一種實(shí)用化的機(jī)載線陣推掃成像光譜儀

一種實(shí)用化的機(jī)載線陣推掃成像光譜儀
摘要：在航空遙感中，線陣CCD傳感器的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但是由于航空平臺(tái)的姿態(tài)變化比較劇烈， 導(dǎo)致線陣CCD傳感器影像很難處理和應(yīng)用。詳細(xì)描述了自行研制的一種實(shí)用化的線陣推掃成像光譜儀 系統(tǒng)，并對(duì)飛行實(shí)驗(yàn)影像進(jìn)行了處理，結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

引言 當(dāng)前，線陣CCD在攝影測(cè)量和遙感中得到廣泛地應(yīng)用，例如，用于普通飛機(jī)上的有LH Systems的ADS40、 AirMISR、DPA等，安裝在直升機(jī)上的TLS，安裝在衛(wèi)星上的有SPOT，IKONOS等。線陣CCD傳感器通常采 用推帚式掃描成像，每次成像一行，不同于面陣或者畫幅式的每次成像一幅。對(duì)于航空遙感，飛機(jī)的姿態(tài)變化 比較劇烈，側(cè)滾角一般在3。～25。間變化，直飛時(shí)航向通常也只能保持在5o以內(nèi)，在這種情況下，線陣CCD傳 感器采集的影像會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的幾何變形和扭曲，導(dǎo)致影像難于進(jìn)行后續(xù)處理和使用，因此，通常線陣CCD傳感 器都和姿態(tài)位置測(cè)量系統(tǒng)聯(lián)合使用。姿態(tài)位置測(cè)量系統(tǒng)用于測(cè)量成像時(shí)的外方位元素，后處理時(shí)可以用記錄的 外方位元素對(duì)線陣CCD影像進(jìn)行幾何粗校正，得到可視性較好的影像。 本文詳細(xì)描述了課題組研制的實(shí)用化機(jī)載推掃式成像光譜儀和后續(xù)的影像處理結(jié)果。

1 系統(tǒng)介紹 本課題組研制的系統(tǒng)主要由三個(gè)部分構(gòu)成：兩臺(tái)成像光譜儀，一臺(tái)GPS／INS組合定位儀，一個(gè)PAV30平臺(tái)。 見(jiàn)圖1。系統(tǒng)采用兩臺(tái)各具有22。視場(chǎng)角的高光譜成像儀拼接為具有42。視場(chǎng)角的高光譜成像模塊，兩個(gè)視場(chǎng)之 間具有2。的重合。每臺(tái)高光譜成像儀利用基于具有電子快門功能的幀轉(zhuǎn)移面陣CCD推帚成像方式，PGP(棱鏡 一透射光柵一棱鏡)分光的技術(shù)路線。兩臺(tái)成像光譜儀的指標(biāo)完全相同，如表1�？紤]到拼接兩個(gè)具有較小視場(chǎng) 且光軸有一定夾角，在空間維上具有平行性要求的高光譜成像儀，要求機(jī)械結(jié)構(gòu)既可實(shí)現(xiàn)三維調(diào)整，又具有易 鎖和抗震性，因此，必須進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的光、機(jī)一體化設(shè)計(jì)，從結(jié)構(gòu)形式的選擇和光機(jī)裝校的方法兩方面結(jié)合 進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)室校正的結(jié)果保證橫向平行度可以達(dá)到1／4像素。按作業(yè)高度h(1000~3000m)和輕型飛機(jī)飛 行速度 (180～250km／h)計(jì)算可得，按不漏掃的最低要求，面陣CCD高光譜成像儀的最低掃描率為50幀，s，積 分時(shí)間從1～10ms任意調(diào)節(jié)。 穩(wěn)定平臺(tái)PAV30從Leica公司引進(jìn)，用于保證工作時(shí)是垂直攝影，其俯仰和翻滾角度工作范圍：±5。，偏 航角度工作范圍：-t-30。，角速率偏差：<0．3。／s，垂直指向偏差： ±0．5。。 圖1 系統(tǒng)安裝圖 Fig．1 The installation of system 圖2 雙透射式面陣CCD高光譜成像儀拼接光學(xué)示意圖 Fig．2 Schematic diagram for optic splicing of double transmission area CCD high spectral imaging 2 姿態(tài)位置測(cè)量系統(tǒng)概述 表1成像光譜儀指標(biāo) 對(duì)于線陣推掃系統(tǒng)，如何獲取變化劇烈的外方位元素是關(guān)鍵，本 系統(tǒng)采用了一種商用的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)來(lái)提供所需參數(shù)。 通用的姿態(tài)位置測(cè)量系統(tǒng)都是在慣性導(dǎo)航的基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的， 其基本原理就是采用陀螺儀和加速度計(jì)測(cè)量載體的角速度和加速度， 通過(guò)積分得到載體的姿態(tài)和位置。在全球定位系統(tǒng)GPS 出現(xiàn)后，姿 態(tài)位置測(cè)量系統(tǒng)有充分利用GPS定位的優(yōu)越性， 聯(lián)合傳統(tǒng)的慣性系 統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。因此， 目前的姿態(tài)位置測(cè)量系統(tǒng)一般由以下幾個(gè)部分組 成：
1)加速度計(jì)：其測(cè)量量積分可得到載體三維位置；
2)陀螺儀：其測(cè)量量積分可得到載體姿態(tài)；
3)GPS：用于校正陀螺儀的漂移；
4)卡爾曼濾波：融合GPS數(shù)據(jù)和慣性測(cè)量單元數(shù)據(jù)。

