一种基于天文标定的多传感器空间配准方法技术

本发明专利技术公开了一种基于天文标定的多传感器空间配准方法。使用本发明专利技术能够在未严格标定光学系统内参数的情况下，实现多个传感器的空间配准，且还能够分别求取每个传感器及其光学系统的内外参数。本发明专利技术利用依巴谷星表获得局部模拟星图，依据四边形对角线的简比不变性和星点坐标构成矩阵的奇异值不变性，将多个传感器获得的观测星图分别与模拟星图进行匹配，利用模拟星图，将星座特征转换为图像传感器中像点之间的特征，获得每个传感器及光学系统的精确内参数(焦距、主点)和外参数(方位角、俯仰角、横滚角)，简化了多个传感器之间的特征提取和匹配识别，且适用于不同模态的传感器之间的空间配准。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学系统天文标定
，具体涉及一种基于天文标定的多传感器空间配准方法。
技术介绍
航天靶场的光电测量设备通常在一个跟踪转台上搭载可见、红外等多种传感器，光学系统采用多通道或共孔径结构形式，通常具有光学系统长焦距、传感器大面阵的特点。共平台的多传感器之间可以实现视场拼接或数据融合，其关键是多个传感器之间的空间配准。空间配准选择对应的序列帧，基于相似性度量和空间形变将图像坐标映射到另一帧图像上。常用的基于特征或灰度的配准算法难以满足大面阵传感器配准的实时性要求，而传统的相机标定方法难以满足长焦镜头工作距的要求。为了提高共平台多传感器空间配准方法的适用性，可以采用基于天文标定的空间配准方法。天文标定的关键是星图识别，其参数标定精度和识别准确率与星点位置提取精度和特征识别的鲁棒性密切相关。星图识别算法包括基于星座特征的星图识别算法、基于字符模式的星图识别算法和基于智能行为的星图识别算法。其中，以三角形算法为代表的基于星座特征的星图识别算法，利用恒星之间的相互位置关系组成特征进行识别的算法直观易懂，容易实现，误匹配概率低，因而得到广泛应用。由于三角形星图识别算法中三角形特征维数较低，容易造成冗余匹配和错误识别，改进的三角形星图识别算法主要利用增加观测星或几何关系等约束条件增加星图的识别成功率，如四边形星图模式是分解为两个具有公共边的三角形模式，使用三角形模式的特征，在保证算法计算量和存储量的前提下，提升算法的识别成功率。现有星图识别算法针对单个传感器光学系统，直接应用于多传感器的空间配准，存在以下缺陷：首先，这些算法中采用的特征不变量及其计算过程依赖成像系统内参数的初始值，如角距依赖于光学系统焦距；其次，算法对于所有星点采用相同的模式和特征识别，计算量较大；最后，由于天文标定采用的小孔成像的理想模型，构造恒星与图像坐标中星点之间的对应关系，所以不能反映不同成像系统之间的参数关系，需要将每个成像系统与星表映射后在计算成像系统之间的映射关系，没有提取反映多个通道之间相对关系的仿射不变量。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种基于天文标定的多传感器空间配准方法，能够在未严格标定光学系统内参数的情况下，实现多个传感器的空间配准，且还能够分别求取每个传感器及其光学系统的内外参数，该方法适用于共平台的多通道和共孔径光学系统的多传感器空间配准，同时也适用于单孔径光学系统。本专利技术的基于天文标定的多传感器空间配准方法，包括如下步骤：步骤1，光电测量设备中的所有传感器同时拍摄同一个指定空域，获得各自的观测星图以及观测星图中各星点的坐标；步骤2，依据光电测量设备的观测时间、观测地点及指向，依据依巴谷星表获取模拟星图；步骤3，针对各观测星图，在观测星图中选择满足如下条件的四边形作为观测四边形：对角线交点位于观测星图中，且主对角线最长；计算所述观测四边形的对角线简比和主对角线长度；所述主对角线为四边形中较长的对角线；步骤4，从模拟星图中所有星点组成的各四边形中，寻找满足以下条件的四边形作为各观测星图对应的比对四边形：(a)对角线交点位于星图内；(b)满足公式：其中，G为各观测星图中观测四边形四个顶点坐标组成的矩阵；H为模拟星图中比对四边形四个定点坐标组成的矩阵；λ1为加权因子，0≤λ1≤0.1；crossi()为四边形中第i条对角线的简比，i＝1,2；dx()为主对角线的长度；步骤5，针对各观测星图，比对步骤3获得的观测星图中观测四边形和步骤4获得的模拟星图中比对四边形，获得两个四边形的中心点偏移、尺度缩放因子和旋转矩阵，即获得观测星图与模拟星图之间的转换关系；从而获得观测星图对应的传感器参数，即传感器的等效