一種實(shí)用化的機載線(xiàn)陣推掃成像光譜儀
摘要：在航空遙感中，線(xiàn)陣CCD傳感器的應用越來(lái)越廣泛，但是由于航空平臺的姿態(tài)變化比較劇烈， 導致線(xiàn)陣CCD傳感器影像很難處理和應用。詳細描述了自行研制的一種實(shí)用化的線(xiàn)陣推掃成像光譜儀 系統，并對飛行實(shí)驗影像進(jìn)行了處理，結果滿(mǎn)足設計要求。

引言 當前，線(xiàn)陣CCD在攝影測量和遙感中得到廣泛地應用，例如，用于普通飛機上的有LH Systems的ADS40、 AirMISR、DPA等，安裝在直升機上的TLS，安裝在衛星上的有SPOT，IKONOS等。線(xiàn)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(huà)幅式的每次成像一幅。對于航空遙感，飛機的姿態(tài)變化 比較劇烈，側滾角一般在3�！�25。間變化，直飛時(shí)航向通常也只能保持在5o以?xún)�，在這種情況下，線(xiàn)陣CCD傳 感器采集的影像會(huì )發(fā)生嚴重的幾何變形和扭曲，導致影像難于進(jìn)行后續處理和使用，因此，通常線(xiàn)陣CCD傳感 器都和姿態(tài)位置測量系統聯(lián)合使用。姿態(tài)位置測量系統用于測量成像時(shí)的外方位元素，后處理時(shí)可以用記錄的 外方位元素對線(xiàn)陣CCD影像進(jìn)行幾何粗校正，得到可視性較好的影像。 本文詳細描述了課題組研制的實(shí)用化機載推掃式成像光譜儀和后續的影像處理結果。

1 系統介紹 本課題組研制的系統主要由三個(gè)部分構成：兩臺成像光譜儀，一臺GPS／INS組合定位儀，一個(gè)PAV30平臺。 見(jiàn)圖1。系統采用兩臺各具有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。每臺高光譜成像儀利用基于具有電子快門(mén)功能的幀轉移面陣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(xiàn)。兩臺成像光譜儀的指標完全相同，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，要求機械結構既可實(shí)現三維調整，又具有易 鎖和抗震性，因此，必須進(jìn)行機械結構的光、機一體化設計，從結構形式的選擇和光機裝校的方法兩方面結合 進(jìn)行設計，實(shí)驗室校正的結果保證橫向平行度可以達到1／4像素。按作業(yè)高度h(1000~3000m)和輕型飛機飛 行速度 (180～250km／h)計算可得，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任意調節。 穩定平臺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)位置測量系統概述 表1成像光譜儀指標 對于線(xiàn)陣推掃系統，如何獲取變化劇烈的外方位元素是關(guān)鍵，本 系統采用了一種商用的姿態(tài)測量系統來(lái)提供所需參數。 通用的姿態(tài)位置測量系統都是在慣性導航的基礎上發(fā)展出來(lái)的， 其基本原理就是采用陀螺儀和加速度計測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GPS 出現后，姿 態(tài)位置測量系統有充分利用GPS定位的優(yōu)越性， 聯(lián)合傳統的慣性系 統進(jìn)行測量。因此， 目前的姿態(tài)位置測量系統一般由以下幾個(gè)部分組 成：
1)加速度計：其測量量積分可得到載體三維位置；
2)陀螺儀：其測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數據和慣性測量單元數據。

目前使用比較廣泛的航空姿態(tài)位置測量系統有：Applanix公司的 POS系列，IGI公司的AEROcontrol，iMAR公司的iNAV等。圖3 是姿態(tài)位置測量系統的一種工作框圖。 航空姿態(tài)位置測量系統的測量值都包括載體的三維位置(x，y， z)和3個(gè)導航角( ， 由于航空姿態(tài)位置測量系統包括GPS， 而GPS數據使用的坐標系是WGS84坐標系，因此，三維位置(x’ 一般都是在WGS84坐標系中的坐標，3個(gè)導航角的定義與慣性 系統采用的力學(xué)編排坐標系相關(guān)，導航應用領(lǐng)域的慣性系統一般都 是采用當地水平坐標系進(jìn)行力學(xué)編排計算，所以，3個(gè)導航角就是 載體本身和當地水平坐標系的旋轉角。 Table 1 Specifications of imaging spectrometer 總波段數 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 數據編碼／bit 12 數據記錄速率／(Mb／s) l 探測器 652X494面陣CCD 表2 POS／AV 510指標 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)位置測量系統在高緯度地區也能穩定使用，測量坐標系一般是游移方位坐標系，游移 方位坐標系的方位軸指向慣性空間的某一方向，其側滾軸和俯仰軸仍跟蹤當地水平面，但是實(shí)際的姿態(tài)位置測 量系統都會(huì )提供到當地水平坐標系的變換關(guān)系。本文使用的導航角是基于當地水平坐標系的。 系統使用的姿態(tài)位置測量?jì)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，其主要指標見(jiàn)表2，后處理時(shí)側滾和俯仰的精度可以達到18”，航向精度為28．8”，定位精度一般都 能達到10cm。 POS／AV 510的輸出數據是一系列帶有GPS時(shí)間標記的姿態(tài) 位置數據流，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)同軸電纜傳輸到POS／AV 510，PoS檢測到脈沖后，會(huì )記下這個(gè)脈沖對應的GPS時(shí)間，然 后就可以通過(guò)GPS 時(shí)間內插來(lái)得到對應的姿態(tài)位置數據。 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)際應用發(fā)現采用線(xiàn)性?xún)炔逅惴ň涂梢詽M(mǎn)足要求。 圖4 POS／AV 510 Fig．4 POS／AV 510

