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基于相对响应校正的多角度偏振成像仪几何定标精度提升方法.docx
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基于相对响应校正的多角度偏振成像仪几何定标精度提升方法.docx
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摘要
高精度的质心定位是基于单平行光管与分离式二维转台的几何定标方法的关键,但仪器的相
对响应差异会影响质心定位精度。因此,提出了一种基于相对响应校正的质心定位精度提升
方法,可有效地提升质心定位精度,进而提升几何定标精度。基于多角度偏振成像仪的实验
室几何定标实验证明了所提方法的提升效果。提升效果在大视场区域中更为显著,最大几何
定标精度约为 0.1 pixel。最终,基于所提质心定位精度提升方法在实验室中获得了高精度的
多角度偏振成像仪几何模型参数,模型拟合残差优于 0.1 pixel。
Abstract
High-precision centroid positioning is the key to the geometric calibration method based
on a single collimator and a separated two-dimensional turntable. However, the relative
response difference of the instrument will affect the centroid positioning accuracy.
Therefore, a centroid positioning accuracy improvement method based on the relative
response correction is proposed, which can effectively improve the centroid positioning
accuracy, thereby improving the geometric calibration accuracy. The laboratory
geometric calibration experiment based on the directional polarimetric camera proves the
improvement effect of the proposed method. The improvement effect is more significant
in the large field of view area, and the maximum geometric calibration accuracy is about
0.1 pixel. Finally, based on the proposed centroid positioning accuracy improvement
method, the geometric model parameters of high-precision directional polarimetric
camera are obtained in the laboratory, and the model fitting residual is better than 0.1
pixel.
1 引言
光学仪器通过几何定标来确定物像几何关系。对于星载光学遥感仪器,几何定标分为实验室
几何定标和在轨几何定标两个阶段。高精度的实验室几何定标是在轨几何定标的基础
[1-2]
。
多角度成像光谱辐射计(MISR)
[3]
、地球反射比的偏振化和指向性仪器(POLDER)
[4]
等在发射
前均进行了高精度的实验室几何定标。
多角度偏振成像仪(DPC)是集多角度、多光谱和偏振探测能力于一体的星载大视场面阵成
像仪器
[5]
。该类型仪器已经搭载高分五号 01 星和高分五号 02 星成功发射并获得了优质的
遥感数据,后续还将搭载包含陆地生态系统碳监测卫星在内的多颗卫星,并将在大气气溶胶
反演和气候变化监测等方面发挥重要作用
[6-7]
。高精度的地理定位和多角度多光谱偏振图像
配准是保证反演产品质量的关键。因此,对 DPC 进行精密的实验室几何定标是仪器研制过
程中的重要环节。Chen 等
[8]
提出了一种基于单平行光管和分离式二维转台相结合的几何定
标方法。该方法联合了入射光方向参数和像点坐标拟合几何模型参数。在此基础上,Huang
等
[9]
提出采用旋转矩阵和平移向量校正几何定标装置的装调误差,一定程度上提升了入射光
束方向参数的精度。向光峰等
[10]
提出了一种质心-像点误差校正模型,可有效校正质心-像点
近似误差。进一步分析 DPC 的辐射测量模型和几何定标方法发现,DPC 的相对响应差异会
影响质心定位精度,进而影响实验室几何定标的精度。虽然,文献[ 11]中有提及 CCD 非均匀
性对质心定位精度有影响,但并没有给出具体校正方法和定量分析结果,并且忽略了 DPC 这
种大视场仪器光学系统照度均匀性差异对质心定位精度的影响。因此,为进一步提升 DPC
实验室几何定标精度,需要系统研究相对响应差异对质心定位精度的影响和校正方法。
首先,本文介绍了 DPC 的基本探测原理,并给出了 DPC 标量辐射测量模型和成像几何模
型。然后,简要回顾了基于单平行光管和分离式二维转台的几何定标方法,并在此基础上提
出了一种基于相对响应校正的质心定位精度提升方法。最后,通过 DPC 实验室几何定标数
据验证了质心校正方法的效果,并利用校正后的质心数据拟合了高精度的 DPC 几何模型参
数。本文的研究对象为陆地生态系统碳监测卫星搭载的 DPC。
2 基本原理
2.1 多角度偏振成像仪探测原理
陆地生态系统碳监测卫星搭载的 DPC 光学系统如图 1 所示,由超广角像方远心物镜、滤光/
检偏转轮和面阵电荷耦合器件(CCD)探测器三部分构成
[11-12]
。得益于超广角像方远心物镜
的设计,DPC 在沿轨方向和穿轨方向的视场分别为 100°和 80°,在轨运行时可实现对目标的
多角度观测(角度数优于 9)。滤光/检偏转轮可实现对 5 个非偏波段(443,565,763,765,910
nm,本文采用波段中心波长代指各波段)和 3 个偏振波段(490,670,865 nm)的偏振信息和光
谱辐射信息的解析。有效 CCD 阵列大小为 360 pixel×512 pixel。单像元尺寸为 22.5
μm×22.5 μm。当 DPC 运行的标称轨道高度为 505.984 km 时,星下点空间分辨率优于 2.5
km,幅宽大于 800 km。
图 1. DPC 光学系统结构
Fig. 1. Optical system structure of DPC
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仪器的偏振特性不属于本文的考虑范围,详细的偏振辐射测量模型可参考文献[ 13-14]。
DPC 标量形式的辐射测量模型为
D(k)l,p=A(k)R(k)l,pI(k)l,p,(1)Dl,p(k)=A(k)Rl,p(k)Il,p(k),(1)
式中: D(k)l,pDl,p(k)为当波段 k 的入射辐亮度为 I(k)l,pIl,p(k)时像元(l,p)的响应值;A
(k)
为整机
绝对辐射定标系数,用于将归一化辐亮度转换为数字信号; R(k)l,pRl,p(k)为相对响应系数,表
示各像元对同一入射光的相对响应差异,由光学系统的照度均匀性差异
[15]
和面阵 CCD 探测
器像元间响应差异
[16-17]
共同组成。式(1)建立了各像元响应值与入射辐射量之间的关系。对
于 DPC 这种大视场光学仪器,相对响应系数的定标是实验室定标的关键。在仪器实际应用
中,将各像元的响应值 D(k)l,pDl,p(k)除以对应像元的相对响应系数 R(k)l,pRl,p(k)即可完成相
对响应校正,可确保仪器各像元对同一入射光束具有相同的响应值。相对响应校正对定量遥
感具有十分重要的意义,也是 DPC 多角度多光谱偏振辐射数据有效性的关键。
DPC 的成像几何模型为
⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪x(M)k=x(S)k−Lk⋅cosφy(M)k=y(S)k−Lk⋅sinφLk=f(1)k⋅tanθ+f(3)k⋅tan3θ+
f(5)k⋅tan5θ,(2)xk(M)=xk(S)-Lk·cosφyk(M)=yk(S)-
Lk·sinφLk=fk(1)·tanθ+fk(3)·tan3θ+fk(5)·tan5θ,(2)
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