梅　貴，翟　巖，苗健宇，浦前帥，余　達(dá)，張博研

(中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033)

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星載離軸多光譜相機(jī)焦平面的裝調(diào)與檢測(cè)

梅貴*，翟巖，苗健宇，浦前帥，余達(dá)，張博研

(中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033)

摘要：針對(duì)某離軸多光譜相機(jī)焦平面高精度的裝調(diào)要求，設(shè)計(jì)了焦平面組件，闡述了裝調(diào)、檢測(cè)的儀器設(shè)備和方法。首先將焦平面組件安裝至鏡頭，測(cè)量并解算出CCD光敏面的角度和位移偏差，接著根據(jù)偏差確定調(diào)整墊修研量，進(jìn)行初次修墊并重新安裝，然后利用調(diào)整工裝微調(diào)CCD姿態(tài)至滿(mǎn)足指標(biāo)要求，調(diào)整墊處打銷(xiāo)釘定位，最后根據(jù)擬合出的最佳焦平面位置再次修研調(diào)整墊，利用銷(xiāo)釘復(fù)位完成裝調(diào)工作。檢測(cè)結(jié)果表明，相機(jī)的CCD光敏面相對(duì)于設(shè)計(jì)焦平面三維角度偏差分別為Δα=-6.7″，Δβ=1.9′，Δγ=13.2″，三維位移偏差分別為Δx=-0.004 mm，Δy=0.006 mm，Δz=-0.070 mm，相機(jī)四譜段、全視場(chǎng)MTF優(yōu)于0.25，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和裝調(diào)要求。測(cè)量和解算誤差分析表明，所用的設(shè)備與方法能夠滿(mǎn)足裝調(diào)精度的要求，可以為此類(lèi)相機(jī)的研制提供一定的技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞:多光譜相機(jī)；焦平面；裝調(diào)；測(cè)量；調(diào)制傳遞函數(shù)

1引言

多光譜遙感技術(shù)始于20世紀(jì)60年代，在工作過(guò)程中用幾個(gè)譜段對(duì)同一位置目標(biāo)進(jìn)行成像，可以同時(shí)獲得目標(biāo)的圖像和光譜信息。為實(shí)現(xiàn)多光譜成像，常采用多線(xiàn)陣電荷耦合器件(CCD)作為相機(jī)的圖像傳感器[1]，波段一般包含有完整的紅、綠、藍(lán)三原色譜段，成像數(shù)據(jù)融合后可以得到彩色圖像。由于不同的地物目標(biāo)具有各自不同的光譜特性，因此多光譜相機(jī)可以獲取諸如植被、地質(zhì)、水質(zhì)等地物屬性，配合全色相機(jī)(或者譜段)、測(cè)繪相機(jī)等，在資源考察，農(nóng)林、水文和地質(zhì)勘查，環(huán)境監(jiān)測(cè)，災(zāi)害調(diào)查以及測(cè)繪制圖、軍事偵察等方面有著廣泛的應(yīng)用，對(duì)于軍事和民生都具有重要的意義。國(guó)內(nèi)外的眾多衛(wèi)星上均搭載有多光譜相機(jī)，如IKNONS系列、QuickBird系列、GeoEye系列、WorldView系列、Pleiades系列等國(guó)外高分辨率商業(yè)衛(wèi)星[2-6]，國(guó)內(nèi)如環(huán)境減災(zāi)-1A及1B、天繪一號(hào)、資源一號(hào)及三號(hào)、高分一號(hào)等衛(wèi)星[7-11]。

離軸三反光學(xué)系統(tǒng)具有可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)焦距與大視場(chǎng)，沒(méi)有中心遮攔，無(wú)色差、對(duì)雜散光抑制能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)[12-13]，非常適合多光譜成像，但是由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和非對(duì)稱(chēng)性，實(shí)際制造和裝調(diào)難度較大。

