專利名稱：航天三線陣ccd相機視主點在軌監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于航天衛(wèi)星攝影測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種對航天三線陣CCD相 機視主點變化進行在軌監(jiān)測的方法。
背景技術(shù)：
航天三線陣CCD相機視主點是相機鏡頭主光軸與線陣CCD的交點，是航 天相機的一個重要內(nèi)參數(shù)，直接影響航天衛(wèi)星攝影測量的精度。目前，航天三 線陣CCD相機的視主點位置發(fā)射前在地面實驗室可以通過精確檢定來確定， 但在衛(wèi)星發(fā)射上天后，隨著衛(wèi)星在軌飛行期間由于失重、溫度變化等影響，將 導(dǎo)致航天三線陣CCD相機的視主點產(chǎn)生變化，從而影響測量精度。對于航天 相機視主點在軌運行期間的變化，目前沒有高精度地直接監(jiān)測手段和方法。
航天三線陣CCD的每一對鏡頭和線陣CCD均可能發(fā)生多自由度變化，進 而導(dǎo)致視主點的位置變化。因此，視主點的在軌監(jiān)測屬于多自由度測量。目前， 國內(nèi)外進行多自由度測量的方法不少，比較典型的主要有兩種第一種是將單 一激光束分為多束或直接采用多光源作為測量基準，采用多個光電接收器來接 收產(chǎn)生各維信息的電信號。例如北京交通大學(xué)的馮其波等人提出了四自由度光 學(xué)測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)由兩部分組成，固定部分主要由激光二極管、單模光纖、 透鏡、PBS、平面鏡和兩個探測器組成；可動部分包括1/4波片、分束鏡和角 錐棱鏡。分束鏡把光分成兩部分， 一部分被位置壽丈感元件接收，實現(xiàn)偏擺角和 傾斜角的測量。另一部分被角錐棱鏡反射，最后被四象限探測器接收，實現(xiàn)運 動平臺x,y方向的測量，具體可參見文獻Cuifang Kuang,et al.A four-degree-of畫freedomlaser measurement system(FDMS)using a single-mode fiber-coupled laser module 〔 J 〕 .Sensors and Actuators A，2005,125(1 ):100-108;第二種是對置于被測物體上的特制模型采用視覺檢測 技術(shù)來獲得模型上特征點的視覺信號，而后經(jīng)一定算法獲得被測物體各自由度的信息。例如美國國家宇航局研制的用于測量大間隙磁場懸掛系統(tǒng)中圓柱形模
型位置姿態(tài)的光學(xué)測量系統(tǒng)(OMS )，使用多個線陣CCD對模型表面上相關(guān)的 發(fā)光二極管(LED)目標(biāo)進行掃描，以獲得各特征點的位置坐標(biāo)，再通過計算 求得模型幾何中心的位置姿態(tài)。OMS使用16個線陣CCD和8個LED目標(biāo)， 以保證在^^莫型全量程運動范圍內(nèi)至少對6個LED目標(biāo)的測量分辨力達到0.1個 像素。每2個CCD為1個傳感單元，互相垂直放置，分別產(chǎn)生2個方向的位 移信息，其作用相當(dāng)于1個面陣CCD，具體可參見文獻Sharon S W，James I C,Kevin J S, Walter C D. Optical position measurement for a large gap magnetic suspension system[M]. Hampton,Virginia, 1994.1-53。這些方法均比
較復(fù)雜，受太空工作條件、相機結(jié)構(gòu)和衛(wèi)星載荷等限制，均難以滿足航天三線 陣CCD相機視主點在軌動態(tài)監(jiān)測的要求。另外鏡頭主光軸是虛擬的，視主點 也是虛擬的，這進一步增加了測量的難度。目前所采用的解決以上問題的方法 是利用地面控制點反算間接得到視主點的變化，地面控制點的三維尺寸經(jīng)過精 確測定，將航天相機對該控制點測繪結(jié)果與實際尺寸相比對，推算出實際視主 點的參數(shù)變化。但此方法過程非常繁雜，耗時很長，適用于相機視主點精度的 定期檢查，不能進行實時監(jiān)測，更不適于全球性無地面控制點的衛(wèi)星攝影測量 要求。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種操作簡便、 測量精度高、實時性好的航天三線陣CCD相機視主點在軌監(jiān)測方法。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是；杭天三線陣CCD相機視主點在軌監(jiān)測方法， 步驟如下
