三線陣相機(jī)視軸夾角及線陣平行性裝調(diào)測(cè)試

岳麗清 張繼友伏瑞敏，2馬麗娜

（1北京空間機(jī)電研究所，北京 100076）（2西北工業(yè)大學(xué)，西安 710072）

1 引言

在攝影測(cè)量中，測(cè)繪相機(jī)是獲取原始影像信息的關(guān)鍵設(shè)備，測(cè)繪相機(jī)的功能不僅要能識(shí)別地面目標(biāo)，還要能夠?qū)δ繕?biāo)精確定位，以建立和維持高精度的時(shí)空基準(zhǔn)[1-2]。對(duì)于采用線陣CCD作為探測(cè)器的測(cè)繪相機(jī)一般采用2臺(tái)或3臺(tái)相機(jī)成像，這種成像方式類似于從以往大畫幅膠片上面抽取3條線陣進(jìn)行推掃成像[3]。因此，對(duì)于采用多臺(tái)線陣CCD相機(jī)組合的測(cè)繪相機(jī)來說，除了以往的主點(diǎn)、主距和畸變等常規(guī)內(nèi)方位元素參數(shù)需要精確校準(zhǔn)之外，還需要對(duì)多相機(jī)間的光軸夾角位置進(jìn)行精確標(biāo)定，同時(shí)各相機(jī)CCD線陣要求嚴(yán)格平行[4-6]。

對(duì)于高精度立體測(cè)繪相機(jī)一般要求多相機(jī)間夾角測(cè)試精度滿足5″，CCD線陣關(guān)系不平行度測(cè)試精度15″。而傳統(tǒng)偵查類相機(jī)的測(cè)試、安裝工藝遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足測(cè)繪類需求。針對(duì)以上問題，本文提出了一種三線陣相機(jī)光軸夾角及線陣平行性測(cè)試的新方法，分析了測(cè)試精度，并用該方法對(duì)某相機(jī)進(jìn)行了裝調(diào)測(cè)試，結(jié)果表明該方法切實(shí)可行。

2 三線陣相機(jī)空間布局特點(diǎn)和裝調(diào)測(cè)試難點(diǎn)

2.1 三線陣相機(jī)空間布局特點(diǎn)

三線陣測(cè)繪相機(jī)的光電掃描成像部分是由光學(xué)系統(tǒng)焦面上的3個(gè)線陣CCD組成的。這3個(gè)線陣CCD相互平行排列并與航天飛行器飛行方向垂直。當(dāng)航天飛行器飛行時(shí)，3個(gè)線陣CCD相機(jī)以一個(gè)同步周期N連續(xù)掃描地面景物并產(chǎn)生3條航帶圖像A′，B′，C′。這3個(gè)線陣CCD相機(jī)的成像角度不同，如圖1所示，B為正視相機(jī)，A為前視相機(jī)，C為后視相機(jī)。因此推掃所獲得的航帶圖像的視角也各不同，從而可以構(gòu)成立體影像[7-10]。

2.2 裝調(diào)測(cè)試難點(diǎn)

為保證圖像成像品質(zhì)，三線陣相機(jī)在裝調(diào)測(cè)試過程中需要保證3臺(tái)相機(jī)間視軸夾角的裝配精度?？紤]到3臺(tái)相機(jī)存在不共面的情況，因此如何完成高精度的裝調(diào)測(cè)試成為三線陣相機(jī)研制過程中的一大難點(diǎn)。

另外，相機(jī)研制過程中還需要保證3臺(tái)相機(jī)的線陣平行性。傳統(tǒng)的利用經(jīng)緯儀瞄準(zhǔn)TDICCD的測(cè)試方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到測(cè)繪相機(jī)所需的測(cè)試精度，因此需要采用新的方法來提高相機(jī)線陣平行性的裝調(diào)測(cè)試精度。

3 三線陣相機(jī)像面裝調(diào)測(cè)試方法

3.1 裝調(diào)測(cè)試過程

針對(duì)三線陣相機(jī)的特點(diǎn)，本文提出了一種焦面裝調(diào)測(cè)試的方法，如圖2所示。將相機(jī)支架架設(shè)到二維轉(zhuǎn)臺(tái)工作面上，通過經(jīng)緯儀測(cè)試并調(diào)整相機(jī)支架基準(zhǔn)鏡與平行光管的光軸，建立兩者的空間關(guān)系。安裝相機(jī)主體，調(diào)整二維轉(zhuǎn)臺(tái)，并利用平行光管的自準(zhǔn)直功能對(duì)相機(jī)視軸進(jìn)行精確瞄準(zhǔn)，之后再進(jìn)行3臺(tái)相機(jī)線陣平行度和視軸夾角的裝調(diào)測(cè)試工作。其中平行光管放置在三維調(diào)整臺(tái)上，可以沿著X軸和Y軸平移以及繞Z軸方向旋轉(zhuǎn)，平行光管的3個(gè)地腳可以實(shí)現(xiàn)其自身的俯仰功能。a、b、c為3個(gè)共面的平面反射鏡，通過專用工裝安裝在平行光管上，可以隨著平行光管作相應(yīng)移動(dòng)。