目前使用比較廣泛的航空姿態(tài)位置測(cè)量系統(tǒng)有：Applanix公司的 POS系列，IGI公司的AEROcontrol，iMAR公司的iNAV等。圖3 是姿態(tài)位置測(cè)量系統(tǒng)的一種工作框圖。 航空姿態(tài)位置測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量值都包括載體的三維位置(x，y， z)和3個(gè)導(dǎo)航角( ， 由于航空姿態(tài)位置測(cè)量系統(tǒng)包括GPS， 而GPS數(shù)據(jù)使用的坐標(biāo)系是WGS84坐標(biāo)系，因此，三維位置(x’ 一般都是在WGS84坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，3個(gè)導(dǎo)航角的定義與慣性 系統(tǒng)采用的力學(xué)編排坐標(biāo)系相關(guān)，導(dǎo)航應(yīng)用領(lǐng)域的慣性系統(tǒng)一般都 是采用當(dāng)?shù)厮�平坐�?biāo)系進(jìn)行力學(xué)編排計(jì)算，所以，3個(gè)導(dǎo)航角就是 載體本身和當(dāng)?shù)厮�平坐�?biāo)系的旋轉(zhuǎn)角。 Table 1 Specifications of imaging spectrometer 總波段數(shù) l24 光譜范圍／run 420～900 光譜采樣間隔 ～3．8nln 光譜分辨率 ≤5nln 瞬沿軌1．2 時(shí)視場(chǎng)／mrad 穿軌0．6 總視場(chǎng)，。 42 掃描率 50 Fr／s 數(shù)據(jù)編碼／bit 12 數(shù)據(jù)記錄速率／(Mb／s) l 探測(cè)器 652X494面陣CCD 表2 POS／AV 510指標(biāo) Table 2 Specifications of POS／AV 510 C，AGPS DGPS 后處理 位置／m 4．0～6．0 0．5～2 0．05t0．3 速度／(m／s) 0．05 0．05 0．005 側(cè)滾和俯仰／deg 0．008 0．0o8 0．005 偏航／deg 0．07 0．05 0．008 實(shí)際上，為了使姿態(tài)位置測(cè)量系統(tǒng)在高緯度地區(qū)也能穩(wěn)定使用，測(cè)量坐標(biāo)系一般是游移方位坐標(biāo)系，游移 方位坐標(biāo)系的方位軸指向慣性空間的某一方向，其側(cè)滾軸和俯仰軸仍跟蹤當(dāng)?shù)厮�平面，但是�?shí)際的姿態(tài)位置測(cè) 量系統(tǒng)都會(huì)提供到當(dāng)?shù)厮�平坐�?biāo)系的變換關(guān)系。本文使用的導(dǎo)航角是基于當(dāng)?shù)厮�平坐�?biāo)系的。 系統(tǒng)使用的姿態(tài)位置測(cè)量?jī)x器為Applanix公司的POS／AV 510，見(jiàn)圖4。POS／AV 510可以同時(shí)提供姿態(tài)和 位置參數(shù)，其主要指標(biāo)見(jiàn)表2，后處理時(shí)側(cè)滾和俯仰的精度可以達(dá)到18”，航向精度為28．8”，定位精度一般都 能達(dá)到10cm。 POS／AV 510的輸出數(shù)據(jù)是一系列帶有GPS時(shí)間標(biāo)記的姿態(tài) 位置數(shù)據(jù)流，成像光譜儀和POS／AV 510的同步采用以下辦法： 成像光譜儀曝光時(shí)發(fā)出一個(gè)脈沖，通過(guò)同軸電纜傳輸?shù)絇OS／AV 510，PoS檢測(cè)到脈沖后，會(huì)記下這個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的GPS時(shí)間，然 后就可以通過(guò)GPS 時(shí)間內(nèi)插來(lái)得到對(duì)應(yīng)的姿態(tài)位置數(shù)據(jù)。 POS／AV 510的輸出速率是250 Hz，而成像光譜儀的工作頻率是 50Hz，實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)采用線性內(nèi)插算法就可以滿足要求。 圖4 POS／AV 510 Fig．4 POS／AV 510