焦距、缩放因子、主点偏移和旋转矩阵；步骤6，匹配所有星点：以观测星图的观测四边形主对角线上的两颗星和观测星图中除观测四边形顶点以外的其他任意一颗星，构成一个3颗星坐标矩阵W；以模拟星图的比对四边形主对角线上的两颗星和模拟星图中除比对四边形顶点以外其他任意一颗星，构成一个3颗星坐标矩阵V；当W和V满足公式(2)则判定观测星图中的星和模拟星图中的星与同一颗星，即完成观测星图与模拟星图的星点匹配：其中，式(2)的第一项表示观测星图和模拟星图中星点坐标矩阵W、V的特征值误差的绝对值之和，σwi,σvi分别为坐标矩阵W和坐标矩阵V的第i个奇异值；第二项表示将模拟星图投影到观测星图星点的坐标偏差；λ2为加权因子,0≤λ2≤0.1；C为步骤5求取的旋转矩阵；步骤7，线性优化：以步骤5获得的传感器参数为初始值，以步骤6获得的所有匹配星点为样本，采用Levenberg-Marquardt优化算法对传感器参数进行优化，其中优化采用的目标函数为：其中，N为观测星图中可识别的星点数目；Xi为模拟星图中星点坐标[xiyif0]；Xi′为观测星图中星点坐标[xi′yi′f0′]；s为缩放因子；C为旋转矩阵；(u0,v0)为主点偏移；步骤8，根据步骤7获得的优化后的各传感器参数，以及各传感器观测星图与模拟星图之间的转换关系，得到各传感器观测星图之间的转换关系，进而实现多传感器的空间配准。进一步地，所述步骤1中，采用加权质心法提取观测星图中各星点的坐标，并依据星点圆周率剔除双星。进一步地，所述步骤3中，将观测星图中各星点按亮度由大到小排序；按照星点亮度大小依次计算观测星图中星点间距离，并按距离长度由长到短排序，搜索满足对角线最长的、且对角线交点位于观测星图中的四边形。进一步地，所述步骤5中，所述传感器参数的计算方法如下：(1)主点偏移(u0,v0)为：其中，(xe0,ye0)为模拟星图中比对四边形对角线交点坐标；(xe,ye)为观测星图观测四边形对角线交点坐标；(2)缩放因子s为(3)等效焦距f：f＝s·f0，其中f0为模拟星图生成时的等效焦距；(4)旋转矩阵C为：C＝Pg(PhL)T其中，pg,qg为矩阵G的特征向量；ph,qh为矩阵H的特征向量，由G和H奇异值分解获得。有益效果：(1)本专利技术提出的多传感器空间配准方法，利用依巴谷星表、测站坐标、观测时间和成像系统的初始内参数获得局部模拟星图，将多个传感器获得的观测星图，依据四边形对角线的简比不变性和星点坐标构成矩阵的奇异值不变性，分别与模拟星图进行匹配，获得每个传感器及光学系统的精确内参数(焦距、主点)和外参数(方位角、俯仰角、横滚角)，同时获得多个传感器之间的转换矩阵。该方法利用模拟星图，将星座特征转换为图像传感器中像点之间的特征，简化了多个传感器之间的特征提取和匹配识别，且适用于不同模态的传感器之间的空间配准。(2)本专利技术采用粗匹配和精匹配相结合的两步星图识别算法，首先利用四边形对角线简比不变性，附加星点亮度和对角线交点范围、对角线长度等约束，实现不同传感器中四边形的精确配准，从而计算出不同传感器之间的内外参数的初始值。其次利用四边形中已识别的主对角线上两个顶点的坐标，结合其它任意星点组成坐标矩阵，利用星点坐标矩阵奇异值不变性，快速实现传感器之间其余星点的自动匹配，提高星点匹配的效率和鲁棒性。(3)本专利技术采用四边形对角线的简比不变性作为多个传感器之间星点匹配的依据，相较于现有的三角形、多边形特征而言，可以利用不同传感器观测星图中四边形对角线交点的坐标的偏移和长度直接求取传感器之本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于天文标定的多传感器空间配准方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，光电测量设备中的所有传感器同时拍摄同一个指定空域，获得各自的观测星图以及观测星图中各星点的坐标；步骤2，依据光电测量设备的观测时间、观测地点及指向，依据依巴谷星表获取模拟星图；步骤3，针对各观测星图，在观测星图中选择满足如下条件的四边形作为观测四边形：对角线交点位于观测星图中，且主对角线最长；计算所述观测四边形的对角线简比和主对角线长度；所述主对角线为四边形中较长的对角线；步骤4，从模拟星图中所有星点组成的各四边形中，寻找满足以下条件的四边形作为各观测星图对应的比对四边形：(a)对角线交点位于星图内；(b)满足公式：minΣi=12|crossi(G)-crossi(H)|+λ1|dx(G)-dx(H)|---