提高多相機視場組合精度的調節措施

張則梅 劉四偉 吳杰

摘 要：為滿足多相機組合視場的精度調節要求，通過有傾角的過渡環對相機的視場進行初步補償。然后，利用三點決定一面的原理，在相機視場內設置三個激光點，通過激光跟蹤儀測量出三個點的坐標，從而結算出相機視場與水平面之間的實際夾角。最后，通過在過渡環安裝螺釘處墊裝相應厚度的墊片，將相機視場精確修正到可接受的水平范圍內。

關鍵詞：相機；視場；組合精度；激光跟蹤儀

1 前言

為滿足精確、全面成像的市場要求，越來越多行業采用多相機組合形式對所需范圍進行拍照成像。為保證成像清晰、且在規定的成像范圍內，要求各相機的單臺安裝高度、視場夾角、組合安裝高度等需滿足較高的精度要求。同時，由于各相機自身機械加工精度、視場角度、安裝精度等條件的限制及誤差累計，使得各相機之間存在一定差異，需要在裝配過程中根據實測精度進行實時調整。本文以4臺相機的組合方式為例，對組合式相機精度的調節措施進行描述。

2 組合相機視場調節研究背景

如下圖所示，4臺相機主體呈內斂式安裝在一塊結構板上，相鄰兩臺相機主體光軸夾角為 27.8°。由于4臺相機探測器輸出線陣偏場使用，導致相機視軸與光軸不重合，而是存在1.8276°的夾角。為保證不同入射角下相機視場不偏出需求范圍，在相機安裝時需要對相機主體的視角進行補償，從而保證相機主體視軸與安裝基體（旋轉體）旋轉軸垂直。由于存在一定程度的安裝誤差，每臺相機視場的實際仰角存在不同程度的偏差。因此，還需對每臺相機安裝后的視場實際仰角進行測量，進而實施精確補償。

3 相機視場測試調節原理

相機視場測試調節利用三點決定一面的原理，即在每臺相機視場內設置P1、P2、P3三個激光點，其中P2和P3所在的垂面與基體Y軸所在垂面平行。若測得這三個點的坐標，求得L12、L23、L13、h2、h3五個參量，即可計算得到相機視場面與水平面的夾角θ，以及此兩面交線與基體+Y軸夾角ψ。

已知載荷視場面與水平面的關系后，可在有傾角過渡環下端選擇合適的2個位置進行螺釘墊片補償，并可計算所需墊片的厚度d2和d3。

4相機視場調節方法研究

4.1 采用過渡環初步調節

引入上法蘭傾斜角度為1.82°的過渡環，將其墊裝在星體與轉臺之間，對相機視角進行初步補償，如下圖所示。

為提高測試精度，需要獲知采用有傾角的過渡環補償后，相機視場面與水平面的傾角是多少。正式測試時，根據測量結果，再在過渡環底部選定螺釘位置，利用墊片進行角度二次補償，使相機視場面最終與水平面平行。

4.2 相機視角精確補償

調節相機視場必須要測量相機的視場，而相機的視場無法直接測量，因此需要借用激光器照射成像工裝上，使相機對激光照射點成像，微調激光照射點位置，使得激光點成像灰度值為最大值。此時，激光照射點即為相機視場中的一點，在該點處粘貼靶標，使用兩臺經緯儀建立MetroIn工業三坐標測量系統，測量靶標即可測出相機的視場。

（1）調整安裝基體轉臺水平

將激光跟蹤儀調水平，并且進行水平校準，調整基體轉臺撐腳，將轉臺調水平。

（2）安裝傾斜過度環，并調整方位

使用激光跟蹤儀1.5英寸靶球測量墻，并擬合墻平面。使用激光跟蹤儀配件T-Probe+0.1mm測針，測量過度環Z向刻線，并擬合出過渡環Z向，使用激光跟蹤儀SA軟件，可得到過度環Z向在水平面上的投影與墻面的夾角α。轉臺旋轉α角，使Z向在水平面內的投影與墻面垂直。

（3）使用兩臺經緯儀建立MetroIn工業三坐標測量系統

兩臺經緯儀均在建立系統前均須精確調水平，建立的MetroIn工業三坐標測量系統的測量坐標系是經緯儀1互瞄向經緯儀2的方向在經緯儀1水平度盤內的投影線為X軸，Y軸在水平面內垂直X軸，以右手準直確定為Z軸，坐標系原點為經緯儀1的坐標系原點。

（4）近場P1位置測量：

A.在近場放置成像工裝，利用激光器在預估相機觀測區域內、成像工裝上，照射激光垂線（激光水平儀輸出）；

B.觀測遙感判斷軟件成像曲線圖峰值位置，調整激光垂線位置，使得峰值出現在相機視場中心位置附近，即獲知成像工裝上視場中心對應區域；

C.采用激光器照射成像工裝上視場中心區域，使相機對激光照射點成像，微調激光照射點位置，使得激光點成像灰度值為最大值。此時，激光照射點即P1位置；

D.在P1點位置粘貼靶標，使用MetroIn工業三坐標測量系統測量P1點坐標值。

（5）遠場-Y側P2位置測量：

A.撤出近場工裝，采用激光水平儀在平行于安裝基體對地面墻面照射激光垂線；

B.觀測遙感相機判斷軟件成像曲線圖峰值位置，調整激光水平儀，使得峰值出現在視場-Y側邊緣附近（判斷軟件微光通道右側，高亮通道左側）；

C.采用激光器照射成像視場-Y側邊緣區域，使相機對激光照射點成像，微調激光照射點位置，使得激光點成像灰度值為最大值。此時，激光照射點即P2位置；

D.在P2點位置粘貼靶標，使用MetroIn工業三坐標測量系統測量P2點坐標值。

（6）遠場+Y側P3位置測量與P2相同，得到P3點坐標值；

（7）根據P1、P2、P3解算L12、L23、L13、h2、h3五個參量，并解算出相機視場面與水平面的夾角θ，以及此兩面交線與基體+Y軸夾角ψ；

（8）根據θ和ψ，在過渡環底部選定需要加墊片的2個螺孔位置，從而可解算墊片d2和d3高度；

（9）加墊片后安裝基體至過渡環，按a）～e）步驟復測相機視場面水否水平；若水平則完成視場傾角的補償，若仍不水平則根據重新測量的結果；

（10）一個相機完成視場預測后，在基體轉臺法蘭面下部粘貼棱鏡，并使用經緯儀測量并記錄棱鏡兩相鄰鏡面的俯仰角，用于轉臺姿態的復位。

4 結論

多相機市場組合精度的研究經歷了原理構想、理論分析、現場測量調整等過程。在相機視場的調節中，以理論研究為基礎，分析影響測量及調整的因素，通過激光跟蹤儀與經緯儀聯合使用，成功完成了相機視場的測量與調整。該相機視場調節措施已在多次使用過程中得到了驗證，滿足各項性能指標。

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作者簡介：

張則梅，女，（1985-），工學碩士，八院衛星裝備研究所，主任工藝師（高級工程師），飛行器設計專業.