三線陣CCD 立體測繪相機的集成裝調

苗健宇，張立平 ，翟 巖，梅 貴

(中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春130033)

1 引 言

就空間對地觀測而言，通常的光學成像是利用各種不同的成像機理將地球或其它行星凹凸不平的三維表面轉換成二維平面影像。人們可以利用這些影像獲取大量的二維幾何信息和其它信息，但無法從單幅的二維影像中提取出被攝物體完整的三維空間信息。為此，早在19 世紀中葉，從事測量物體或地球表面三維幾何形狀以及點位坐標的測繪學家們就提出了立體攝影測量的方法。該方法利用適合于攝影測量用的光學相機從一條“基線”的兩個端點攝取某一物體的兩張像片，從這兩張相片向每個要確定的點引出方向線，這樣每對方向線相交就會以點的形式表達出所攝的整個物體表面的三維形狀，即可以通過從不同位置攝取的同一物體的兩張相片來提取被攝物體表面的三維幾何信息。這與人類通過雙眼才能真正感受到物體遠近的道理是相同的［1-3］。

測繪衛星的任務是要精確地確定目標的地理位置，即目標的三維坐標，這就決定了測繪衛星不僅要具有必要的分辨率，而且要具有相應的幾何精度。此外，為了測圖的需要，測繪衛星攝取的兩幅構成立體像對的圖像在一個方向上必須有一定的重疊;拍攝這兩幅重疊圖像時衛星必須相距一定的距離;一般情況下，測繪衛星攝取的圖像在另一個方向上也應該足夠寬，有一定的交疊。為了滿足上述要求，高精度測繪衛星的有效載荷應該具有較小的幾何畸變、較高的幾何穩定性以及較寬的視場［4-5］。

考慮測繪相機對幾何精度的要求，本文以測繪相機組合體為研究對象，探討了多相機集成裝調的方法。重點探究了測繪相機的裝調技術，建立了單相機測量坐標系與相機外部基準立方鏡坐標系的關系，以及各相機間測量坐標系的轉換關系。

2 測繪相機簡介

研制的測繪相機組合體的結構如圖1 所示，正視相機、前視相機和后視相機互成角度裝入測繪基座安裝孔內，多光譜相機安裝在測繪基座正視相機底部的安裝腔內，3 個星敏感器分別安裝在星敏支架頂部斜面上，通過星敏支架安裝到測繪基座頂部，共計7 臺獨立的光學載荷構建了測繪相機組合體。測繪相機是正視相機、前視相機和后視相機的統稱，其連續推掃的影像可以構成立體測量模型，衛星因有其搭載方可稱為測繪衛星;多光譜相機連續推掃獲取的影像信息可以進行地物屬性判讀;3 個星敏感器用來測量和確定衛星的外方位元素［6-7］。

圖1 測繪相機組合體Fig.1 Whole structure diagram of mapping camera

由測繪原理可知，為確定測繪相機在軌工作時相機在地球慣性坐標系中的姿態，應獲得如下參數:(1) 衛星在軌工作時通過星敏感器測量獲取星敏感器測量坐標系在慣性坐標系中的姿態;(2) 由星敏感器研制方標定星敏感器測量坐標系與星敏外部基準立方鏡坐標系的轉換矩陣1;(3)由相機研制方標定星敏感器外部基準立方鏡坐標系與測繪相機外部基準立方鏡坐標系的轉換矩陣2;(4) 由相機研制方標定測繪相機測量坐標系與測繪相機外部基準立方鏡坐標的轉換矩陣。用戶根據上述數據通過轉換獲得測繪相機在軌工作時的姿態參數［8-9］。

測繪相機測量坐標系的定義如圖2 所示，+Z軸為相機視軸方向，+Y軸為相機線陣CCD方向，X和Y、Z軸構成右手坐標系; 相機基準立方鏡坐標系的原點在基準立方鏡的結構中心上，X、Y和Z三軸與單相機測量坐標系的X、Y和Z三軸平行。單相機測量坐標系與自身基準立方鏡坐標系間的相對幾何關系用圖中的α、β 和γ 角描述;前視相機、后視相機測量坐標系與正視相機測量坐標系之間的幾何關系也用α、β、γ 角表示。