焦平面組件是空間相機(jī)的重要組成部分，它與鏡頭的總成是將CCD的光敏面裝調(diào)至與光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)焦平面重合的過(guò)程，將這一過(guò)程稱(chēng)為焦平面的裝調(diào)。由于光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在場(chǎng)曲，光機(jī)加工、裝調(diào)均會(huì)帶來(lái)偏差，焦平面實(shí)際是一個(gè)空間曲面，CCD光敏面不可能與之重合。把鏡頭在CCD全視場(chǎng)范圍內(nèi)成像質(zhì)量平均最優(yōu)的平面稱(chēng)為最佳焦平面，通常是數(shù)學(xué)方法擬合的平面。因此，一般而言焦平面的裝調(diào)是將CCD光敏面修調(diào)至最佳焦平面位置的過(guò)程，其結(jié)果直接決定了相機(jī)的成像質(zhì)量能否嚴(yán)格反映光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、光學(xué)加工和鏡頭的裝調(diào)水準(zhǔn)。針對(duì)某三線(xiàn)陣測(cè)繪衛(wèi)星搭載的離軸多光譜相機(jī)，闡述了其焦平面的設(shè)計(jì)、裝調(diào)與檢測(cè)方法。由于多光譜相機(jī)需要嚴(yán)格匹配測(cè)繪正視相機(jī)進(jìn)行攝像，對(duì)兩者CCD的相對(duì)位置和姿態(tài)關(guān)系提出了很高的要求，因此多光譜相機(jī)的焦平面裝調(diào)精度要求苛刻。本文給出了適應(yīng)性的裝調(diào)方法與過(guò)程，檢測(cè)數(shù)據(jù)和外景成像試驗(yàn)表明，裝調(diào)結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，相機(jī)像質(zhì)良好。

2焦平面裝調(diào)參數(shù)

2.1光學(xué)系統(tǒng)組成

圖1　多光譜相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)示意圖 Fig.1　Schematic of optical system of a multispectral camera

多光譜相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)為一次成像離軸三反系統(tǒng)，如圖1所示。鏡頭包括主鏡、第三鏡兩個(gè)離軸非球面鏡和一個(gè)球面次鏡。這樣設(shè)計(jì)使孔徑光闌位于次鏡處，光學(xué)系統(tǒng)相對(duì)比較對(duì)稱(chēng)，并且由于是像方準(zhǔn)遠(yuǎn)心光路，光學(xué)系統(tǒng)發(fā)生離焦時(shí)(焦深范圍內(nèi))，各視場(chǎng)的像高將基本保持不變，即每個(gè)像元與地面對(duì)應(yīng)的點(diǎn)的物象關(guān)系基本保持不變。

2.2CCD結(jié)構(gòu)

多光譜CCD結(jié)構(gòu)如圖2所示，具有藍(lán)、綠、紅、近紅外(分別標(biāo)記為B、G、R、NIR)4個(gè)譜段，每條譜段6 000像元，像元尺寸為13 μm×13 μm。為了便于裝調(diào)，譜段上下方各有11個(gè)三角形標(biāo)記點(diǎn)，記作M1～M22，沿譜段長(zhǎng)度方向7.8 mm間距一個(gè)，將譜段10等分，上、下、中間標(biāo)記點(diǎn)，即M6與M17的頂點(diǎn)連線(xiàn)記為lineH；譜段左右各有一個(gè)十字絲標(biāo)記，兩十字絲水平連線(xiàn)記為lineZ。CCD光敏面幾何中心定義為：lineH與lineZ的交點(diǎn)，記為O′。

2.3焦平面裝調(diào)參數(shù)

光學(xué)系統(tǒng)坐標(biāo)系O-XYZ如圖1所示，+X為衛(wèi)星飛行方向，+Z為光學(xué)系統(tǒng)光軸方向(指向星下點(diǎn))，+Y與+X、+Z構(gòu)成右手坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)O為焦平面幾何中心；CCD光敏面坐標(biāo)系為O′-X′Y′Z′，三軸方向定義如圖2所示。相機(jī)焦平面的裝調(diào)目的可以直觀(guān)地認(rèn)為是將O′-X′Y′Z′與O-XYZ調(diào)整至重合。顯而易見(jiàn)，CCD光敏面有六維參數(shù)需要調(diào)整，定義它相對(duì)于焦平面沿X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)角度偏差為Δα、Δβ、Δγ，位置偏差為Δx、Δy、Δz。這六維偏差均會(huì)對(duì)相機(jī)的性能產(chǎn)生影響，因此需要嚴(yán)格控制。

圖2　多光譜CCD結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.2　Schematic of multispectral CCD geometry

3焦平面組件設(shè)計(jì)

