的像經(jīng)過等效變換到歸一化坐標(biāo)系，再投射到一個(gè)虛擬像面上所形成的圖像。復(fù)合的目的是獲得歸一化的成像，以便將多個(gè)子成像系統(tǒng)的部分成像處理問題轉(zhuǎn)化為全視場(chǎng)單一鏡頭成像處理的問題。類球形天體敏感器包括了遮光罩、多系統(tǒng)視場(chǎng)復(fù)合的大視角光學(xué)系統(tǒng)、敏感器結(jié)構(gòu)、光電探測(cè)器及其電路、數(shù)據(jù)處理單元及其電路、圖像信息提取與姿態(tài)處理軟件、與GNC的通訊接口等，其結(jié)構(gòu)和布局如圖l所示。圖中101為多視場(chǎng)之一的天體邊緣區(qū)域成像的內(nèi)部臨界邊緣光線，102為多視場(chǎng)之一的天體邊緣區(qū)域成像的外部臨界邊緣光線，103是光學(xué)平場(chǎng)成像鏡頭，104是折轉(zhuǎn)反射鏡組合之平面反射鏡，105是折轉(zhuǎn)反射鏡組合之多面反射棱錐，106是光電探測(cè)器，107是多系統(tǒng)視場(chǎng)復(fù)合大視角光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，108是數(shù)據(jù)處理單元，109是電路板，110是接插件，111是遮光罩，112是太陽(yáng)雜光抑制角光線，113為類球形天體敏感器總光軸。4類球形天體敏感器的N個(gè)子成像系統(tǒng)(由多面反射棱錐105的反射面數(shù)量N決定)將類球形天體的可視邊緣(敏感器能夠探測(cè)到的天體邊緣)分為N等份，每份邊緣的成像光束經(jīng)過多面反射棱錐105對(duì)應(yīng)的反射面進(jìn)行反射，其反射光束再經(jīng)過平面反射鏡104進(jìn)行反射后進(jìn)入光學(xué)平場(chǎng)成像鏡頭103，最終在光電探測(cè)器106上成像。N個(gè)子成像系統(tǒng)所成圖像，共同構(gòu)成完整的球形天體的可視邊緣。如圖2所示，表示了類球形天體敏感器多系統(tǒng)的其中一個(gè)子成像系統(tǒng)的成像結(jié)構(gòu)和等效光路變換原理，圖中114為光學(xué)平場(chǎng)成像鏡頭103的光軸在單個(gè)子視場(chǎng)成像中的等效視軸，113為類球形天體敏感器總光軸，115為光學(xué)平場(chǎng)成像鏡頭103的入射光瞳中心。兩條光線的夾角e，也是環(huán)形視場(chǎng)的內(nèi)外邊緣光線，內(nèi)環(huán)為半視場(chǎng)角a，外環(huán)半視場(chǎng)角P，則=e，多反射面棱錐底角為①。設(shè)對(duì)應(yīng)外部臨界邊緣光線101和內(nèi)部臨界邊緣光線102經(jīng)雙折轉(zhuǎn)反射到光學(xué)平場(chǎng)成像鏡頭103的邊緣半視場(chǎng)分別為e和"。每個(gè)子視場(chǎng)成像光路的等效視軸114與敏感器總光軸113相交成Y角，則它們的關(guān)系為Y=20，e=|3-2。，"=a-2。。內(nèi)部臨界邊緣光線102和光學(xué)平場(chǎng)成像鏡頭103的光軸在單個(gè)子視場(chǎng)成像中的等效視軸114的夾角為e，外部臨界邊緣光線101和光學(xué)平場(chǎng)成像鏡頭103的光軸在單個(gè)子視場(chǎng)成像中的等效視軸114的夾角為"。探測(cè)器上所成的圖像雖然是完整的類球形天體的可視邊緣，但它是由不同子成像系統(tǒng)各自成像獲得，需要將其轉(zhuǎn)化成等效的單一鏡頭成像情形，這個(gè)過程就是本發(fā)明提出的類球形天體敏感器多視場(chǎng)圖像復(fù)合方法。如圖3所示，表示類球形天體敏感器的一個(gè)子成像系統(tǒng)視場(chǎng)轉(zhuǎn)換到歸一化虛擬成像面的原理，敏感器成像坐標(biāo)系為OXYZ(O在成像光學(xué)鏡頭的中心，X軸沿探測(cè)器像素的行方向，Y軸沿探測(cè)器像素的列方向，Z軸完成正交)，圖3表示了一種特例情況，即Y軸垂直紙面向里，116是單個(gè)子視場(chǎng)在光電探測(cè)器106上的成像圖，117是天體可視邊緣的最大包絡(luò)在對(duì)應(yīng)的子成像系統(tǒng)等效視軸114上的投影，118是歸一化虛擬復(fù)合成像面。該子成像系統(tǒng)經(jīng)過等效轉(zhuǎn)換后，等效視軸與Z軸相交成Y，實(shí)際系統(tǒng)中，該子成像系統(tǒng)在探測(cè)器上的所成的某一像點(diǎn)，等效于其等效子成像系統(tǒng)所成像點(diǎn)坐標(biāo)經(jīng)過等效子成像系統(tǒng)坐標(biāo)系到敏感器總坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。