圖2 單相機測量坐標系定義Fig.2 Measuring reference frame of mapping camera

測繪基座基準立方鏡為多相機裝調的原始基準，其坐標系的原點在基準立方鏡的結構中心，X、Y和Z三軸與與正視相機測量坐標系的X、Y和Z三軸平行。

3 測繪相機裝調要求

3.1 基準立方鏡裝調要求

(1) 測繪基座基準立方鏡裝調要求

測繪基座為各單相機的主支撐結構，其-X面，即底面為測繪相機組合體與衛星平臺的直接接觸面，也是測繪基座的加工基準面，面形精度為0.003 mm，測繪基座-Y面和+Z面為測繪基座另外兩個加工基準面，與-X面的垂直度在0.005 mm 以內。

測繪基座基準立方鏡安裝在測繪基座的+X面上，基準立方鏡+Z軸和-Y軸與測繪基座-X面平行，即+Z面和-Y面垂直，控制在3″以內。

(2) 正視相機基準立方鏡裝調要求

①正視相機基準立方鏡+Z軸、正視相機鏡頭光軸和測繪基座基準立方鏡+Z軸三軸平行控制在5″以內;

②正視相機基準立方鏡-Y軸與測繪基座基準立方鏡-Y軸平行控制在10″以內。

(3) 前視相機基準立方鏡裝調要求

①前視相機基準立方鏡+Z軸、前視相機鏡頭光軸和測繪基座基準立方鏡+Z軸三軸平行控制在5″以內;

②前視相機基準立方鏡-Y軸與測繪基座基準立方鏡-Y軸平行控制在10″以內。

(4) 后視相機基準立方鏡裝調要求

后視相機基準立方鏡裝調要求同前視相機基準立方鏡裝調要求。

3.2 相機裝調要求

測繪相機由3 臺獨立的相機互成角度構成，相機間空間幾何關系的精確性對測繪精度的影響很大，因此在相機的研制過程中必須保證相機間幾何關系的精確性。測繪相機間的空間幾何關系以正視相機測量坐標系為基準進行表示，各相機的裝調要求見表1。

表1 相機間幾何關系裝調要求Table 1 Assembly and adjustment requirements of geometric relation among cameras

α 為前視、后視、多光譜相機視軸Z在正視相機測量坐標系YOZ面內投影與正視相機視軸Z的夾角;β 為前視、后視、多光譜相機視軸Z在正視相機測量坐標系XOZ面內投影與正視相機視軸Z的夾角;γ 為前視、后視、多光譜相機CCD 線陣方向在正視相機測量坐標系XOY面內投影與正視相機CCD 線陣方向的夾角。

4 測繪相機裝調方法

三線陣CCD 立體測繪相機裝調精度要求高，裝調過程復雜，裝調設備的精度及裝調環境對裝調結果影響較大，因此購買和制造高精度的裝調設備和建立環境穩定的實驗室是非常必要的。裝調設備由300 和1 000 mm 直徑標準平面反射鏡、0.5″經緯儀、0.5″二維轉臺、750 mm 口徑自準直平行光管、自準直目鏡、攝像機、監視器、隔振地基和光源等組成; 建立恒溫( 溫度范圍(18 ±2) ℃，4 h 溫度變化＜0.5 ℃) 、超凈(10 萬級超凈間) 的實驗室。

4.1 裝調流程

三線陣CCD 立體測繪相機裝調流程如圖3所示。星敏感器為購買的成熟產品，自身的測量坐標與外部基準立方鏡坐標系間的轉換矩陣由廠家提供，但其外部基準立方鏡與測繪相機間的幾何關系需要通過裝調保證，通過精密研磨星敏支架上各星敏感器安裝面間的空間位置關系可保證此幾何關系;多光譜相機中光機電熱各部分產品統一裝調后，再裝入測繪基座。由于對多光譜相機與正視相機之間的幾何關系要求較低，調整與測繪基座之間墊片的厚度，通過光學測量方法即可保證。

