苗健宇，張立平 ，翟 巖，梅 貴

(中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)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(xué)成像是利用各種不同的成像機(jī)理將地球或其它行星凹凸不平的三維表面轉(zhuǎn)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(jì)中葉，從事測量物體或地球表面三維幾何形狀以及點(diǎn)位坐標(biāo)的測繪學(xué)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(xué)相機(jī)從一條“基線”的兩個(gè)端點(diǎn)攝取某一物體的兩張像片，從這兩張相片向每個(gè)要確定的點(diǎn)引出方向線，這樣每對方向線相交就會以點(diǎn)的形式表達(dá)出所攝的整個(gè)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(yuǎn)近的道理是相同的［1-3］。

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

考慮測繪相機(jī)對幾何精度的要求，本文以測繪相機(jī)組合體為研究對象，探討了多相機(jī)集成裝調(diào)的方法。重點(diǎn)探究了測繪相機(jī)的裝調(diào)技術(shù)，建立了單相機(jī)測量坐標(biāo)系與相機(jī)外部基準(zhǔn)立方鏡坐標(biāo)系的關(guān)系，以及各相機(jī)間測量坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

2 測繪相機(jī)簡介

研制的測繪相機(jī)組合體的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，正視相機(jī)、前視相機(jī)和后視相機(jī)互成角度裝入測繪基座安裝孔內(nèi)，多光譜相機(jī)安裝在測繪基座正視相機(jī)底部的安裝腔內(nèi)，3 個(gè)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(jì)7 臺獨(dú)立的光學(xué)載荷構(gòu)建了測繪相機(jī)組合體。測繪相機(jī)是正視相機(jī)、前視相機(jī)和后視相機(jī)的統(tǒng)稱，其連續(xù)推掃的影像可以構(gòu)成立體測量模型，衛(wèi)星因有其搭載方可稱為測繪衛(wèi)星;多光譜相機(jī)連續(xù)推掃獲取的影像信息可以進(jìn)行地物屬性判讀;3 個(gè)星敏感器用來測量和確定衛(wèi)星的外方位元素［6-7］。

圖1 測繪相機(jī)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(jī)在軌工作時(shí)相機(jī)在地球慣性坐標(biāo)系中的姿態(tài)，應(yīng)獲得如下參數(shù):(1) 衛(wèi)星在軌工作時(shí)通過星敏感器測量獲取星敏感器測量坐標(biāo)系在慣性坐標(biāo)系中的姿態(tài);(2) 由星敏感器研制方標(biāo)定星敏感器測量坐標(biāo)系與星敏外部基準(zhǔn)立方鏡坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣1;(3)由相機(jī)研制方標(biāo)定星敏感器外部基準(zhǔn)立方鏡坐標(biāo)系與測繪相機(jī)外部基準(zhǔn)立方鏡坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣2;(4) 由相機(jī)研制方標(biāo)定測繪相機(jī)測量坐標(biāo)系與測繪相機(jī)外部基準(zhǔn)立方鏡坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換矩陣。用戶根據(jù)上述數(shù)據(jù)通過轉(zhuǎn)換獲得測繪相機(jī)在軌工作時(shí)的姿態(tài)參數(shù)［8-9］。

測繪相機(jī)測量坐標(biāo)系的定義如圖2 所示，+Z軸為相機(jī)視軸方向，+Y軸為相機(jī)線陣CCD方向，X和Y、Z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系; 相機(jī)基準(zhǔn)立方鏡坐標(biāo)系的原點(diǎn)在基準(zhǔn)立方鏡的結(jié)構(gòu)中心上，X、Y和Z三軸與單相機(jī)測量坐標(biāo)系的X、Y和Z三軸平行。單相機(jī)測量坐標(biāo)系與自身基準(zhǔn)立方鏡坐標(biāo)系間的相對幾何關(guān)系用圖中的α、β 和γ 角描述;前視相機(jī)、后視相機(jī)測量坐標(biāo)系與正視相機(jī)測量坐標(biāo)系之間的幾何關(guān)系也用α、β、γ 角表示。