3 飛行試驗(yàn)和影像處理 加速度計(jì) 和陀螺儀 建立參數(shù) 解算方程 修正后的導(dǎo)航參數(shù) 誤差估計(jì)參數(shù) GPS偽距相位等 圖3 姿態(tài)位置測(cè)量系統(tǒng)框圖 Fig．3 The theory of position& orientation system 圖5 線陣CCD成像原理圖 Fig．5 Schematic diagram of linear CCD imaging 線陣推掃傳感器的工作原理是很成熟的，但是由于其有多中心投影的性質(zhì)，導(dǎo)致后續(xù)圖像處理很困難，也 使線陣影像的大規(guī)模應(yīng)用帶來(lái)了限制，但是在姿態(tài)位置測(cè)量系統(tǒng)的輔助下，線陣影像的應(yīng)用也可以沿用已經(jīng)成 熟的面陣影像的方法，如：光束法平差等。本課題研究中就是先用同時(shí)獲得的姿態(tài)位置參數(shù)對(duì)線陣影像進(jìn)行幾 何預(yù)處理，增強(qiáng)影像的可視性，在滿足精度要求的條件下，把粗校正后的影像再用于傳統(tǒng)的面陣處理方法，而 且，還可以同時(shí)提供外方位元素的初始值。

3．1 線陣CCD傳感器成像模型 由線陣CCD傳感器的工作原理可知，如圖5，其每條掃描線都對(duì)應(yīng)不同的外方位元素。 對(duì)于多中心的線陣CCD傳感器影像，要實(shí)現(xiàn)幾何粗校正的前提條件是能夠得到每條掃描線的外方位元素。 由攝影測(cè)量的基本原理，對(duì)于中心投影影像，有如下的共線方程： XA：XS+(ZA—z 、竺 ±竺2 二竺 c1 +c2Y—c3， ⋯ ： +( 一ZS)—blx+b2 — Y-b3f ClX+C2Y—c3} (xs，YS，zs)是投影中心在地面攝影測(cè)量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)， ，Y，_，’是像點(diǎn)的像空間坐標(biāo)，對(duì)于線陣CCD， x=0，(XA，YA，ZA)是像點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地面點(diǎn)的坐標(biāo)。 像空間坐標(biāo)系到地面攝影測(cè)量坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣為A定義如式(2)所示。 r_ 2 3] A=Il b1‘b2 I (2) c c： c3j 因此，幾何粗校正的關(guān)鍵就是得到旋轉(zhuǎn)矩陣A。 3．2 矩陣A的建立 在攝影測(cè)量中，像素 ，Yp，— )和它對(duì)應(yīng)的地面點(diǎn)坐標(biāo) ，yp，Zp)有如式(3)的關(guān)系。 (xc， ，Zc)是在地面攝影測(cè)量坐標(biāo)系中的光學(xué)中心坐標(biāo)，k是點(diǎn)依賴的比例因子。 由姿態(tài)位置測(cè)量系統(tǒng)提供的參數(shù)，可以得到載體坐標(biāo)系相對(duì)于當(dāng)?shù)厮�平坐�?biāo)系的旋轉(zhuǎn)關(guān)系， 以及當(dāng)?shù)厮��?坐標(biāo)系到WGS84坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)。因此， 由理論分析可以得到如式(4)關(guān)系。 x p Zp =[ ] + c c c ， ， c x p 一{p (4) rcos cos sin sin cos —cos sin cos sin cos +sin sin ] 【-一sin sin c。s c。sq~cosp j r_一sin易c。s， 一sin， 一c。s易c。s ] 。 L- c。s易 0 一sin易 j = 三] ㈣ 350 Infrared Technology 、bl-27 NO．5 Sep． 