光譜相機裝調成完整相機后再裝入測繪基座不同，測繪相機裝調精度要求高，采取鏡頭裝調完畢后，以測繪基座基準立方鏡為基準，裝入測繪基座，進入裝調相機基準立方鏡和像面的裝調流程，這是測繪相機裝調的一大特色，打破了傳統的單相機裝配流程;3 臺相機基準立方鏡和像面統一裝調，保證了相機間裝調基準的統一，避免引入多次裝配誤差。

圖3 測繪相機裝調流程Fig.3 Alignment process of mapping camera

4.2 裝調步驟

4.2.1 測繪相機鏡頭裝調

測繪相機采用像方遠心的亞對稱光學系統［10］，對鏡頭裝調精度要求高，裝調步驟分為各單透鏡組獨立裝調和鏡頭總成裝調。為保證單相機成像質量、測繪相機間的幾何關系，以及后期裝調方便，在測繪相機鏡頭裝調完成后，須精密修研鏡頭結構前端面，通過光學定心儀檢測，保證鏡頭光軸與鏡頭前端面( 在鏡頭前端面放置300 mm口徑標準平面鏡檢測) 的同心精度，誤差＜3″; 精密研磨測繪相機CCD 像面組件安裝凸耳，保證鏡頭光軸與CCD 像面組件安裝面垂直，誤差＜3″。

4.2.2 測繪基座基準立方鏡裝調

(1) 測繪基座基準立方鏡裝調在大理石平臺上進行，用0.2″數字水平儀將大理石平臺調平至1″以內，并用0.2″數字水平儀隨時監視大理石平臺的水平變化情況;

(2) 用2 臺0.5″萊卡數字經緯儀分別監視測繪基座基準立方鏡的+Z軸和-Y軸的變化情況，通過精密研磨基準立方鏡鏡框底面直至滿足要求;

(3) 安裝螺釘擰緊，配打測繪基座基準立方鏡鏡框的安裝銷釘，完成測繪基座基準立方鏡的裝調。

4.2.3 測繪相機基準立方鏡裝調

(1) 將測繪基座裝入具有繞Y軸翻轉的工裝上，正視相機鏡頭裝入測繪基座安裝孔內，緊固螺釘安裝到位;

(2) 用2 臺0.5″萊卡數字經緯儀分別監視測繪基座基準立方鏡的+Z軸和-Y軸的變化，調整翻轉工裝，直至測繪基座基準立方鏡的+Z軸和-Y軸達到上一步的安裝精度;

(3) 在正視相機鏡頭前端面放置標準平面鏡，將其反射像代表正視相機鏡頭的光軸，然后利用0.5″萊卡數字經緯儀監視鏡頭光軸、測繪基座基準立方鏡+Z軸和正視相機基準立方鏡的+Z軸的位置關系;

(4) 在翻轉工裝的-Y側放置1 000 mm 直徑標準平面反射鏡，通過調整反射鏡的位置，用0.5″萊卡數字經緯儀監視，將測繪基座基準立方鏡-Y面的反射像與標準平面反射鏡的反射像的位置調節重合，此時反射鏡即可代表測繪基座基準立方鏡-Y面;

(5) 通過1 000 mm 直徑標準平面反射鏡這一中間過渡基準，用0.5″萊卡數字經緯儀監視正視相機基準立方鏡-Y軸的變化情況;

(6) 通過精密研磨正視相機基準立方鏡鏡框底部，直至滿足精度要求為止;

(7) 安裝螺釘擰緊，配打正視相機基準立方鏡鏡框安裝銷釘。

前視和后視相機基準立方鏡的裝調過程與正視相機基準立方鏡的裝調過程相同，不同點在于裝調過程中需將翻轉工裝繞Y軸旋轉+25°或-25°后再進行相機基準立方鏡裝調，也就是將前視相機或后視相機調成水平，方便裝調。

