一种实用化的机载线阵推扫成像光谱仪

一种实用化的机载线阵推扫成像光谱仪
摘要：在航空遥感中，线阵CCD传感器的应用越来越广泛，但是由于航空平台的姿态变化比较剧烈， 导致线阵CCD传感器影像很难处理和应用。详细描述了自行研制的一种实用化的线阵推扫成像光谱仪 系统，并对飞行实验影像进行了处理，结果满足设计要求。

引言 当前，线阵CCD在摄影测量和遥感中得到广泛地应用，例如，用于普通飞机上的有LH Systems的ADS40、 AirMISR、DPA等，安装在直升机上的TLS，安装在卫星上的有SPOT，IKONOS等。线阵CCD传感器通常采 用推帚式扫描成像，每次成像一行，不同于面阵或者画幅式的每次成像一幅。对于航空遥感，飞机的姿态变化 比较剧烈，侧滚角一般在3。～25。间变化，直飞时航向通常也只能保持在5o以内，在这种情况下，线阵CCD传 感器采集的影像会发生严重的几何变形和扭曲，导致影像难于进行后续处理和使用，因此，通常线阵CCD传感 器都和姿态位置测量系统联合使用。姿态位置测量系统用于测量成像时的外方位元素，后处理时可以用记录的 外方位元素对线阵CCD影像进行几何粗校正，得到可视性较好的影像。 本文详细描述了课题组研制的实用化机载推扫式成像光谱仪和后续的影像处理结果。

1 系统介绍 本课题组研制的系统主要由三个部分构成：两台成像光谱仪，一台GPS／INS组合定位仪，一个PAV30平台。 见图1。系统采用两台各具有22。视场角的高光谱成像仪拼接为具有42。视场角的高光谱成像模块，两个视场之 间具有2。的重合。每台高光谱成像仪利用基于具有电子快门功能的帧转移面阵CCD推帚成像方式，PGP(棱镜 一透射光栅一棱镜)分光的技术路线。两台成像光谱仪的指标完全相同，如表1。考虑到拼接两个具有较小视场 且光轴有一定夹角，在空间维上具有平行性要求的高光谱成像仪，要求机械结构既可实现三维调整，又具有易 锁和抗震性，因此，必须进行机械结构的光、机一体化设计，从结构形式的选择和光机装校的方法两方面结合 进行设计，实验室校正的结果保证横向平行度可以达到1／4像素。按作业高度h(1000~3000m)和轻型飞机飞 行速度 (180～250km／h)计算可得，按不漏扫的最低要求，面阵CCD高光谱成像仪的最低扫描率为50帧，s，积 分时间从1～10ms任意调节。 稳定平台PAV30从Leica公司引进，用于保证工作时是垂直摄影，其俯仰和翻滚角度工作范围：±5。，偏 航角度工作范围：-t-30。，角速率偏差：<0．3。／s，垂直指向偏差： ±0．5。。 图1 系统安装图 Fig．1 The installation of system 图2 双透射式面阵CCD高光谱成像仪拼接光学示意图 Fig．2 Schematic diagram for optic splicing of double transmission area CCD high spectral imaging 2 姿态位置测量系统概述 表1成像光谱仪指标 对于线阵推扫系统，如何获取变化剧烈的外方位元素是关键，本 系统采用了一种商用的姿态测量系统来提供所需参数。 通用的姿态位置测量系统都是在惯性导航的基础上发展出来的， 其基本原理就是采用陀螺仪和加速度计测量载体的角速度和加速度， 通过积分得到载体的姿态和位置。在全球定位系统GPS 出现后，姿 态位置测量系统有充分利用GPS定位的优越性， 联合传统的惯性系 统进行测量。因此， 目前的姿态位置测量系统一般由以下几个部分组 成：
1)加速度计：其测量量积分可得到载体三维位置；
2)陀螺仪：其测量量积分可得到载体姿态；
3)GPS：用于校正陀螺仪的漂移；
4)卡尔曼滤波：融合GPS数据和惯性测量单元数据。

目前使用比较广泛的航空姿态位置测量系统有：Applanix公司的 POS系列，IGI公司的AEROcontrol，iMAR公司的iNAV等。图3 是姿态位置测量系统的一种工作框图。 航空姿态位置测量系统的测量值都包括载体的三维位置(x，y， z)和3个导航角( ， 由于航空姿态位置测量系统包括GPS， 而GPS数据使用的坐标系是WGS84坐标系，因此，三维位置(x’ 一般都是在WGS84坐标系中的坐标，3个导航角的定义与惯性 系统采用的力学编排坐标系相关，导航应用领域的惯性系统一般都 是采用当地水平坐标系进行力学编排计算，所以，3个导航角就是 载体本身和当地水平坐标系的旋转角。 Table 1 Specifications of imaging spectrometer 总波段数 l24 光谱范围／run 420～900 光谱采样间隔 ～3．8nln 光谱分辨率 ≤5nln 瞬沿轨1．2 时视场／mrad 穿轨0．6 总视场，。 42 扫描率 50 Fr／s 数据编码／bit 12 数据记录速率／(Mb／s) l 探测器 652X494面阵CCD 表2 POS／AV 510指标 Table 2 Specifications of POS／AV 510 C，AGPS DGPS 后处理 位置／m 4．0～6．0 0．5～2 0．05t0．3 速度／(m／s) 0．05 0．05 0．005 侧滚和俯仰／deg 0．008 0．0o8 0．005 偏航／deg 0．07 0．05 0．008 实际上，为了使姿态位置测量系统在高纬度地区也能稳定使用，测量坐标系一般是游移方位坐标系，游移 方位坐标系的方位轴指向惯性空间的某一方向，其侧滚轴和俯仰轴仍跟踪当地水平面，但是实际的姿态位置测 量系统都会提供到当地水平坐标系的变换关系。本文使用的导航角是基于当地水平坐标系的。 系统使用的姿态位置测量仪器为Applanix公司的POS／AV 510，见图4。POS／AV 510可以同时提供姿态和 位置参数，其主要指标见表2，后处理时侧滚和俯仰的精度可以达到18”，航向精度为28．8”，定位精度一般都 能达到10cm。 POS／AV 510的输出数据是一系列带有GPS时间标记的姿态 位置数据流，成像光谱仪和POS／AV 510的同步采用以下办法： 成像光谱仪曝光时发出一个脉冲，通过同轴电缆传输到POS／AV 510，PoS检测到脉冲后，会记下这个脉冲对应的GPS时间，然 后就可以通过GPS 时间内插来得到对应的姿态位置数据。 POS／AV 510的输出速率是250 Hz，而成像光谱仪的工作频率是 50Hz，实际应用发现采用线性内插算法就可以满足要求。 图4 POS／AV 510 Fig．4 POS／AV 510