根據(jù)CCD的封裝結(jié)構(gòu)，多光譜相機(jī)焦平面組件設(shè)計(jì)如圖3所示，它主要由導(dǎo)熱銅片、CCD、CCD框、連接板、濾光片、濾光片座、標(biāo)定燈架及CCD驅(qū)動(dòng)電箱(以下簡(jiǎn)稱(chēng)驅(qū)動(dòng)箱)組成。CCD在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，組件溫度迅速上升，導(dǎo)致焦平面發(fā)生熱變形，進(jìn)而影響成像質(zhì)量。因此在CCD背部陶瓷片上粘接導(dǎo)熱銅片并與驅(qū)動(dòng)箱連接以加快散熱，同時(shí)為了減小熱變形，CCD框與濾光片座均采用超低熱膨脹系數(shù)的殷鋼(4J32)材料?？紤]到CCD未自帶多譜段濾光片，需要自行研制并安裝，CCD的4條譜段必須與濾光片的4條通光帶嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)。為了減小CCD相對(duì)驅(qū)動(dòng)箱底部安裝基準(zhǔn)的姿態(tài)偏差，需要嚴(yán)格控制單個(gè)零件的尺寸和形位公差。

圖3　焦平面組件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 Fig.3　Diagram of focal plane subassembly

4焦平面-調(diào)焦組件裝配

圖4　焦平面-調(diào)焦組件結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.4　Schematic of focal plane-focusing subassembly

圖5　螺釘連接偏差示意圖 Fig.5　Schematic of screw fastening deviation sketch

系統(tǒng)采用焦平面移動(dòng)調(diào)焦方式來(lái)補(bǔ)償系統(tǒng)因熱、力學(xué)環(huán)境導(dǎo)致的離焦，即把焦平面組件安裝于調(diào)焦機(jī)構(gòu)上。調(diào)焦機(jī)構(gòu)為雙導(dǎo)軌絲杠螺母式，經(jīng)過(guò)調(diào)焦行程、精度測(cè)試合格后與驅(qū)動(dòng)箱連接，接口為兩側(cè)各3個(gè)M4螺釘孔，如圖4所示，CCD光敏面將沿導(dǎo)軌方向與調(diào)焦機(jī)構(gòu)作同步移動(dòng)。在使用螺釘連接時(shí)，M4螺釘孔對(duì)應(yīng)的光孔直徑為Φ4.5 mm，由于光孔直徑大于絲孔大徑，光孔中心連線(xiàn)與絲孔中心連線(xiàn)可能會(huì)出現(xiàn)偏離角，即CCD光敏面Z′軸與調(diào)焦機(jī)構(gòu)導(dǎo)軌方向有偏差。如圖5所示，將偏離角記為θ，O1、O2為光孔圓心，O3、O4為對(duì)應(yīng)的絲孔圓心，假定孔間距為L(zhǎng)，光孔半徑為R1，絲孔半徑為R2，則有：

O1O2=O3O4=L，

(1)

根據(jù)圖6中的幾何關(guān)系可知：

(2)

(3)

(4)

將式(1)～(3)代入式(4)整理可以得到：

(5)

上式中取R1=2.25，R2=2，L=160，可以求得θ最大值為10′45″，因此必須精確測(cè)定并消除這一偏差。

5焦平面裝調(diào)

5.1裝調(diào)設(shè)備與環(huán)境

考慮到與測(cè)繪相機(jī)建立精確的幾何關(guān)系，焦平面的裝調(diào)精度要求很高，而裝調(diào)精度與測(cè)量精度密不可分，理論上，測(cè)量精度能達(dá)到的水平即為裝調(diào)能達(dá)到的極限水平，因而一套高精度的檢測(cè)和調(diào)整設(shè)備必不可少。為此研制了0.5″高精度二維轉(zhuǎn)臺(tái)及其電控系統(tǒng)，750 mm口徑、7 500 mm焦距平行光管。使用的設(shè)備還包括：高精度四維調(diào)整架，微位移調(diào)整裝置，電子水平儀，0.5″萊卡經(jīng)緯儀，帶有十字絲、光源的自準(zhǔn)直目鏡，微光攝像機(jī)，顯示器等，主要設(shè)備的布置如圖6所示。