3 飛行試驗和影像處理 加速度計 和陀螺儀 建立參數 解算方程 修正后的導航參數 誤差估計參數 GPS偽距相位等 圖3 姿態(tài)位置測量系統框圖 Fig．3 The theory of position& orientation system 圖5 線(xiàn)陣CCD成像原理圖 Fig．5 Schematic diagram of linear CCD imaging 線(xiàn)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)，導致后續圖像處理很困難，也 使線(xiàn)陣影像的大規模應用帶來(lái)了限制，但是在姿態(tài)位置測量系統的輔助下，線(xiàn)陣影像的應用也可以沿用已經(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)位置參數對線(xiàn)陣影像進(jìn)行幾 何預處理，增強影像的可視性，在滿(mǎn)足精度要求的條件下，把粗校正后的影像再用于傳統的面陣處理方法，而 且，還可以同時(shí)提供外方位元素的初始值。

3．1 線(xiàn)陣CCD傳感器成像模型 由線(xiàn)陣CCD傳感器的工作原理可知，如圖5，其每條掃描線(xiàn)都對應不同的外方位元素。 對于多中心的線(xiàn)陣CCD傳感器影像，要實(shí)現幾何粗校正的前提條件是能夠得到每條掃描線(xiàn)的外方位元素。 由攝影測量的基本原理，對于中心投影影像，有如下的共線(xiàn)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量坐標系中的坐標， ，Y，_，’是像點(diǎn)的像空間坐標，對于線(xiàn)陣CCD， x=0，(XA，YA，ZA)是像點(diǎn)對應的地面點(diǎn)的坐標。 像空間坐標系到地面攝影測量坐標系的旋轉矩陣為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)鍵就是得到旋轉矩陣A。 3．2 矩陣A的建立 在攝影測量中，像素 ，Yp，— )和它對應的地面點(diǎn)坐標 ，yp，Zp)有如式(3)的關(guān)系。 (xc， ，Zc)是在地面攝影測量坐標系中的光學(xué)中心坐標，k是點(diǎn)依賴(lài)的比例因子。 由姿態(tài)位置測量系統提供的參數，可以得到載體坐標系相對于當地水平坐標系的旋轉關(guān)系， 以及當地水平 坐標系到WGS84坐標系的旋轉。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提供的導航角，( ， )是POS／AV 510提供的載體的經(jīng)緯度坐標，( ，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應部分，可見(jiàn)幾何粗校正后效果較好，影像 的可視性大大增強。 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中最右邊飛機跑道中心的部分地面控制點(diǎn)，檢驗幾何校正的精度，如表3所示。 由于線(xiàn)陣CCD幾何粗校正的主要目的是解決一幅影像內部的各行之間的相對定位關(guān)系，因此，考慮用以上 幾點(diǎn)構成5條矢量，分別是在兩幅圖上選擇N03~N05，N07~N09，N03~N05，N06~N07，N08~N09構成 的矢量(因為部分控制點(diǎn)同時(shí)出現在兩幅圖上，所以有重復)， 計算該矢量的平面坐標改變，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 - 求得的結果是在當地的切面直角坐標系(北東地)中，本次試驗航向是沿著(zhù)常州洪莊機場(chǎng)，而機場(chǎng)的方向大 約是北偏東52。，因此，上述結果 可以轉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，以上的相對幾何精 度完全達到要求。 表3 地面控制點(diǎn)WGS84坐標 Table 3 W GS84 coordinates of ground control points 點(diǎn)號 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，而且都是在平坦區域，因此，得到的結果較好，如果選擇的 區域地形有較大起伏，結果可能較差。

4 結論 線(xiàn)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(xiàn)陣推掃影像的應用還很困難，主 要原因是線(xiàn)陣影像具有多個(gè)投影中心。本文描述的機載推掃成像光譜儀系統基本能滿(mǎn)足實(shí)用化要求，能提供影 像處理所需的各項必需參數。本系統的成功研制對進(jìn)一步推進(jìn)線(xiàn)陣推掃成像系統實(shí)用化有很大意義。