岳麗清 張繼友伏瑞敏，2馬麗娜

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

1 引言

在攝影測量中，測繪相機是獲取原始影像信息的關(guān)鍵設備，測繪相機的功能不僅要能識別地面目標，還要能夠?qū)δ繕司_定位，以建立和維持高精度的時空基準[1-2]。對于采用線陣CCD作為探測器的測繪相機一般采用2臺或3臺相機成像，這種成像方式類似于從以往大畫幅膠片上面抽取3條線陣進行推掃成像[3]。因此，對于采用多臺線陣CCD相機組合的測繪相機來說，除了以往的主點、主距和畸變等常規(guī)內(nèi)方位元素參數(shù)需要精確校準之外，還需要對多相機間的光軸夾角位置進行精確標定，同時各相機CCD線陣要求嚴格平行[4-6]。

對于高精度立體測繪相機一般要求多相機間夾角測試精度滿足5″，CCD線陣關(guān)系不平行度測試精度15″。而傳統(tǒng)偵查類相機的測試、安裝工藝遠遠不能滿足測繪類需求。針對以上問題，本文提出了一種三線陣相機光軸夾角及線陣平行性測試的新方法，分析了測試精度，并用該方法對某相機進行了裝調(diào)測試，結(jié)果表明該方法切實可行。

2 三線陣相機空間布局特點和裝調(diào)測試難點

2.1 三線陣相機空間布局特點

三線陣測繪相機的光電掃描成像部分是由光學系統(tǒng)焦面上的3個線陣CCD組成的。這3個線陣CCD相互平行排列并與航天飛行器飛行方向垂直。當航天飛行器飛行時，3個線陣CCD相機以一個同步周期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個線陣CCD相機的成像角度不同，如圖1所示，B為正視相機，A為前視相機，C為后視相機。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)測試難點

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

另外，相機研制過程中還需要保證3臺相機的線陣平行性。傳統(tǒng)的利用經(jīng)緯儀瞄準TDICCD的測試方法遠遠達不到測繪相機所需的測試精度，因此需要采用新的方法來提高相機線陣平行性的裝調(diào)測試精度。

3 三線陣相機像面裝調(diào)測試方法

3.1 裝調(diào)測試過程

針對三線陣相機的特點，本文提出了一種焦面裝調(diào)測試的方法，如圖2所示。將相機支架架設到二維轉(zhuǎn)臺工作面上，通過經(jīng)緯儀測試并調(diào)整相機支架基準鏡與平行光管的光軸，建立兩者的空間關(guān)系。安裝相機主體，調(diào)整二維轉(zhuǎn)臺，并利用平行光管的自準直功能對相機視軸進行精確瞄準，之后再進行3臺相機線陣平行度和視軸夾角的裝調(diào)測試工作。其中平行光管放置在三維調(diào)整臺上，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個地腳可以實現(xiàn)其自身的俯仰功能。a、b、c為3個共面的平面反射鏡，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移動。

平行光管焦面處安裝十字靶標，裝調(diào)測試時，首先瞄準被測相機視軸，然后沿著被測相機視場方向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺，對TDICCD進行整個視場掃描，并據(jù)此調(diào)整被測相機調(diào)節(jié)機構(gòu)或者修磨調(diào)整墊片，直至將TDICCD在整個視場內(nèi)調(diào)平，以此保證相機的線陣平行性。同時，記錄相機視軸與平行光管光軸平行時轉(zhuǎn)臺的示數(shù)（，）（其中為轉(zhuǎn)臺水平軸的示數(shù)，為轉(zhuǎn)臺俯仰軸的示數(shù)）。用同樣的方法調(diào)整另外2臺相機的線陣平行性，并分別記錄相機視軸與平行光管光軸平行時轉(zhuǎn)臺的讀數(shù)（）。該 3組讀數(shù)之間便可反映出三線陣相機的視軸夾角。

整機測試時，由于場地限制只采用1臺平行光管進行測試，在單臺測試完成更換相機時，需調(diào)整二維轉(zhuǎn)臺和承載平行光管的平移臺，依次完成對剩余相機的瞄準、測試、計算。由于在測試過程中以平行光管為基準，在平行光管平移過程中其位置肯定會發(fā)生變化，因此需要對平移過程中平行光管產(chǎn)生的角度偏移量進行實時監(jiān)視以補償該量。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)測試精度，測試前需使用干涉儀裝調(diào)相鄰2個平面反射鏡，使得3個平面反射鏡位于同一個平面內(nèi)，并需要精確測量出3個反射鏡之間的角度關(guān)系。