3 飞行试验和影像处理 加速度计 和陀螺仪 建立参数 解算方程 修正后的导航参数 误差估计参数 GPS伪距相位等 图3 姿态位置测量系统框图 Fig．3 The theory of position& orientation system 图5 线阵CCD成像原理图 Fig．5 Schematic diagram of linear CCD imaging 线阵推扫传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质，导致后续图像处理很困难，也 使线阵影像的大规模应用带来了限制，但是在姿态位置测量系统的辅助下，线阵影像的应用也可以沿用已经成 熟的面阵影像的方法，如：光束法平差等。本课题研究中就是先用同时获得的姿态位置参数对线阵影像进行几 何预处理，增强影像的可视性，在满足精度要求的条件下，把粗校正后的影像再用于传统的面阵处理方法，而 且，还可以同时提供外方位元素的初始值。

3．1 线阵CCD传感器成像模型 由线阵CCD传感器的工作原理可知，如图5，其每条扫描线都对应不同的外方位元素。 对于多中心的线阵CCD传感器影像，要实现几何粗校正的前提条件是能够得到每条扫描线的外方位元素。 由摄影测量的基本原理，对于中心投影影像，有如下的共线方程： XA：XS+(ZA—z 、竺 ±竺2 二竺 c1 +c2Y—c3， ⋯ ： +( 一ZS)—blx+b2 — Y-b3f ClX+C2Y—c3} (xs，YS，zs)是投影中心在地面摄影测量坐标系中的坐标， ，Y，_，’是像点的像空间坐标，对于线阵CCD， x=0，(XA，YA，ZA)是像点对应的地面点的坐标。 像空间坐标系到地面摄影测量坐标系的旋转矩阵为A定义如式(2)所示。 r_ 2 3] A=Il b1‘b2 I (2) c c： c3j 因此，几何粗校正的关键就是得到旋转矩阵A。 3．2 矩阵A的建立 在摄影测量中，像素 ，Yp，— )和它对应的地面点坐标 ，yp，Zp)有如式(3)的关系。 (xc， ，Zc)是在地面摄影测量坐标系中的光学中心坐标，k是点依赖的比例因子。 由姿态位置测量系统提供的参数，可以得到载体坐标系相对于当地水平坐标系的旋转关系， 以及当地水平 坐标系到WGS84坐标系的旋转。因此， 由理论分析可以得到如式(4)关系。 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提供的导航角，( ， )是POS／AV 510提供的载体的经纬度坐标，( ，Or， )是成像传 感器安装角。 图6和图7是分别从几何粗校正前后的完整影像中切割出的对应部分，可见几何粗校正后效果较好，影像 的可视性大大增强。 图6 几何粗校正前的影像 Fig．6 The image before geometrical coarse rectifying 图7 几何粗校正后的影像 Fig．7 Th e image after geometrical coarse rectifying 选取图6中最右边飞机跑道中心的部分地面控制点，检验几何校正的精度，如表3所示。 由于线阵CCD几何粗校正的主要目的是解决一幅影像内部的各行之间的相对定位关系，因此，考虑用以上 几点构成5条矢量，分别是在两幅图上选择N03~N05，N07~N09，N03~N05，N06~N07，N08~N09构成 的矢量(因为部分控制点同时出现在两幅图上，所以有重复)， 计算该矢量的平面坐标改变，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 - 求得的结果是在当地的切面直角坐标系(北东地)中，本次试验航向是沿着常州洪庄机场，而机场的方向大 约是北偏东52。，因此，上述结果 可以转换到沿轨方向和穿轨方向。 ． = ， COS~~+ ．．sina 、 ： 一 rsin + ，cos (11) 代入a=52。，可得到： =0．639 m， ，，=0．347 m (12) 在1000m航高时，成像光谱仪 沿轨方向(X方向)分辨率约为1．2 m，穿轨方向(Y方向)分辨率约 为0．6 m，因此，以上的相对几何精 度完全达到要求。 表3 地面控制点WGS84坐标 Table 3 W GS84 coordinates of ground control points 点号 北纬 东经 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 相对精度(单位：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，本次选择的地面控制点较少，而且都是在平坦区域，因此，得到的结果较好，如果选择的 区域地形有较大起伏，结果可能较差。

4 结论 线阵推扫成像光谱仪是未来遥感的一个很重要的发展方向，但是目前的线阵推扫影像的应用还很困难，主 要原因是线阵影像具有多个投影中心。本文描述的机载推扫成像光谱仪系统基本能满足实用化要求，能提供影 像处理所需的各项必需参数。本系统的成功研制对进一步推进线阵推扫成像系统实用化有很大意义。