基于地球椭球的离轴式双线阵相机像移补偿分析

吴佩

摘  要：离轴式光学系统有着无中心遮拦、无色差、结构紧凑、视场大的应用优势。离轴式双线阵相机视轴与光轴保持分离的状态，地球是一个椭球体，相机视轴和光轴相对应的地物点距离会随着星下点和升交点的地心角产生变化。成像传感器和光轴垂直，对地物点成像，这些影响因素会导致相机像移速度发生变化。采用有效的方式调整偏流角，以相机偏流角均值为主，实现对相机的像移补偿。

关键词：地球椭球  离轴式双线阵  相机像移补偿  分析

中图分类号：TP39                               文献标识码：A                   文章编号：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

离轴式光学系统有着无中心遮拦、无色差、结构紧凑、视场大的应用优势，在使用过程中能够满足高分辨率空间相机成像需求，成像质量好，且覆盖范围广。随着光学加工技术和装调技术的逐步发展，双线阵的传输型空间立体测绘相机得到广泛应用，測制大比例尺地形图的时候使用离轴式双线阵相机更加合适，得到的成像效果最佳。

1  像移补偿的必要性分析

为提高广域成像的帧频，机载侦察平台会采用扫描成像的模式获得更佳精准的图像，但是扫描运动会带来高频扫描像移。想要拍摄出具有高信噪比特点的图像，离轴式双线阵相机所需的曝光时间比较长，如果像移速度固定，那么像移量就会增加。特别是在长焦情况下，离轴式双线阵相机的图像质量就会下降，所以人们在使用相机拍摄空间图像时，必须关注像移问题。除了扫描像移以外，相机在拍摄成像的过程中也会存在一定的前向像移和运动像移。扫描运动主要通过框架方位运动来实现，平台俯仰运动在拍照时会带来一定程度的像移。离轴式双线阵相机应在远距长焦的情况下尽可能地获取高分辨率的扫描图像，并通过解决像移问题来保证相机的成像质量。像移的产生主要与相机自身运动和平台扫描成像时的扫描运动有关，可通过计算像移角速度对离轴式双线阵相机像移进行相应的补偿[1]。

2  基于地球椭球的离轴式双线阵相机像移计算

离轴式双线阵相机摄影过程中，因离轴角的存在，导致视轴和光轴间发生分离。正视相机光轴垂直于地面，成像传感器和光轴呈垂直关系，对视轴对应的地物点成像。地球作为一个椭球体，相机视轴和光轴对应的地物点间距离会不断变化，基于地球椭球的离轴式双线阵相机像移速度和偏流角计算公式，对正视和后视相机进行统一调整，明确行周期与偏流角对相机成像质量产生的影响，为相机像移补偿提供帮助。按照离轴式双线阵相机的成像原理，相机采用带平面调焦镜的离轴三反光学系统，将电荷耦合器阵列作为成像传感器，地物点可以沿着视轴的光线按照主镜、次镜、三镜、平面调焦镜的顺序来到电荷耦合器件阵列处，并完成成像。主镜、次镜、三镜所对应的光轴与视轴之间存在夹角，即离轴角。电荷耦合器件阵列在安装时不会和视轴垂直，而是与光轴保持垂直的关系，离轴式双线阵相机与等效简化模型在几何上等效，所以接下来相机的像移计算可以采用等效简化模型[2]。

正视相机的光轴垂直于地面，视轴沿着轨道的运动方向离轴的离轴角，与后视相机的视轴沿轨道运动方向离轴的离轴角，分别为。正视与后视相机间的夹角为。OXYZ是地心赤道惯性坐标系，O指的是地心，X和Z轴分别指向春分点与北极。像移由离轴式双线阵相机和地物点相对运动产生，即卫星绕地球轨道运行和地球自转运行的合成结果。假设地球自转角速度和卫星轨道运动角速度分别为与，离轴式双线阵相机为静止，地物点以地球自转角速度绕地球自转轴运动，地球椭球方程如下：，使用WGS84地球椭球模型时，R1=6389137m，R2=6356752m，卫星轨道和地球交线是一个椭圆，方程式如下：。将已知条件代入方程式，就能对离轴式双线阵相机进行像移计算[2]。