圖2 單相機(jī)測量坐標(biāo)系定義Fig.2 Measuring reference frame of mapping camera

測繪基座基準(zhǔn)立方鏡為多相機(jī)裝調(diào)的原始基準(zhǔn)，其坐標(biāo)系的原點(diǎn)在基準(zhǔn)立方鏡的結(jié)構(gòu)中心，X、Y和Z三軸與與正視相機(jī)測量坐標(biāo)系的X、Y和Z三軸平行。

3 測繪相機(jī)裝調(diào)要求

3.1 基準(zhǔn)立方鏡裝調(diào)要求

(1) 測繪基座基準(zhǔn)立方鏡裝調(diào)要求

測繪基座為各單相機(jī)的主支撐結(jié)構(gòu)，其-X面，即底面為測繪相機(jī)組合體與衛(wèi)星平臺的直接接觸面，也是測繪基座的加工基準(zhǔn)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(gè)加工基準(zhǔn)面，與-X面的垂直度在0.005 mm 以內(nèi)。

測繪基座基準(zhǔn)立方鏡安裝在測繪基座的+X面上，基準(zhǔn)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(nèi)。

(2) 正視相機(jī)基準(zhǔn)立方鏡裝調(diào)要求

①正視相機(jī)基準(zhǔn)立方鏡+Z軸、正視相機(jī)鏡頭光軸和測繪基座基準(zhǔn)立方鏡+Z軸三軸平行控制在5″以內(nèi);

②正視相機(jī)基準(zhǔn)立方鏡-Y軸與測繪基座基準(zhǔn)立方鏡-Y軸平行控制在10″以內(nèi)。

(3) 前視相機(jī)基準(zhǔn)立方鏡裝調(diào)要求

①前視相機(jī)基準(zhǔn)立方鏡+Z軸、前視相機(jī)鏡頭光軸和測繪基座基準(zhǔn)立方鏡+Z軸三軸平行控制在5″以內(nèi);

②前視相機(jī)基準(zhǔn)立方鏡-Y軸與測繪基座基準(zhǔn)立方鏡-Y軸平行控制在10″以內(nèi)。

(4) 后視相機(jī)基準(zhǔn)立方鏡裝調(diào)要求

后視相機(jī)基準(zhǔn)立方鏡裝調(diào)要求同前視相機(jī)基準(zhǔn)立方鏡裝調(diào)要求。

3.2 相機(jī)裝調(diào)要求

測繪相機(jī)由3 臺獨(dú)立的相機(jī)互成角度構(gòu)成，相機(jī)間空間幾何關(guān)系的精確性對測繪精度的影響很大，因此在相機(jī)的研制過程中必須保證相機(jī)間幾何關(guān)系的精確性。測繪相機(jī)間的空間幾何關(guān)系以正視相機(jī)測量坐標(biāo)系為基準(zhǔn)進(jìn)行表示，各相機(jī)的裝調(diào)要求見表1。

表1 相機(jī)間幾何關(guān)系裝調(diào)要求Table 1 Assembly and adjustment requirements of geometric relation among cameras

α 為前視、后視、多光譜相機(jī)視軸Z在正視相機(jī)測量坐標(biāo)系YOZ面內(nèi)投影與正視相機(jī)視軸Z的夾角;β 為前視、后視、多光譜相機(jī)視軸Z在正視相機(jī)測量坐標(biāo)系XOZ面內(nèi)投影與正視相機(jī)視軸Z的夾角;γ 為前視、后視、多光譜相機(jī)CCD 線陣方向在正視相機(jī)測量坐標(biāo)系XOY面內(nèi)投影與正視相機(jī)CCD 線陣方向的夾角。