平行光管焦面處安裝十字靶標(biāo)，裝調(diào)測(cè)試時(shí)，首先瞄準(zhǔn)被測(cè)相機(jī)視軸，然后沿著被測(cè)相機(jī)視場(chǎng)方向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)，對(duì)TDICCD進(jìn)行整個(gè)視場(chǎng)掃描，并據(jù)此調(diào)整被測(cè)相機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)或者修磨調(diào)整墊片，直至將TDICCD在整個(gè)視場(chǎng)內(nèi)調(diào)平，以此保證相機(jī)的線陣平行性。同時(shí)，記錄相機(jī)視軸與平行光管光軸平行時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)的示數(shù)（，）（其中為轉(zhuǎn)臺(tái)水平軸的示數(shù)，為轉(zhuǎn)臺(tái)俯仰軸的示數(shù)）。用同樣的方法調(diào)整另外2臺(tái)相機(jī)的線陣平行性，并分別記錄相機(jī)視軸與平行光管光軸平行時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)的讀數(shù)（）。該 3組讀數(shù)之間便可反映出三線陣相機(jī)的視軸夾角。

整機(jī)測(cè)試時(shí)，由于場(chǎng)地限制只采用1臺(tái)平行光管進(jìn)行測(cè)試，在單臺(tái)測(cè)試完成更換相機(jī)時(shí)，需調(diào)整二維轉(zhuǎn)臺(tái)和承載平行光管的平移臺(tái)，依次完成對(duì)剩余相機(jī)的瞄準(zhǔn)、測(cè)試、計(jì)算。由于在測(cè)試過程中以平行光管為基準(zhǔn)，在平行光管平移過程中其位置肯定會(huì)發(fā)生變化，因此需要對(duì)平移過程中平行光管產(chǎn)生的角度偏移量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視以補(bǔ)償該量。本文采用光電經(jīng)緯儀和特殊定制的小平面反射鏡組件（圖2中的a、b、c）監(jiān)視平行光管的變化量。為保證視軸夾角的裝調(diào)測(cè)試精度，測(cè)試前需使用干涉儀裝調(diào)相鄰2個(gè)平面反射鏡，使得3個(gè)平面反射鏡位于同一個(gè)平面內(nèi)，并需要精確測(cè)量出3個(gè)反射鏡之間的角度關(guān)系。

視軸夾角測(cè)試時(shí)，在二維轉(zhuǎn)臺(tái)俯仰軸中心處安裝3面反射棱鏡，其相鄰面之間的夾角與三線陣正視與前視、前視與后視之間的視軸夾角數(shù)值相等。在調(diào)整轉(zhuǎn)臺(tái)俯仰過程中用光電自準(zhǔn)直儀監(jiān)視三面反射棱鏡，以此得到（）的精確數(shù)值，提高測(cè)試精度。

3.2 裝調(diào)測(cè)試結(jié)果

按照上述的裝調(diào)方法，完成了“資源三號(hào)”三線陣測(cè)繪相機(jī)TDICCD像面的裝調(diào)，相機(jī)的示意圖和坐標(biāo)關(guān)系見圖3所示。經(jīng)過精密測(cè)試和計(jì)算，得到3臺(tái)相機(jī)之間的視軸夾角測(cè)試結(jié)果，如表1所示。視軸水平方向偏角示意圖如圖4所示。三線陣測(cè)繪相機(jī)線陣平行性的測(cè)試結(jié)果如表2所示。

?

?

3.3 測(cè)試裝調(diào)精度分析

3.3.1 3臺(tái)相機(jī)視軸夾角測(cè)試精度的影響因素

3臺(tái)相機(jī)視軸的夾角測(cè)試精度主要取決于轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)角精度、平行光管平移精度、光電測(cè)角精度、靶標(biāo)像質(zhì)心定位精度、沿TDICCD級(jí)數(shù)方向指向精度以及平行光管光軸和相機(jī)視軸對(duì)準(zhǔn)精度。

轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)角精度引入的誤差δ1。轉(zhuǎn)臺(tái)只是實(shí)現(xiàn)相機(jī)旋轉(zhuǎn)功能，測(cè)角依靠光電自準(zhǔn)直儀實(shí)現(xiàn)。因此，該項(xiàng)誤差體現(xiàn)在精密測(cè)角精度上，這里不計(jì)。

平行光管平移過程中引入的測(cè)角誤差δ2。平行光管平移過程中引入的測(cè)角誤差通過1臺(tái)光電自準(zhǔn)直儀和1臺(tái)光電經(jīng)緯儀來監(jiān)視。光電自準(zhǔn)直儀精度為0.5″，利用干涉儀裝調(diào)3塊平面反射鏡，其測(cè)試調(diào)整誤差為0.5″以內(nèi)，光電經(jīng)緯儀精度優(yōu)于 2″，則

精密測(cè)角精度引入的誤差δ3。精密測(cè)角誤差取決于測(cè)試設(shè)備的精度，測(cè)試設(shè)備在測(cè)試前通過專門計(jì)量機(jī)構(gòu)進(jìn)行計(jì)量，現(xiàn)有設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)于0.54″的測(cè)角精度。

