基于地球橢球的離軸式雙線陣相機像移補償分析

吳佩

摘? 要：離軸式光學系統有著無中心遮攔、無色差、結構緊湊、視場大的應用優勢。離軸式雙線陣相機視軸與光軸保持分離的狀態，地球是一個橢球體，相機視軸和光軸相對應的地物點距離會隨著星下點和升交點的地心角產生變化。成像傳感器和光軸垂直，對地物點成像，這些影響因素會導致相機像移速度發生變化。采用有效的方式調整偏流角，以相機偏流角均值為主，實現對相機的像移補償。

關鍵詞：地球橢球? 離軸式雙線陣? 相機像移補償? 分析

中圖分類號：TP39? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）08（a）-0156-03

Abstract： The off-axis optical system has the advantages of no center block， no chromatic aberration， compact structure and large field of view. The parallax and optical axis of the off-axis dual line array camera are kept separate. The earth is an ellipsoid. The distance between the camera parallax and the object point corresponding to the optical axis will change with the geocentric angle of the point under the stars and the point of intersection. The imaging sensor is perpendicular to the optical axis， and images the ground object points. These factors will lead to the change of camera image motion speed. In order to compensate the image motion of the camera， an effective way is adopted to adjust the bias angle， which is mainly based on the mean value of the camera drift angle.

Key Words： Earth ellipsoid; Off axis double line array; Camera image motion compensation; Analysis

離軸式光學系統有著無中心遮攔、無色差、結構緊湊、視場大的應用優勢，在使用過程中能夠滿足高分辨率空間相機成像需求，成像質量好，且覆蓋范圍廣。隨著光學加工技術和裝調技術的逐步發展，雙線陣的傳輸型空間立體測繪相機得到廣泛應用，測制大比例尺地形圖的時候使用離軸式雙線陣相機更加合適，得到的成像效果最佳。

1? 像移補償的必要性分析

為提高廣域成像的幀頻，機載偵察平臺會采用掃描成像的模式獲得更佳精準的圖像，但是掃描運動會帶來高頻掃描像移。想要拍攝出具有高信噪比特點的圖像，離軸式雙線陣相機所需的曝光時間比較長，如果像移速度固定，那么像移量就會增加。特別是在長焦情況下，離軸式雙線陣相機的圖像質量就會下降，所以人們在使用相機拍攝空間圖像時，必須關注像移問題。除了掃描像移以外，相機在拍攝成像的過程中也會存在一定的前向像移和運動像移。掃描運動主要通過框架方位運動來實現，平臺俯仰運動在拍照時會帶來一定程度的像移。離軸式雙線陣相機應在遠距長焦的情況下盡可能地獲取高分辨率的掃描圖像，并通過解決像移問題來保證相機的成像質量。像移的產生主要與相機自身運動和平臺掃描成像時的掃描運動有關，可通過計算像移角速度對離軸式雙線陣相機像移進行相應的補償[1]。

2? 基于地球橢球的離軸式雙線陣相機像移計算

離軸式雙線陣相機攝影過程中，因離軸角的存在，導致視軸和光軸間發生分離。正視相機光軸垂直于地面，成像傳感器和光軸呈垂直關系，對視軸對應的地物點成像。地球作為一個橢球體，相機視軸和光軸對應的地物點間距離會不斷變化，基于地球橢球的離軸式雙線陣相機像移速度和偏流角計算公式，對正視和后視相機進行統一調整，明確行周期與偏流角對相機成像質量產生的影響，為相機像移補償提供幫助。按照離軸式雙線陣相機的成像原理，相機采用帶平面調焦鏡的離軸三反光學系統，將電荷耦合器陣列作為成像傳感器，地物點可以沿著視軸的光線按照主鏡、次鏡、三鏡、平面調焦鏡的順序來到電荷耦合器件陣列處，并完成成像。主鏡、次鏡、三鏡所對應的光軸與視軸之間存在夾角，即離軸角。電荷耦合器件陣列在安裝時不會和視軸垂直，而是與光軸保持垂直的關系，離軸式雙線陣相機與等效簡化模型在幾何上等效，所以接下來相機的像移計算可以采用等效簡化模型[2]。

正視相機的光軸垂直于地面，視軸沿著軌道的運動方向離軸的離軸角，與后視相機的視軸沿軌道運動方向離軸的離軸角，分別為。正視與后視相機間的夾角為。OXYZ是地心赤道慣性坐標系，O指的是地心，X和Z軸分別指向春分點與北極。像移由離軸式雙線陣相機和地物點相對運動產生，即衛星繞地球軌道運行和地球自轉運行的合成結果。假設地球自轉角速度和衛星軌道運動角速度分別為與，離軸式雙線陣相機為靜止，地物點以地球自轉角速度繞地球自轉軸運動，地球橢球方程如下：，使用WGS84地球橢球模型時，R1=6389137m，R2=6356752m，衛星軌道和地球交線是一個橢圓，方程式如下：。將已知條件代入方程式，就能對離軸式雙線陣相機進行像移計算[2]。