該像點(diǎn)在總坐標(biāo)系中的坐標(biāo)可以計(jì)算出來，該像點(diǎn)所代表的矢量方向也就確定下來，沿著該矢量延長(zhǎng)投影到歸一化虛擬復(fù)合成像面118，即可得到實(shí)際探測(cè)器上的某像點(diǎn)在虛擬復(fù)合成像面上的投影點(diǎn)坐標(biāo)。于是，不同子成像系統(tǒng)所成的圖像經(jīng)過相應(yīng)的變換，即可得到天體可視邊緣在歸一化成像系統(tǒng)的投影線，由其擬合出天體中心矢量。通過子成像系統(tǒng)等效光路變換方法和成像敏感器坐標(biāo)系變換實(shí)現(xiàn)從多系統(tǒng)視場(chǎng)向等效的單一系統(tǒng)視場(chǎng)成像復(fù)合。按照以下方法用棱鏡展開的方法確定各個(gè)子成像系統(tǒng)的等效視軸114，如圖2所示，就是光學(xué)平場(chǎng)成像鏡頭103的光軸所對(duì)應(yīng)方向經(jīng)過平面反射鏡104和多面反射棱錐105反射以后的方向，因此每個(gè)子成像系統(tǒng)具有一個(gè)等效視軸。根據(jù)多面反射棱錐105的法線方向確定子成像系統(tǒng)的等效視軸114在敏感器總坐標(biāo)系中的位置關(guān)系。建立第i個(gè)子成像系統(tǒng)成像坐標(biāo)系OiXJiZi，Oi位于光學(xué)平場(chǎng)成像鏡頭的主點(diǎn)，Zi軸與等效視軸方向一致，Xp1兩軸方向隨著每個(gè)子成像系統(tǒng)在總坐標(biāo)系中的布局位置確定，XpYpZi三個(gè)軸與總坐標(biāo)系得關(guān)系是總坐標(biāo)系的Z軸以O(shè)XY平面內(nèi)垂直于子成像系統(tǒng)子午正入射面的一個(gè)軸以最小旋轉(zhuǎn)角方向一次旋轉(zhuǎn)到與等效視軸重合，即Zi，總坐標(biāo)系經(jīng)過這種旋轉(zhuǎn)后得到的新坐標(biāo)系就是0iXJiZi。子成像系統(tǒng)的子午正入射面即其等效視軸和敏感器總光軸確定的平面。設(shè)有N個(gè)子成像系統(tǒng)，相鄰子成像系統(tǒng)的子午正入射面在總坐標(biāo)系OXY平面的實(shí)投影線夾角為Q，則Q=360°/N，設(shè)某個(gè)子成像系統(tǒng)的子午正入射面與x軸的夾角為iii，則1=《+(N-l)Q，i=l，2，3'"N，《為第一個(gè)子成像系統(tǒng)子午正入射面在總坐標(biāo)系OXY平面的實(shí)投影線與X軸夾角?？傋鴺?biāo)系先繞Z軸旋轉(zhuǎn)ni，再繞Y軸旋轉(zhuǎn)2①，再繞Z軸旋轉(zhuǎn)-ni，得到的新坐標(biāo)系即為第i個(gè)子成像系統(tǒng)的成像坐標(biāo)系OiXJiZi:7,-zz即&=Rz(-ni)Ry(2①)Rz(ni)，Rz(n》為總坐標(biāo)系繞z軸旋轉(zhuǎn)ni時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換矩陣，Ry(20)為總坐標(biāo)系繞Y軸旋轉(zhuǎn)2①時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換矩陣，Rz(_ni)為總坐標(biāo)系繞Z軸旋轉(zhuǎn)-ni時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換矩陣。某一子成像系統(tǒng)坐標(biāo)系中的成像點(diǎn)所代表的矢量A"按照如下方法轉(zhuǎn)換到總坐標(biāo)系下的矢量4:4=C—。轉(zhuǎn)換得到的總坐標(biāo)系下的圖像即為等效全視場(chǎng)單一鏡頭所成的圖像。本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。權(quán)利要求類球形天體敏感器多圖像復(fù)合方法，其特征在于步驟如下(1)用棱鏡展開的方法確定各個(gè)子成像系統(tǒng)的等效視軸(114)，等效視軸(114)的方向?yàn)楣鈱W(xué)平場(chǎng)成像鏡頭(103)的光軸方向經(jīng)過平面反射鏡(104)和多面反射棱錐(105)反射以后的方向；(2)建立各子成像系統(tǒng)坐標(biāo)系OiXiYiZi與總坐標(biāo)系OXYZ的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下<mrow><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>X</mi><mi>i</