圖6　焦平面裝調(diào)裝置示意圖 Fig.6　Schematic of equipments for focal plane alignment

為了減少外界振動(dòng)對(duì)裝調(diào)工作的影響，平行光管與二維轉(zhuǎn)臺(tái)擁有獨(dú)立的隔振地基，同時(shí)考慮到焦平面位置對(duì)溫度的敏感性，實(shí)驗(yàn)室配有恒溫控制系統(tǒng)，保證12 h內(nèi)溫度保持在(18±1) ℃范圍內(nèi)。

5.2裝調(diào)方法與過(guò)程

5.2.1裝調(diào)方法

焦平面的裝調(diào)實(shí)質(zhì)是最佳焦平面位置的確定(簡(jiǎn)稱(chēng)定焦)過(guò)程，一般在全視場(chǎng)內(nèi)等間隔取若干個(gè)點(diǎn)，確定每個(gè)點(diǎn)由初始位置到最佳像質(zhì)位置對(duì)應(yīng)的調(diào)焦量，擬合出最佳焦平面位置，然后根據(jù)調(diào)焦量確定調(diào)整墊的修研量，定焦精度主要取決于調(diào)焦量的獲取精度和修墊精度。調(diào)焦量大小直接決定了修墊量，因此其獲取精度對(duì)定焦精度的影響很大，通常有兩種方法：

(1)利用圖6所示裝調(diào)時(shí)的裝置，觀(guān)察選定位置的CCD像元或者標(biāo)記點(diǎn)，如2.2節(jié)所述，以標(biāo)記點(diǎn)為例，通過(guò)調(diào)焦，觀(guān)察標(biāo)記點(diǎn)清晰度的變化，選擇最清晰位置，記錄調(diào)焦量。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于方便、快速，可以與裝調(diào)同時(shí)進(jìn)行；缺點(diǎn)是非常依賴(lài)觀(guān)察者的經(jīng)驗(yàn)，獲取精度難以保證，一般適用于焦平面裝調(diào)精度要求不高的場(chǎng)合。

(2)在圖6中，將目鏡、攝像機(jī)等設(shè)備移除，換成調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)檢測(cè)用黑白條紋目標(biāo)板和積分球光源，相機(jī)接入MTF檢測(cè)用的軟硬件，采集選定CCD像元處的MTF[14]，通過(guò)調(diào)焦可以得到MTF-調(diào)焦曲線(xiàn)，取峰值對(duì)應(yīng)的位置計(jì)算調(diào)焦量。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于精度較高且穩(wěn)定，缺點(diǎn)在于無(wú)法與調(diào)整同時(shí)進(jìn)行；CCD工作時(shí)長(zhǎng)保護(hù)機(jī)制的限制致使檢測(cè)過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)；調(diào)整墊逐步修研過(guò)程中由于地檢設(shè)備的反復(fù)接拔線(xiàn)也極為耗時(shí)。

5.2.2偏差測(cè)定

裝調(diào)之前，鏡頭應(yīng)當(dāng)經(jīng)過(guò)詳細(xì)的光學(xué)檢驗(yàn)，全視場(chǎng)MTF、波相差、焦距等均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。將光學(xué)系統(tǒng)坐標(biāo)系O-XYZ引出，安裝刻有十字絲的立方鏡，建立立方鏡坐標(biāo)系o-xyz，作為焦平面組件裝調(diào)基準(zhǔn)，要求y軸與Y軸，z軸與Z軸安裝誤差不超過(guò)2″。

利用萊卡經(jīng)緯儀和電子水平儀調(diào)整平行光管光軸與二維轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面水平，鏡頭安裝于四維高精度調(diào)整架上，將調(diào)整架安裝并緊固于二維轉(zhuǎn)臺(tái)上，此時(shí)可對(duì)鏡頭進(jìn)行六維調(diào)整，使鏡頭入光口全部包含在平行光管口徑內(nèi)，并且鏡頭立方鏡的z軸與光管光軸平行，y軸水平。

上述工作完成后，將焦平面-調(diào)焦組件安裝于托架上，托架安裝于鏡頭前端面，多光譜整機(jī)如圖7所示，兩步安裝均采用調(diào)整墊連接，通過(guò)這2個(gè)豎直墊和2個(gè)水平墊的修研來(lái)調(diào)整CCD的位置與姿態(tài)。

圖7　整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.7　Structure schematic of the camera