4.2.4 測繪相機像面裝調

首先，由高精度0.5″二維轉臺和大口徑平行光管構建固定的坐標系，在裝調過程中始終監測固定坐標系是否發生變化，如有變化，必須恢復到初始建立狀態，再進行下一步操作; 其次，測繪相機組合體安裝到0.5″二維轉臺上，通過調整轉臺位置分別將前、正、后視相機調整到可操作位置，在上一步建立的固定坐標系下將各像面組件安裝到位;最后，反復檢測各相機像面裝調精度及相機間空間幾何位置關系，重復檢測結果一致即完成像面裝調。三線陣CCD 測繪相機像面裝調現場照片如圖4 所示。

圖4 測繪相機像面裝調現場Fig.4 Photo of mapping camera alignment

測繪相機像面裝調的前提是保證0.5″轉臺和大口徑平行光管構建的固定坐標系在各像面裝調時精度重合;難點是像面組件裝調到安裝凸耳上時過程繁瑣，容易出現重復工作，且CCD 價格昂貴，容易對裝調人員造成心理壓力，不利于細致繁瑣的工作開展; 重點是CCD 像面組件安裝到位時，保證CCD 組件安裝面與安裝凸耳間充分接觸，不存在虛點，否則很難保證CCD 像面組件安裝精度的穩定性。

4.3 裝調結果

測繪相機組合體裝調結束后進行了消除裝調應力工藝振動試驗，經過精密測試和解算，得到了測繪相機中各基準立方鏡的安裝結果見表2; 測繪相機中各相機間幾何標定結果見表3;另外，還對各相機進行了實驗室靜態光學傳遞函數和畸變測試，經解算，各相機的實驗室靜態光學傳遞函數均＞0.22，滿足航天相機實驗室靜態光學傳遞函數＞0.2 的要求;各相機的畸變＜0.03%，滿足測繪精度的要求。

表2 基準立方鏡安裝結果Table 2 Alignment results of basal mirrors

表3 各相機間幾何標定結果Table 3 Calibration results of geometricrelationships among cameras

4.4 結果分析

(1) 精密研磨鏡頭機械結構前端面，將鏡頭光軸轉換到鏡頭結構的前端面上，轉換誤差＜3″，有效地保證了前視、正視和后視相機間的光軸平行;

(2) 測繪相機中的3 臺相機為組合體結構，裝調中采取先將鏡頭裝入測繪基座，再進行相機基準立方鏡和相機像面裝調，是保證測繪相機間幾何關系的重要裝調方法;

(3) 對于測繪相機中裝調的各基準立方鏡，其裝調位置精度高，為合理地傳遞相機間的幾何關系奠定了精度基礎;

(4)0.5″二維轉臺及750 mm 口徑自準直平行光管等設備構建的固定坐標系，對于保證測繪相機間空間幾何關系是十分必要的。

5 結 論

三線陣CCD 立體測繪相機具有多相機集成裝調成的一體結構，為了建立測繪相機中單相機自身測量坐標系與外部基準立方鏡的關系，以及各相機測量坐標系間的幾何關系，本文以測繪基座基準立方鏡為裝調基準，采取各相機鏡頭先裝入測繪基座，再集中裝調各相機的外部基準立方鏡和像面的裝調流程，并建立了由0.5″二維轉臺和大口徑平行光管構成的固定的坐標系，為相機裝調和標定提供固定的參考基準。通過對總體指標分解，制定了詳細的基準立方鏡和相機總成裝調要求，裝調結果表明:各相機的光學傳遞函數＞0.2，畸變＜0.03%，測繪相機間的空間幾何關系滿足α≤3″，β≤5″，γ≤5″的要求。

測繪相機的裝調方法成功地保證了測繪相機間的幾何要求，在實際的三線陣CCD 立體測繪相機裝調過過程中得到了充分應用，此種方法對有幾何精度要求的多臺相機一體化裝調有一定的參考價值。

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