CN101144740A - 基于多元面阵拼接的高空红外成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多元面阵拼接的高空红外成像方法，采用面阵画幅式成像，通过摆镜在穿轨方向的物方扫描以获得大幅宽，摆镜工作在扫描凝视成像模式，红外面阵探测器在摆镜处于凝视位置时曝光成像，相邻两帧图像之间保持10％以上重叠率，相邻帧图像的拼接采用影像匹配中的相关函数测度算法，以保证图像的无缝拼接。该成像方法提高了系统的积分时间，有效改善了红外系统的灵敏度，画幅式成像解决由飞机姿态影响导致的图像严重扭曲。本发明解决了高空机载红外相机高分辨率、大幅宽和高灵敏度的技术难题。

Description

基于多元面阵拼接的高空红外成像方法

技术领域

本发明涉及高空机载红外相机遥感成像方法，具体是指采用多元面阵拼接的成像方法。

背景技术

红外相机主要有三种成像方式，如图1所示：

摇扫方式：探测器采用单元器件，穿轨方向的成像由扫描机构实现，而飞机的运动则实现沿轨方向的成像。该方式可以实现大视场成像、探测器像元数目最少。但是由于采用物方机械扫描，体积大，像元驻留时间短，不利于提高系统的探测灵敏度。

推扫方式：探测器采用多元器件(面阵或线阵)，穿轨方向由多个像元同时成像，沿轨方向的成像由飞机的运动完成。由于采用像方扫描，没有机械扫描机构，系统体积小、重量轻，像元驻留时间长，有利于提高系统的探测灵敏度。缺点是刈副宽度和空间分辨率较高时，需要高分辨率的探测器件和大视场的光学系统，系统难以实现。

多元并扫式又称混合型扫描：是介于摇扫式和推扫式之间的一种光谱成像方式。探测器采用多元器件，不同于推扫式的是多元探测器成像不是在穿轨方向而是在沿轨方向同时成像，即扫描机构每沿穿轨方向扫过一次，探测器n个像元将同时沿穿轨方向并行扫过n个条带。其优点是在大的刈副宽度下可以有效的提高系统的探测灵敏度。缺点是受飞机姿态影响图像产生扭曲。

这三种成像方式在技术上已经成熟，在一定的应用领域内可以满足红外系统设计的需要，但是在高空高灵敏度和宽视场要求下，不能满足系统设计的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于多元面阵拼接的高空机载红外相机成像方法，该方法的扫描形式采用摆动扫描，探测器采用多元面阵红外焦平面探测器，解决了由多元面阵探测成像的无缝拼接，达到高空红外成像的高灵敏度、高空间分辨率和大幅宽的要求。

一种基于多元面阵拼接的高空机载红外相机成像方法，其步骤包括：在穿轨方向，采用45°摆镜扫描，系统光学观测视场自左向右覆盖一条扫描线，当电机驱动摆镜摆动到凝视位置时，面阵红外焦平面探测器开始曝光成像，曝光结束由电子系统读出并记录一帧数据，完成一个成像周期，等待电机运动到下帧位置重新开始曝光和信号读出，相邻帧之间重叠10％，以保证在飞机姿态不稳条件下地面图像的无缝拼接。

相邻帧图像的拼接采用影像匹配中的相关函数测度算法、交互选择目标点和待匹配点来识别同名点。同名点为在相邻两幅图像重叠区域中的同一特征点。具体方法如下：

a.在前一幅图像中先确定一个待定点即目标点，以此点为中心选m×n(取m＝n)个像素的灰度阵列作为目标区D，灰度矩阵为G(g_i，j)(i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n)，m和n为奇数，与G对应的灰度函数为g(x，y)((x，y)∈D)；

b.估计同名点可能存在的范围，在后一幅图像中以用鼠标交互选择的待匹配点为中心，建立一个k×1(k>m，1>n)个像素的灰度阵列作为搜索区D′，灰度矩阵为G′(g′_i，j)(i＝1，2，…，k；j＝1，2，…，1)，k与1也为奇数，与G′对应的灰度函数为g′(x′，y′)((x′，y′)∈D′)；G′中任意一个m行n列的子块，即搜索窗口记为：G′_r，c＝(g′_i+r，j+c)(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.离散灰度数据对相关函数的估计公式为：

$R(c,r)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{g}_{i,j}{g}_{i+r,j+c}^{\′},---\left(3\right)$

若R(c₀，r₀)>R(c，r)(r≠r₀，c≠c₀)，则c₀和r₀为搜索区影像相对于目标区影像位移的行、列参数，搜索窗口的中心像素被认为是同名点。

图像校正及重叠区域定位拼接：

基于仿射变换的相邻两幅图像像对的简化关系为：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_2=a_0+a_1{x}_1+a_2{y}_1\\ y_2=b_0+b_1{X}_1+b_2{y}_1,\end{array}\right.---\left(4\right)$