圖8　顯示器顯示標(biāo)記點(diǎn)示意圖 Fig.8　Schematic of pixel mark in screen

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式中，B為編碼器總碼值，Lf為對(duì)應(yīng)的調(diào)焦機(jī)構(gòu)總行程，dh為標(biāo)記點(diǎn)M1與M11頂點(diǎn)的水平距離，dv為上下標(biāo)記點(diǎn)底邊的垂直距離，f′為相機(jī)焦距，β為相機(jī)設(shè)計(jì)離軸角。

5.2.3修研與微調(diào)

根據(jù)式(10)的計(jì)算結(jié)果可以確定調(diào)整墊的初修量。修墊時(shí)，每一組按照相機(jī)上的安裝方式和間距固定于高精度工裝板上，利用加工中心同時(shí)去量，以保證修量的精確度。由于加工中心去量精度有限，通常還需要對(duì)調(diào)整墊進(jìn)行研磨。修研完畢，重新將焦平面-調(diào)焦組件安裝于鏡頭上，重復(fù)之前的測(cè)量、計(jì)算工作，偏差要求嚴(yán)格的Δα與Δy如第4節(jié)中的分析，很可能不滿(mǎn)足要求，需要設(shè)計(jì)一個(gè)微位移工裝來(lái)調(diào)整，如圖9所示，工裝固定于托架上，調(diào)焦機(jī)構(gòu)底板處設(shè)置四組M5×0.5細(xì)牙螺桿與螺母，螺桿旋轉(zhuǎn)至與底板接觸，將底板與托架連接螺釘略微擰松使焦平面-調(diào)焦組件剛好可以左右竄動(dòng)，按照不同的組合旋開(kāi)和旋緊螺桿即可實(shí)現(xiàn)Δα和Δy的調(diào)整。在這兩維偏差各自調(diào)整時(shí)會(huì)相互影響，因此可以先將Δy調(diào)整到位，然后在調(diào)整Δα的同時(shí)微調(diào)Δy的耦合偏移量。當(dāng)相機(jī)立方鏡z軸與光管光軸方位一致時(shí)，標(biāo)記點(diǎn)M6頂點(diǎn)位于十字絲豎線(xiàn)上，觀(guān)察標(biāo)記點(diǎn)M1和M11，同時(shí)最清晰，此時(shí)Δα和Δy調(diào)整完畢，如此M1、M11、M17構(gòu)成的焦平面位置一般可以滿(mǎn)足裝調(diào)要求但未達(dá)到最佳。由于焦平面場(chǎng)曲的存在，M1與M11同時(shí)清晰時(shí)，M2～M10并不一定同樣清晰，按照5.2.1節(jié)所述取5個(gè)點(diǎn)擬合出最佳直線(xiàn)。焦平面X向視場(chǎng)很小，場(chǎng)曲的影響可以忽略，Δβ修正后，經(jīng)過(guò)上述最佳直線(xiàn)與光軸垂直的面即可確定為最佳焦平面，根據(jù)此最佳焦平面位置，豎直調(diào)整墊還需要進(jìn)一步修研，為了保證之前的裝調(diào)狀態(tài)不變，每個(gè)調(diào)整墊處打2個(gè)銷(xiāo)釘定位，拆下豎直調(diào)整墊，修研后利用銷(xiāo)釘復(fù)位，至此焦平面裝調(diào)完畢。

圖9　焦平面微調(diào)工裝 Fig.9　Schematic of fine-tuning mechanism of the focal plane

5.3檢測(cè)結(jié)果

按照5.2節(jié)的裝調(diào)方法，完成了焦平面的裝調(diào)，經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)并按式(6)計(jì)算，得到裝調(diào)偏差如表1所示，可以看出均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

隨著油田企業(yè)業(yè)務(wù)的開(kāi)展，檔案資料的內(nèi)容也逐漸增加，給檔案管理工作帶來(lái)了更高的難度。此外，對(duì)于油田企業(yè)的檔案來(lái)說(shuō)，不僅僅需要做好保存工作，而且要挖掘檔案的潛在價(jià)值，為當(dāng)前工作更高質(zhì)量、更高效率地開(kāi)展提供必要的借鑒。而這些工作的開(kāi)展，都離不開(kāi)一套完善的檔案信息化管理制度。由于油田企業(yè)對(duì)于檔案管理工作重視不足，配套的信息化管理制度也沒(méi)有建立起來(lái)。有些企業(yè)即便是有檔案信息化數(shù)據(jù)運(yùn)行管理制度，在實(shí)際工作中沒(méi)有嚴(yán)格執(zhí)行，管理制度形同虛設(shè)，檔案管理人員工作中存在較大的隨意性。