(1)]]>其中，G为各观测星图中观测四边形四个顶点坐标组成的矩阵；H为模拟星图中比对四边形四个定点坐标组成的矩阵；λ1为加权因子，0≤λ1≤0.1；crossi()为四边形中第i条对角线的简比，i＝1,2；dx()为主对角线的长度；步骤5，针对各观测星图，比对步骤3获得的观测星图中观测四边形和步骤4获得的模拟星图中比对四边形，获得两个四边形的中心点偏移、尺度缩放因子和旋转矩阵，即获得观测星图与模拟星图之间的转换关系；从而获得观测星图对应的传感器参数，即传感器的等效焦距、缩放因子、主点偏移和旋转矩阵；步骤6，匹配所有星点：以观测星图的观测四边形主对角线上的两颗星和观测星图中除观测四边形顶点以外的其他任意一颗星，构成一个3颗星坐标矩阵W；以模拟星图的比对四边形主对角线上的两颗星和模拟星图中除比对四边形顶点以外其他任意一颗星，构成一个3颗星坐标矩阵V；当W和V满足公式(2)则判定观测星图中的星和模拟星图中的星与同一颗星，即完成观测星图与模拟星图的星点匹配：minΣi=13|σwi-σvi|+λ2||W-VC||---(2)]]>其中，式(2)的第一项表示观测星图和模拟星图中星点坐标矩阵W、V的特征值误差的绝对值之和，σwi,σvi分别为坐标矩阵W和坐标矩阵V的第i个奇异值；第二项表示将模拟星图投影到观测星图星点的坐标偏差；λ2为加权因子,0≤λ2≤0.1；C为步骤5求取的旋转矩阵；步骤7，线性优化：以步骤5获得的传感器参数为初始值，以步骤6获得的所有匹配星点为样本，采用Levenberg‑Marquardt优化算法对传感器参数进行优化，其中优化采用的目标函数为：minΣi=1N|Xi′-s(Xi-[u0,v0,0])C|]]>其中，N为观测星图中可识别的星点数目；Xi为模拟星图中星点坐标[xi yi f0]；X′i为观测星图中星点坐标[x′i y′i f′0]；s为缩放因子；C为旋转矩阵；(u0,v0)为主点偏移；步骤8，根据步骤7获得的优化后的各传感器参数，以及各传感器观测星图与模拟星图之间的转换关系，得到各传感器观测星图之间的转换关系，进而实现多传感器的空间配准。...

【技术特征摘要】
1.一种基于天文标定的多传感器空间配准方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，光电测量设备中的所有传感器同时拍摄同一个指定空域，获得各自的观测星图以及观测星图中各星点的坐标；步骤2，依据光电测量设备的观测时间、观测地点及指向，依据依巴谷星表获取模拟星图；步骤3，针对各观测星图，在观测星图中选择满足如下条件的四边形作为观测四边形：对角线交点位于观测星图中，且主对角线最长；计算所述观测四边形的对角线简比和主对角线长度；所述主对角线为四边形中较长的对角线；步骤4，从模拟星图中所有星点组成的各四边形中，寻找满足以下条件的四边形作为各观测星图对应的比对四边形：(a)对角线交点位于星图内；(b)满足公式：minΣi=12|crossi(G)-crossi(H)|+λ1|dx(G)-dx(H)|---(1)]]>其中，G为各观测星图中观测四边形四个顶点坐标组成的矩阵；H为模拟星图中比对四边形四个定点坐标组成的矩阵；λ1为加权因子，0≤λ1≤0.1；crossi()为四边形中第i条对角线的简比，i＝1,2；dx()为主对角线的长度；步骤5，针对各观测星图，比对步骤3获得的观测星图中观测四边形和步骤4获得的模拟星图中比对四边形，获得两个四边形的中心点偏移、尺度缩放因子和旋转矩阵，即获得观测星图与模拟星图之间的转换关系；从而获得观测星图对应的传感器参数，即传感器的等效焦距、缩放因子、主点偏移和旋转矩阵；步骤6，匹配所有星点：以观测星图的观测四边形主对角线上的两颗星和观测星图中除观测四边形顶点以外的其他任意一颗星，构成一个3颗星坐标矩阵W；以模拟星图的比对四边形主对角线上的两颗星和模拟星图中除比对四边形顶点以外其他任意一颗星，构成一个3颗星坐标矩阵V；当W和V满足公式(2)则判定观测星图中的星和模拟星图中的星与同一颗星，即完成观测星图与模拟星图的星点匹配：minΣi=13|σwi-σvi|+λ2||W-VC||---(2)]]>其中，式(2)的第一项表示观测星图和模拟星图中星点坐标矩阵W、V的特征值误差的绝对值之和，σwi,σvi分别为坐...

【专利技术属性】
技术研发人员：张廷华，孙华燕，樊桂花，李迎春，都琳，徐韬祜，王帅，朱建国，高宇轩，
申请(专利权)人：中国人民解放军装备学院，
类型：发明
国别省市：北京;11