靶標(biāo)像質(zhì)心位置計(jì)算誤差δ4。靶標(biāo)像質(zhì)心計(jì)算軟件的精度優(yōu)于0.1個(gè)像元，因而δ4=arctan（0.1×l/f），其中l(wèi)為被測(cè)相機(jī)TDICCD的像元尺寸，f為被測(cè)相機(jī)的焦距。帶入數(shù)值，可得δ4=0.1″。

沿TDICCD級(jí)數(shù)方向指向誤差。這種對(duì)準(zhǔn)技術(shù)通常依據(jù)平行光管常規(guī)光學(xué)檢測(cè)方法進(jìn)行調(diào)整測(cè)試，北京空間機(jī)電研究所對(duì)此有完善的調(diào)整工藝，其對(duì)準(zhǔn)精度可控制在2μm以內(nèi)，結(jié)合被測(cè)相機(jī)的焦距，該項(xiàng)引入的角度測(cè)試誤差為 0.24″，則 δ5＝0.24″。

平行光管光軸和相機(jī)視軸不平行引入的誤差δ6。平行光管光軸與相機(jī)的視軸平行調(diào)整依據(jù)平行光管自準(zhǔn)直功能實(shí)現(xiàn)，因此該項(xiàng)誤差主要取決于平行光管的自準(zhǔn)直誤差。本測(cè)試所采用的4m焦距的平行光管其自準(zhǔn)直誤差可以達(dá)到0.5″。對(duì)3臺(tái)相機(jī)分別自準(zhǔn)直，則引入的誤差

測(cè)試誤差合成：δθ=

3.3.2 3臺(tái)相機(jī)線陣平行度測(cè)試精度的影響因素

3臺(tái)相機(jī)線陣平行度的測(cè)試精度主要取決于轉(zhuǎn)臺(tái)軸系精度、平行光管平移精度、沿TDICCD級(jí)數(shù)方向指向精度以及平行光管光軸和相機(jī)視軸對(duì)準(zhǔn)精度。

轉(zhuǎn)臺(tái)軸系精度引入的誤差δ1。轉(zhuǎn)臺(tái)軸系精度可以通過標(biāo)定來實(shí)時(shí)修正，標(biāo)定精度可以達(dá)到θ=0.3″，其引入的誤差δ=arctan（f×tanθ/L），其中f為被測(cè)相機(jī)的焦距，θ為轉(zhuǎn)臺(tái)軸系的標(biāo)定精度，L為被測(cè)相機(jī)TDICCD的線陣長度，帶入被測(cè)相機(jī)的參數(shù)，可得 δ=3″。 3臺(tái)相機(jī)的測(cè)試精度為

平行光管平移精度引入的誤差δ2。平行光管平移過程中引入的測(cè)角誤差通過1臺(tái)光電自準(zhǔn)直儀和1臺(tái)光電經(jīng)緯儀來監(jiān)視。光電自準(zhǔn)直儀精度為0.5″，利用干涉儀裝調(diào)3塊平面反射鏡，其測(cè)試調(diào)整誤差為0.5″以內(nèi)，光電經(jīng)緯儀自準(zhǔn)直精度優(yōu)于 2″，則其中f為被測(cè)相機(jī)的焦距，L為被測(cè)相機(jī)TDICCD的線陣長度。

沿TDICCD級(jí)數(shù)方向指向誤差δ3。這種對(duì)準(zhǔn)技術(shù)通常依據(jù)平行光管常規(guī)光學(xué)檢測(cè)方法進(jìn)行調(diào)整測(cè)試，北京空間機(jī)電研究所對(duì)此有完善的調(diào)整工藝，其對(duì)準(zhǔn)精度可控制在2μm以內(nèi)，結(jié)合被測(cè)相機(jī)TDICCD的線陣長度，該項(xiàng)引入的角度測(cè)試誤差為 2.4″，則

平行光管光軸和相機(jī)視軸不平行引入的誤差δ4。測(cè)試所用4m平行光管其自準(zhǔn)直誤差優(yōu)于0.5″，對(duì)3臺(tái)相機(jī)分別自準(zhǔn)直， 引入的誤差其中f為被測(cè)相機(jī)的焦距，L為被測(cè)相機(jī)TDICCD的線陣長度。

4 結(jié)束語

高精度立體測(cè)繪相機(jī)對(duì)多相機(jī)間的夾角測(cè)試精度與CCD線陣關(guān)系不平行度的測(cè)試精度要求高，本文提出的利用自準(zhǔn)直平行光管、光電自準(zhǔn)直儀和3個(gè)高精度小平面反射鏡組合等形式進(jìn)行三線陣測(cè)繪相機(jī)裝調(diào)測(cè)試的新方法，摒棄了以往傳統(tǒng)的測(cè)試方式，可以達(dá)到高精度的裝調(diào)技術(shù)指標(biāo)要求，容易實(shí)現(xiàn)，便于操作，并在某型號(hào)相機(jī)研制過程中得到了很好的應(yīng)用，為高精度立體測(cè)繪相機(jī)的裝調(diào)提供了依據(jù)。

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