相邻两幅图像的相对位置定向由式(4)中的6个参数确定，通过识别两幅图像的3个同名特征点，求得这6个变换参数，就能把后一幅图像变换到前一幅图像的像空间坐标系中。根据上述相邻帧图像拼接方法编成软件存储在计算机中，通过软件进行图像的后期预处理和校正，完成各帧图像的拼接。

本发明的优点在于：采用面阵凝视成像，提高了探测器积分时间，系统在高空间分辨率的同时保证高温度灵敏度；画幅式成像使飞机姿态引入的图像扭曲达到最小；通过摆镜扫描使系统可以达到45°以上的大观测视场；相邻帧之间重叠10％，以保证在飞机姿态不稳条件下地面图像的无缝拼接。

附图说明

图1为现有的三种成像方式示意图；

图2为本发明成像方式原理示意图；

图3为摆镜运动角速度曲线图；

图4为摆镜运动位置曲线图；

图5为相机光学系统等效光路图；

图6为图像拼接软件流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的一种基于多元面阵拼接的高空机载红外相机成像方法作进一步的详细说明：

红外相机具体参数如下：

总视场：45°；

飞行高度：12,000～20,000米高空；

像元数：320×256元；

瞬时视场：0.1mrad；

波段：3～5um；

温度灵敏度：优于0.1K；

光学系统口径：100mm。

1.摆镜1采用铝镁合金金属反射镜，由高精度电机驱动，完成相机瞬时视场的空间扫描。摆镜的扫描角速度曲线如图3，摆镜的位置曲线如图4。摆镜驱动电机采用直流无刷摆角电机(Cambridge Technology，Inc的Model 6900)，摆动角度为±11.25°。

2.光学系统采用卡塞格林望远镜方式，光学系统如图5所示。主镜3和次镜2均为非球面反射镜，镜面镀银反射膜，以提高系统的光学效率。

3.探测器组件4中探测器选择SOFRADIR公司320×256焦平面HgCdTe器件，响应波长为3～5μm，像元数为320×256元，光敏元尺寸为30μm×30μm，探测率大于1×10¹¹cm·Hz^1/2·W^-1，工作温度为77K～90K，斯特林制冷机选配SOFRADIR公司配套的IDTL061斯特林制冷机。上述红外相机参数是用来说明本发明的特征、技术性能和功能特点，而非用来限制本发明的范围。

采用本发明方法在实验室模拟成像中取得了较好的试验结果。

Claims (2)

1.一种基于多元面阵拼接的高空红外成像方法，其特征在于包括如下步骤：

在穿轨方向，采用45°摆镜扫描，系统光学观测视场自左向右覆盖一条扫描线，当电机驱动摆镜摆动到凝视位置时，面阵红外焦平面探测器开始曝光成像，曝光结束由电子系统读出并记录一帧数据，完成一个成像周期，等待电机运动到下帧位置重新开始曝光和信号读出，相邻帧图像之间重叠10％，以保证在飞机姿态不稳条件下地面图像的无缝拼接。

2.根据权利要求1的一种基于多元面阵拼接的高空红外成像方法，其特征在于：所说的相邻帧图像的拼接采用影像匹配中的相关函数测度算法、交互选择目标点和待匹配点来识别同名点；同名点为在相邻两幅图像重叠区域中的同一特征点，具体方法如下：

a.在前一幅图像中先确定一个待定点即目标点，以此点为中心选m×n(取m＝n)个像素的灰度阵列作为目标区D，灰度矩阵为G(g_i，j)(i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n)，m和n为奇数，与G对应的灰度函数为g(x，y)((x，y)∈D)；

b.估计同名点可能存在的范围，在后一幅图像中以用鼠标交互选择的待匹配点为中心，建立一个k×l(k＞m，l＞n)个像素的灰度阵列作为搜索区D′，灰度矩阵为G′(g′_i，j)(i＝1，2，…，k；j＝1，2，…，l)，k与l也为奇数，与G′对应的灰度函数为g′(x′，y′)((x′，y′)∈D′)；G′中任意一个m行n列的子块，即搜索窗口记为：G′_r，c＝(g′_i+r，j+c)(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，…，l-int(n/2))；

c.离散灰度数据对相关函数的估计公式为：

$R(c,r)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{g}_{i,j}{g^{\′}}_{i+r,j+c}---\left(3\right)$

若R(c₀，r₀)＞R(c，r)(r≠r₀，c≠c₀)，则c₀和r₀为搜索区影像相对于目标区影像位移的行、列参数，搜索窗口的中心像素被认为是同名点；

图像校正及重叠区域定位拼接：

基于仿射变换的相邻两幅图像像对的简化关系为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_2=a_0+a_1{x}_1+a_2{y}_1\\ y_2=b_0+b_1{x}_1+b_2{y}_1\end{array}\right.,---\left(4\right)$

相邻两幅图像的相对位置定向由式(4)中的6个参数确定，通过识别两幅图像的3个同名特征点，求得这6个变换参数，就能把后一幅图像变换到前一幅图像的像空间坐标系中；

上述相邻帧图像拼接方法编成软件存储在计算机中，通过软件进行图像的后期预处理和校正，完成各帧图像的拼接。

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