4 測繪相機(jī)裝調(diào)方法

三線陣CCD 立體測繪相機(jī)裝調(diào)精度要求高，裝調(diào)過程復(fù)雜，裝調(diào)設(shè)備的精度及裝調(diào)環(huán)境對裝調(diào)結(jié)果影響較大，因此購買和制造高精度的裝調(diào)設(shè)備和建立環(huán)境穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)室是非常必要的。裝調(diào)設(shè)備由300 和1 000 mm 直徑標(biāo)準(zhǔn)平面反射鏡、0.5″經(jīng)緯儀、0.5″二維轉(zhuǎn)臺、750 mm 口徑自準(zhǔn)直平行光管、自準(zhǔn)直目鏡、攝像機(jī)、監(jiān)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(shí)驗(yàn)室。

4.1 裝調(diào)流程

三線陣CCD 立體測繪相機(jī)裝調(diào)流程如圖3所示。星敏感器為購買的成熟產(chǎn)品，自身的測量坐標(biāo)與外部基準(zhǔn)立方鏡坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換矩陣由廠家提供，但其外部基準(zhǔn)立方鏡與測繪相機(jī)間的幾何關(guān)系需要通過裝調(diào)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(guān)系可保證此幾何關(guān)系;多光譜相機(jī)中光機(jī)電熱各部分產(chǎn)品統(tǒng)一裝調(diào)后，再裝入測繪基座。由于對多光譜相機(jī)與正視相機(jī)之間的幾何關(guān)系要求較低，調(diào)整與測繪基座之間墊片的厚度，通過光學(xué)測量方法即可保證。

光譜相機(jī)裝調(diào)成完整相機(jī)后再裝入測繪基座不同，測繪相機(jī)裝調(diào)精度要求高，采取鏡頭裝調(diào)完畢后，以測繪基座基準(zhǔn)立方鏡為基準(zhǔn)，裝入測繪基座，進(jìn)入裝調(diào)相機(jī)基準(zhǔn)立方鏡和像面的裝調(diào)流程，這是測繪相機(jī)裝調(diào)的一大特色，打破了傳統(tǒng)的單相機(jī)裝配流程;3 臺相機(jī)基準(zhǔn)立方鏡和像面統(tǒng)一裝調(diào)，保證了相機(jī)間裝調(diào)基準(zhǔn)的統(tǒng)一，避免引入多次裝配誤差。

圖3 測繪相機(jī)裝調(diào)流程Fig.3 Alignment process of mapping camera

4.2 裝調(diào)步驟

4.2.1 測繪相機(jī)鏡頭裝調(diào)

測繪相機(jī)采用像方遠(yuǎn)心的亞對稱光學(xué)系統(tǒng)［10］，對鏡頭裝調(diào)精度要求高，裝調(diào)步驟分為各單透鏡組獨(dú)立裝調(diào)和鏡頭總成裝調(diào)。為保證單相機(jī)成像質(zhì)量、測繪相機(jī)間的幾何關(guān)系，以及后期裝調(diào)方便，在測繪相機(jī)鏡頭裝調(diào)完成后，須精密修研鏡頭結(jié)構(gòu)前端面，通過光學(xué)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(biāo)準(zhǔn)平面鏡檢測) 的同心精度，誤差＜3″; 精密研磨測繪相機(jī)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(zhǔn)立方鏡裝調(diào)

(1) 測繪基座基準(zhǔn)立方鏡裝調(diào)在大理石平臺上進(jìn)行，用0.2″數(shù)字水平儀將大理石平臺調(diào)平至1″以內(nèi)，并用0.2″數(shù)字水平儀隨時(shí)監(jiān)視大理石平臺的水平變化情況;

(2) 用2 臺0.5″萊卡數(shù)字經(jīng)緯儀分別監(jiān)視測繪基座基準(zhǔn)立方鏡的+Z軸和-Y軸的變化情況，通過精密研磨基準(zhǔn)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(zhǔn)立方鏡鏡框的安裝銷釘，完成測繪基座基準(zhǔn)立方鏡的裝調(diào)。

4.2.3 測繪相機(jī)基準(zhǔn)立方鏡裝調(diào)

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

(2) 用2 臺0.5″萊卡數(shù)字經(jīng)緯儀分別監(jiān)視測繪基座基準(zhǔn)立方鏡的+Z軸和-Y軸的變化，調(diào)整翻轉(zhuǎn)工裝，直至測繪基座基準(zhǔn)立方鏡的+Z軸和-Y軸達(dá)到上一步的安裝精度;