表1　焦平面裝調(diào)偏差實(shí)測(cè)結(jié)果

檢測(cè)綠譜段0視場(chǎng)和±1視場(chǎng)以及藍(lán)譜段和近紅外譜段0視場(chǎng)的MTF，畫(huà)出相應(yīng)的MTF-調(diào)焦曲線(xiàn)，如圖10(a)、(b)所示，可以看出CCD左右兩端和上下兩譜段的MTF峰值對(duì)應(yīng)的調(diào)焦位置非常接近，即CCD光敏面與最佳焦平面位置很吻合。相機(jī)最佳焦平面處四譜段各5個(gè)視場(chǎng)MTF(奈奎斯特頻率38.5 lp/mm處)如表2所示，全視場(chǎng)MTF均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，將鏡頭的MTF與之作對(duì)比，如圖11所示，可以看出，相機(jī)與鏡頭的MTF在全視場(chǎng)范圍內(nèi)趨勢(shì)較為一致，裝調(diào)效果較好。

圖10　MTF-調(diào)焦曲線(xiàn) Fig.10　Curve of MTF-focusing

FieldMTF(B)MTF(G)MTF(R)MTF(NIR)MTF(Lens)-1ω0.3320.3550.3400.2650.681-0.5ω0.3410.3660.3470.2710.7050ω0.3430.3700.3510.2730.712+0.5ω0.3420.3680.3490.2720.709+1ω0.3340.3580.3440.2680.689

圖11　全視場(chǎng)MTF對(duì)比圖 Fig.11　Comparison curve of all-field MTFs

5.4裝調(diào)誤差分析

焦平面裝調(diào)的誤差主要來(lái)源于使用的儀器設(shè)備的調(diào)整、測(cè)量誤差及方法誤差[15-16]，如表3所示。

表3　焦平面裝調(diào)中的各種誤差

由表3中各誤差項(xiàng)可以得到角度測(cè)量綜合誤差為：

(11)

位移測(cè)量綜合誤差(碼值轉(zhuǎn)化為距離)為：

(12)

則由多元函數(shù)y=f(x1，x2，…，xn)的誤差與各測(cè)量值x1，x2，…，xn誤差之間的關(guān)系式[17]

(13)

可以得到式(10)中六維偏差的檢定誤差為：

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

帶入數(shù)據(jù)求得σΔα=8.1″，σΔβ=1.6′，σΔγ=2.5″，σΔx=5.6 μm，σΔy=5.6 μm，σΔz=1.6 μm，可以滿(mǎn)足表1中的裝調(diào)要求。

5.5外景成像試驗(yàn)

為了初步驗(yàn)證成像質(zhì)量，需要對(duì)裝調(diào)完畢的多光譜相機(jī)進(jìn)行外景成像試驗(yàn)。由于在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行焦平面裝調(diào)時(shí)，是按無(wú)窮遠(yuǎn)物距確定的焦面位置，在有限距離成像時(shí)，將產(chǎn)生離焦，影響像質(zhì)。相機(jī)對(duì)成像區(qū)域的距離是l，則相應(yīng)產(chǎn)生的離焦量Δl′根據(jù)應(yīng)用光學(xué)公式計(jì)算得到：

(20)

為了消除這一影響，可根據(jù)準(zhǔn)確測(cè)得的目標(biāo)距離，在無(wú)窮遠(yuǎn)物距基礎(chǔ)上調(diào)焦Δl′，保證室外成像時(shí)，像面準(zhǔn)確，成像清晰。