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>Y</mi><mi>i</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>Z</mi><mi>i</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mi>z</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mo>-</mo><msub><mi>η</mi><mi>i</mi></msub><mo>)</mo></mrow><msub><mi>R</mi><mi>y</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mi>Φ</mi><mo>)</mo></mrow><msub><mi>R</mi><mi>z</mi></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>η</mi><mi>i</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><mi>X</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>Y</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>Z</mi></mtd></mtr></mtable></mfenced></mrow>其中總坐標(biāo)系的原點(diǎn)O在光學(xué)平場(chǎng)成像鏡頭(103)的中心，X軸沿光電探測(cè)器(106)像素的行方向，Y軸沿光電探測(cè)器(106)像素的列方向，Z軸完成正交；總坐標(biāo)系的Z軸以XOY平面內(nèi)垂直于子成像系統(tǒng)子午正入射面的一個(gè)軸以最小旋轉(zhuǎn)角方向一次旋轉(zhuǎn)到與等效視軸(114)重合時(shí)得到的坐標(biāo)系為各子成像系統(tǒng)的坐標(biāo)系OiXiYiZi，i＝1，2，3…N，N為子成像系統(tǒng)的個(gè)數(shù)，ηi為各子成像系統(tǒng)的子午正入射面與X軸的夾角為，ηi＝ξ+(N-1)Ω，ξ為第一個(gè)子成像系統(tǒng)子午正入射面在總坐標(biāo)系OXY平面的實(shí)投影線與X軸的夾角，Ω＝360°/N，Rz(ηi)為總坐標(biāo)系繞Z軸旋轉(zhuǎn)ηi時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換矩陣，Ry(2Φ)為總坐標(biāo)系繞Y軸旋轉(zhuǎn)2Φ時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換矩陣，Rz(-ηi)為總坐標(biāo)系繞Z軸旋轉(zhuǎn)-ηi時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換矩陣；(3)根據(jù)步驟(2)的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系，將各子成像系統(tǒng)所成像點(diǎn)代表的矢量轉(zhuǎn)換到總坐標(biāo)系下；(4)轉(zhuǎn)換得到的總坐標(biāo)系下的圖像即為等效全視場(chǎng)單一鏡頭所成的圖像。全文摘要類球形天體敏感器多圖像復(fù)合方法，首先用棱鏡展開的方法確定各個(gè)子成像系統(tǒng)的等效視軸，等效視軸的方向?yàn)楣鈱W(xué)平場(chǎng)成像鏡頭的光軸方向經(jīng)過平面反射鏡和多面反射棱錐反射以后的方向。然后通過建立各子成像系統(tǒng)坐標(biāo)系與總坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系將各子成像系統(tǒng)所成像點(diǎn)代表的矢量轉(zhuǎn)換到總坐標(biāo)系下。轉(zhuǎn)換得到的總坐標(biāo)系下的圖像即為等效全視場(chǎng)單一鏡頭所成的圖像。通過本發(fā)明方法，可以將不同視場(chǎng)所成的像轉(zhuǎn)換到同一基準(zhǔn)坐標(biāo)系下，以解決多系統(tǒng)視場(chǎng)復(fù)合大視角光學(xué)系統(tǒng)圖像處理問題，為類球形星體敏感器的姿態(tài)提取提供基礎(chǔ)。文檔編號(hào)G06T5/50GK101751662SQ200910243280公開日2010年6月23日申請(qǐng)日期2009年12月30日優(yōu)先權(quán)日2009年12月30日發(fā)明者應(yīng)磊,郝云彩申請(qǐng)人:北京控制工程研究所