(3) 在正視相機(jī)鏡頭前端面放置標(biāo)準(zhǔn)平面鏡，將其反射像代表正視相機(jī)鏡頭的光軸，然后利用0.5″萊卡數(shù)字經(jīng)緯儀監(jiān)視鏡頭光軸、測繪基座基準(zhǔn)立方鏡+Z軸和正視相機(jī)基準(zhǔn)立方鏡的+Z軸的位置關(guān)系;

(4) 在翻轉(zhuǎn)工裝的-Y側(cè)放置1 000 mm 直徑標(biāo)準(zhǔn)平面反射鏡，通過調(diào)整反射鏡的位置，用0.5″萊卡數(shù)字經(jīng)緯儀監(jiān)視，將測繪基座基準(zhǔn)立方鏡-Y面的反射像與標(biāo)準(zhǔn)平面反射鏡的反射像的位置調(diào)節(jié)重合，此時(shí)反射鏡即可代表測繪基座基準(zhǔn)立方鏡-Y面;

(5) 通過1 000 mm 直徑標(biāo)準(zhǔn)平面反射鏡這一中間過渡基準(zhǔn)，用0.5″萊卡數(shù)字經(jīng)緯儀監(jiān)視正視相機(jī)基準(zhǔn)立方鏡-Y軸的變化情況;

(6) 通過精密研磨正視相機(jī)基準(zhǔn)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(jī)基準(zhǔn)立方鏡鏡框安裝銷釘。

前視和后視相機(jī)基準(zhǔn)立方鏡的裝調(diào)過程與正視相機(jī)基準(zhǔn)立方鏡的裝調(diào)過程相同，不同點(diǎn)在于裝調(diào)過程中需將翻轉(zhuǎn)工裝繞Y軸旋轉(zhuǎn)+25°或-25°后再進(jìn)行相機(jī)基準(zhǔn)立方鏡裝調(diào)，也就是將前視相機(jī)或后視相機(jī)調(diào)成水平，方便裝調(diào)。

4.2.4 測繪相機(jī)像面裝調(diào)

首先，由高精度0.5″二維轉(zhuǎn)臺和大口徑平行光管構(gòu)建固定的坐標(biāo)系，在裝調(diào)過程中始終監(jiān)測固定坐標(biāo)系是否發(fā)生變化，如有變化，必須恢復(fù)到初始建立狀態(tài)，再進(jìn)行下一步操作; 其次，測繪相機(jī)組合體安裝到0.5″二維轉(zhuǎn)臺上，通過調(diào)整轉(zhuǎn)臺位置分別將前、正、后視相機(jī)調(diào)整到可操作位置，在上一步建立的固定坐標(biāo)系下將各像面組件安裝到位;最后，反復(fù)檢測各相機(jī)像面裝調(diào)精度及相機(jī)間空間幾何位置關(guān)系，重復(fù)檢測結(jié)果一致即完成像面裝調(diào)。三線陣CCD 測繪相機(jī)像面裝調(diào)現(xiàn)場照片如圖4 所示。

圖4 測繪相機(jī)像面裝調(diào)現(xiàn)場Fig.4 Photo of mapping camera alignment

測繪相機(jī)像面裝調(diào)的前提是保證0.5″轉(zhuǎn)臺和大口徑平行光管構(gòu)建的固定坐標(biāo)系在各像面裝調(diào)時(shí)精度重合;難點(diǎn)是像面組件裝調(diào)到安裝凸耳上時(shí)過程繁瑣，容易出現(xiàn)重復(fù)工作，且CCD 價(jià)格昂貴，容易對裝調(diào)人員造成心理壓力，不利于細(xì)致繁瑣的工作開展; 重點(diǎn)是CCD 像面組件安裝到位時(shí)，保證CCD 組件安裝面與安裝凸耳間充分接觸，不存在虛點(diǎn)，否則很難保證CCD 像面組件安裝精度的穩(wěn)定性。