視軸夾角測試時，在二維轉(zhuǎn)臺俯仰軸中心處安裝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)臺俯仰過程中用光電自準直儀監(jiān)視三面反射棱鏡，以此得到（）的精確數(shù)值，提高測試精度。

3.2 裝調(diào)測試結(jié)果

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

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3.3 測試裝調(diào)精度分析

3.3.1 3臺相機視軸夾角測試精度的影響因素

3臺相機視軸的夾角測試精度主要取決于轉(zhuǎn)臺測角精度、平行光管平移精度、光電測角精度、靶標像質(zhì)心定位精度、沿TDICCD級數(shù)方向指向精度以及平行光管光軸和相機視軸對準精度。

轉(zhuǎn)臺測角精度引入的誤差δ1。轉(zhuǎn)臺只是實現(xiàn)相機旋轉(zhuǎn)功能，測角依靠光電自準直儀實現(xiàn)。因此，該項誤差體現(xiàn)在精密測角精度上，這里不計。

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

精密測角精度引入的誤差δ3。精密測角誤差取決于測試設備的精度，測試設備在測試前通過專門計量機構(gòu)進行計量，現(xiàn)有設備可以實現(xiàn)優(yōu)于0.54″的測角精度。

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

沿TDICCD級數(shù)方向指向誤差。這種對準技術(shù)通常依據(jù)平行光管常規(guī)光學檢測方法進行調(diào)整測試，北京空間機電研究所對此有完善的調(diào)整工藝，其對準精度可控制在2μm以內(nèi)，結(jié)合被測相機的焦距，該項引入的角度測試誤差為 0.24″，則 δ5＝0.24″。

平行光管光軸和相機視軸不平行引入的誤差δ6。平行光管光軸與相機的視軸平行調(diào)整依據(jù)平行光管自準直功能實現(xiàn)，因此該項誤差主要取決于平行光管的自準直誤差。本測試所采用的4m焦距的平行光管其自準直誤差可以達到0.5″。對3臺相機分別自準直，則引入的誤差

測試誤差合成：δθ=

3.3.2 3臺相機線陣平行度測試精度的影響因素

3臺相機線陣平行度的測試精度主要取決于轉(zhuǎn)臺軸系精度、平行光管平移精度、沿TDICCD級數(shù)方向指向精度以及平行光管光軸和相機視軸對準精度。

轉(zhuǎn)臺軸系精度引入的誤差δ1。轉(zhuǎn)臺軸系精度可以通過標定來實時修正，標定精度可以達到θ=0.3″，其引入的誤差δ=arctan（f×tanθ/L），其中f為被測相機的焦距，θ為轉(zhuǎn)臺軸系的標定精度，L為被測相機TDICCD的線陣長度，帶入被測相機的參數(shù)，可得 δ=3″。 3臺相機的測試精度為

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角誤差通過1臺光電自準直儀和1臺光電經(jīng)緯儀來監(jiān)視。光電自準直儀精度為0.5″，利用干涉儀裝調(diào)3塊平面反射鏡，其測試調(diào)整誤差為0.5″以內(nèi)，光電經(jīng)緯儀自準直精度優(yōu)于 2″，則其中f為被測相機的焦距，L為被測相機TDICCD的線陣長度。

沿TDICCD級數(shù)方向指向誤差δ3。這種對準技術(shù)通常依據(jù)平行光管常規(guī)光學檢測方法進行調(diào)整測試，北京空間機電研究所對此有完善的調(diào)整工藝，其對準精度可控制在2μm以內(nèi)，結(jié)合被測相機TDICCD的線陣長度，該項引入的角度測試誤差為 2.4″，則

平行光管光軸和相機視軸不平行引入的誤差δ4。測試所用4m平行光管其自準直誤差優(yōu)于0.5″，對3臺相機分別自準直， 引入的誤差其中f為被測相機的焦距，L為被測相機TDICCD的線陣長度。

4 結(jié)束語

高精度立體測繪相機對多相機間的夾角測試精度與CCD線陣關(guān)系不平行度的測試精度要求高，本文提出的利用自準直平行光管、光電自準直儀和3個高精度小平面反射鏡組合等形式進行三線陣測繪相機裝調(diào)測試的新方法，摒棄了以往傳統(tǒng)的測試方式，可以達到高精度的裝調(diào)技術(shù)指標要求，容易實現(xiàn)，便于操作，并在某型號相機研制過程中得到了很好的應用，為高精度立體測繪相機的裝調(diào)提供了依據(jù)。

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