2005 cOSOy si sinO~sinOy sin +cosOxco co~gx sinO y sinOz——sinO x cosO~ _Si ] sir~xco I (9) co co J ( 是POS／AV 510提供的導(dǎo)航角，( ， )是POS／AV 510提供的載體的經(jīng)緯度坐標(biāo)，( ，Or， )是成像傳 感器安裝角。 圖6和圖7是分別從幾何粗校正前后的完整影像中切割出的對(duì)應(yīng)部分，可見(jiàn)幾何粗校正后效果較好，影像 的可視性大大增強(qiáng)。 圖6 幾何粗校正前的影像 Fig．6 The image before geometrical coarse rectifying 圖7 幾何粗校正后的影像 Fig．7 Th e image after geometrical coarse rectifying 選取圖6中最右邊飛機(jī)跑道中心的部分地面控制點(diǎn)，檢驗(yàn)幾何校正的精度，如表3所示。 由于線陣CCD幾何粗校正的主要目的是解決一幅影像內(nèi)部的各行之間的相對(duì)定位關(guān)系，因此，考慮用以上 幾點(diǎn)構(gòu)成5條矢量，分別是在兩幅圖上選擇N03~N05，N07~N09，N03~N05，N06~N07，N08~N09構(gòu)成 的矢量(因?yàn)椴糠挚刂泣c(diǎn)同時(shí)出現(xiàn)在兩幅圖上，所以有重復(fù))， 計(jì)算該矢量的平面坐標(biāo)改變，可得到表4。 求出均方根(RMS)得到： 6x=O．667 m， 一O．290 m (10) 351 ． ． -一-一 L - 求得的結(jié)果是在當(dāng)?shù)氐那忻嬷苯亲鴺?biāo)系(北東地)中，本次試驗(yàn)航向是沿著常州洪莊機(jī)場(chǎng)，而機(jī)場(chǎng)的方向大 約是北偏東52。，因此，上述結(jié)果 可以轉(zhuǎn)換到沿軌方向和穿軌方向。 ． = ， COS~~+ ．．sina 、 ： 一 rsin + ，cos (11) 代入a=52。，可得到： =0．639 m， ，，=0．347 m (12) 在1000m航高時(shí)，成像光譜儀 沿軌方向(X方向)分辨率約為1．2 m，穿軌方向(Y方向)分辨率約 為0．6 m，因此，以上的相對(duì)幾何精 度完全達(dá)到要求。 表3 地面控制點(diǎn)WGS84坐標(biāo) Table 3 W GS84 coordinates of ground control points 點(diǎn)號(hào) 北緯 東經(jīng) 大地高 No3 31。47 31．1972” 119。54 34．1585” 10．014 N05 3 1~47r34．0591” 1 19。54r30．0148” 10．471 NO6 3 1。47 36．3001” ll9。54 26．7632” 10．599 N07 3 1~47 38．5432” 1 19。54 23．5o38” 10．7ll No8 3 1。47r40．2765” 1 19。54 20．9882” 10．715 N09 31~47r41．4015” 1 19。54 19．3620” 10．740 表4 相對(duì)精度(單位：m) Table4 relative accuracy (Unit：m) 0．92625 —0．59635 — 0．85283 0．08779 — 0．15691 0．14838 — 0．44845 0．1lll0 — 0．6‘l068 —0．14895 需要注意的是，本次選擇的地面控制點(diǎn)較少，而且都是在平坦區(qū)域，因此，得到的結(jié)果較好，如果選擇的 區(qū)域地形有較大起伏，結(jié)果可能較差。

4 結(jié)論 線陣推掃成像光譜儀是未來(lái)遙感的一個(gè)很重要的發(fā)展方向，但是目前的線陣推掃影像的應(yīng)用還很困難，主 要原因是線陣影像具有多個(gè)投影中心。本文描述的機(jī)載推掃成像光譜儀系統(tǒng)基本能滿足實(shí)用化要求，能提供影 像處理所需的各項(xiàng)必需參數(shù)。本系統(tǒng)的成功研制對(duì)進(jìn)一步推進(jìn)線陣推掃成像系統(tǒng)實(shí)用化有很大意義。