4.3 裝調(diào)結(jié)果

測繪相機(jī)組合體裝調(diào)結(jié)束后進(jìn)行了消除裝調(diào)應(yīng)力工藝振動試驗(yàn)，經(jīng)過精密測試和解算，得到了測繪相機(jī)中各基準(zhǔn)立方鏡的安裝結(jié)果見表2; 測繪相機(jī)中各相機(jī)間幾何標(biāo)定結(jié)果見表3;另外，還對各相機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)光學(xué)傳遞函數(shù)和畸變測試，經(jīng)解算，各相機(jī)的實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)光學(xué)傳遞函數(shù)均＞0.22，滿足航天相機(jī)實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)光學(xué)傳遞函數(shù)＞0.2 的要求;各相機(jī)的畸變＜0.03%，滿足測繪精度的要求。

表2 基準(zhǔn)立方鏡安裝結(jié)果Table 2 Alignment results of basal mirrors

表3 各相機(jī)間幾何標(biāo)定結(jié)果Table 3 Calibration results of geometricrelationships among cameras

4.4 結(jié)果分析

(1) 精密研磨鏡頭機(jī)械結(jié)構(gòu)前端面，將鏡頭光軸轉(zhuǎn)換到鏡頭結(jié)構(gòu)的前端面上，轉(zhuǎn)換誤差＜3″，有效地保證了前視、正視和后視相機(jī)間的光軸平行;

(2) 測繪相機(jī)中的3 臺相機(jī)為組合體結(jié)構(gòu)，裝調(diào)中采取先將鏡頭裝入測繪基座，再進(jìn)行相機(jī)基準(zhǔn)立方鏡和相機(jī)像面裝調(diào)，是保證測繪相機(jī)間幾何關(guān)系的重要裝調(diào)方法;

(3) 對于測繪相機(jī)中裝調(diào)的各基準(zhǔn)立方鏡，其裝調(diào)位置精度高，為合理地傳遞相機(jī)間的幾何關(guān)系奠定了精度基礎(chǔ);

(4)0.5″二維轉(zhuǎn)臺及750 mm 口徑自準(zhǔn)直平行光管等設(shè)備構(gòu)建的固定坐標(biāo)系，對于保證測繪相機(jī)間空間幾何關(guān)系是十分必要的。

5 結(jié) 論

三線陣CCD 立體測繪相機(jī)具有多相機(jī)集成裝調(diào)成的一體結(jié)構(gòu)，為了建立測繪相機(jī)中單相機(jī)自身測量坐標(biāo)系與外部基準(zhǔn)立方鏡的關(guān)系，以及各相機(jī)測量坐標(biāo)系間的幾何關(guān)系，本文以測繪基座基準(zhǔn)立方鏡為裝調(diào)基準(zhǔn)，采取各相機(jī)鏡頭先裝入測繪基座，再集中裝調(diào)各相機(jī)的外部基準(zhǔn)立方鏡和像面的裝調(diào)流程，并建立了由0.5″二維轉(zhuǎn)臺和大口徑平行光管構(gòu)成的固定的坐標(biāo)系，為相機(jī)裝調(diào)和標(biāo)定提供固定的參考基準(zhǔn)。通過對總體指標(biāo)分解，制定了詳細(xì)的基準(zhǔn)立方鏡和相機(jī)總成裝調(diào)要求，裝調(diào)結(jié)果表明:各相機(jī)的光學(xué)傳遞函數(shù)＞0.2，畸變＜0.03%，測繪相機(jī)間的空間幾何關(guān)系滿足α≤3″，β≤5″，γ≤5″的要求。

測繪相機(jī)的裝調(diào)方法成功地保證了測繪相機(jī)間的幾何要求，在實(shí)際的三線陣CCD 立體測繪相機(jī)裝調(diào)過過程中得到了充分應(yīng)用，此種方法對有幾何精度要求的多臺相機(jī)一體化裝調(diào)有一定的參考價(jià)值。

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