圖12　多光譜相機(jī)外景成像試驗(yàn)圖 Fig.12　Outdoor imaging test of the camera

按照上述方法對(duì)相機(jī)進(jìn)行了調(diào)焦，圖12為同一時(shí)刻四譜段對(duì)同一目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行推掃成像獲取的原始灰度圖像(限于文檔大小，作者進(jìn)行了格式處理)，圖像寬度方向?qū)?yīng)CCD線(xiàn)陣方向，長(zhǎng)度方向?qū)?yīng)推掃方向，可以看出四個(gè)譜段獲取的影像在整個(gè)視場(chǎng)內(nèi)層次分明，細(xì)節(jié)清楚；根據(jù)全視場(chǎng)影像獲取的景物，實(shí)測(cè)相機(jī)視場(chǎng)角的大小，與裝調(diào)所測(cè)數(shù)據(jù)較為吻合。因此可以初步判斷相機(jī)的焦平面位置裝調(diào)較為準(zhǔn)確。該相機(jī)目前已經(jīng)有兩臺(tái)在軌正常運(yùn)行，獲取了大量?jī)?yōu)質(zhì)的多光譜影像，用戶(hù)給予了很好的評(píng)價(jià)，驗(yàn)證了本文所述裝調(diào)方法的可行性。

6結(jié)論

焦平面的裝調(diào)是遙感相機(jī)研制過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，本文針對(duì)某測(cè)繪衛(wèi)星搭載的多光譜相機(jī)焦平面裝調(diào)精度要求高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了其焦平面組件，闡述了裝調(diào)、檢測(cè)的儀器設(shè)備和方法，確定了相機(jī)的最佳焦平面位置。裝調(diào)完成后的檢測(cè)結(jié)果表明，相機(jī)的CCD光敏面相對(duì)于設(shè)計(jì)焦平面三維角度偏差分別為Δα=-6.7″，Δβ=1.9′，Δγ=13.2″，三維位移偏差分別為Δx=-0.004 mm，Δy=0.006 mm，Δz=-0.070 mm，相機(jī)四譜段、全視場(chǎng)MTF均優(yōu)于0.25，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和裝調(diào)要求，測(cè)量和解算誤差分析表明，所用的設(shè)備與方法可以滿(mǎn)足裝調(diào)精度要求，相機(jī)外景成像像質(zhì)良好。

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收稿日期:2016-03-16；

修訂日期:2016-04-28

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.61405191)；吉林省科技發(fā)展計(jì)劃青年科研基金資助項(xiàng)目(No.20150520102JH)

文章編號(hào)2095-1531(2016)04-0491-10

中圖分類(lèi)號(hào)：V447+.1； V443+.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

doi:10.3788/CO.20160904.0491

作者簡(jiǎn)介：

梅　貴(1984—)，男，江蘇高郵人，助理研究員，2006年、2009年于清華大學(xué)分別獲得學(xué)士、碩士學(xué)位，主要從事空間遙感器光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究。E-mail：meigui840428@163.com

Focal plane alignment and testing for an off-axis multispectral space borne camera

MEI Gui*, ZHAI Yan, MIAO Jian-yu, PU Qian-shuai, YU Da, ZHANG Bo-yan

(ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China)*Correspondingauthor,E-mail：meigui840428@163.com

Abstract:To meet the requirements of high alignment accuracy for a multispectral camera, a focal plane subassembly is designed. Meanwhile, the instruments, fixtures and methods for alignment and measurement are described. First of all, the focal plane subassembly is mounted to the optics so that deflections and shifts of the CCD photosensitive area related to the image plane could be measured and calculated. According to the results given previously, the removal dimension of adjustment spacers is determined and preliminary modification is applied to the spacers. Thereafter, the focal plane subassembly is remounted. Then, the CCD is fine adjusted to its correct orientation and location, and locating pins are embedded into the spacers to hold this adjustment. Finally, based on the fitted optimum focal plane position, spacers are carefully ground and restored. Thus, the alignment is completed. Test results show that, three-dimensional deflections are Δα=-6.7″, Δβ=1.9′ and Δγ=13.2″ respectively; three-dimensional shifts are Δx=-0.004 mm, Δy=0.006 mm and Δz=-0.070 mm respectively. The Modulation Transfer Functions(MTF) corresponding to four spectra and whole field of view are more than 0.25, which can meet the design and alignment specifications. The measurement and calculation error analysis shows that the equipments and methods can meet the precision requirements and provide technique references for homologous cameras.

Key words:multispectral camera;focal plane;alignment;measurement;Modulation Transfer Function(MTF)

Supported by National Science Foundation of China(No.61405191), Jilin Provincial Project of Science & Technology Development of China(No.20150520102JH)