(1 )在相機鏡頭上剛性固定激光發(fā)射裝置，在線陣CCD的兩側(cè)對稱剛性 固定第一面陣CCD和第二面陣CCD;
(2 )調(diào)整相機鏡頭的位置，使得相機鏡頭的主光軸穿過線陣CCD的中心； (3 )調(diào)整激光發(fā)射裝置的位置，使得激光發(fā)射裝置輸出的兩路激光相對于主光軸對稱入射至相機鏡頭上并通^目機鏡頭分別透射至第一面陣CCD和第 二面陣CCD上；
(4)將^L主點的變化轉(zhuǎn)換為激光^f象點位置的變化，通過第一面陣CCD上 激光束的成像點在水平和垂直兩個方向的位移變化以及第二面陣CCD上激光 束的成l象點在水平和垂直兩個方向的位移變化確定相枳3見主點的變化量，計算 公式為
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其中，Ax和Ay分別為相才;i^見主點在水平和垂直兩個方向的位移變化量，Aj^ 和A乂分別為第一面陣CCD上激光束的成像點在水平和垂直兩個方向的位移變 化量，A^和Aj^分別為第二面陣CCD上激光束的成像點在水平和垂直兩個方向 的位移變化量。
所述的激光發(fā)射裝置包括半導(dǎo)體激光光源、光纖耦合器和兩個激光準直器， 激光光源發(fā)出的激光經(jīng)光纖送至光纖耦合器，光纖耦合器將傳來的激光進行兩 路分光后分別送至兩個激光準直器得到準直激光后輸出。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于
(1)本發(fā)明方法在相機鏡頭上剛性固定激光發(fā)射裝置，在線陣CCD的兩 側(cè)對稱剛性固定第一面陣CCD和第二面陣CCD。調(diào)整相機鏡頭的位置，使得 相機鏡頭的主光軸穿過線陣CCD的中心，同時調(diào)整激光發(fā)射裝置的位置，使 得激光發(fā)射裝置輸出的兩路激光相對于主光軸對稱入射至相機鏡頭上并通過相 機鏡頭分別透射至第一面陣CCD和第二面陣CCD上。將虛擬的視主點的運動 轉(zhuǎn)換為激光像點位置的變化。通過實時采集第一面陣CCD和第二面陣CCD的 圖像進行處理，處理可以得出激光束的成像點位置，經(jīng)計算可實時得出航天三 線陣CCD相機視主點位置變化，從而實現(xiàn)了視主點變化的高精度實時監(jiān)測， 操作簡便，而且通過簡單的數(shù)學(xué)計算即可得到相機視主點位置的變化，測量精 度高，易于實現(xiàn)；
(2 )本發(fā)明中激光光源采用 一個半導(dǎo)體激光光源發(fā)光經(jīng)光纖耦合器進行兩路分光后分別送至激光準直器得到準直激光后輸出。該方法便于光源的安裝和 調(diào)整，同時會減小激光束漂移的影響，從而提高測量結(jié)果的穩(wěn)定性。
圖1為本發(fā)明監(jiān)測方法的原理示意圖； 圖2為本發(fā)明激光發(fā)射裝置的組成原理圖。
具體實施例方式
如圖1所示，為本發(fā)明監(jiān)測方法的原理示意圖。^使用本發(fā)明的方法對相枳^ 的視主點進行監(jiān)測，需要在相機鏡頭上設(shè)置激光發(fā)射裝置，在線陣CCD上設(shè) 置兩個接收相面。激光發(fā)射裝置必須與相機鏡頭剛性固定，兩個接收相面必須 與線陣CCD剛性固定。
激光發(fā)射裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括激光光源1、光纖耦合器3和兩個 激光準直器4,激光光源1發(fā)出的激光經(jīng)光纖2送至光纖耦合器3,光纖耦合 器3將傳來的激光進行兩路分光后分別送至兩個激光準直器4得到準直激光后 輸出。為了適應(yīng)航天載荷的要求，減輕裝置的體積和重量，在此激光光源1選 用半導(dǎo)體激光光源。
為了不影響相機的在軌正常工作，可以在線陣CCD的兩側(cè)對稱剛性固定 第一面陣CCD和第二面陣CCD作為接收相面，第一面陣CCD和第二面陣CCD 在航天相機成像的視場角外，不影響航天攝影測量。
調(diào)整相機鏡頭的位置，使得相機鏡頭的主光軸穿過線陣CCD的中心。同 時調(diào)整激光發(fā)射裝置的位置，特別是激光準直器4的位置，使得激光發(fā)射裝置 輸出的兩路激光相對于主光軸對稱入射至相機鏡頭上并通過相機鏡頭分別透射 至第一面陣CCD和笫二面陣CCD上。
當(dāng)相機鏡頭和線陣CCD發(fā)生相對變化時，會引起航天相機視主點的變化， 同步導(dǎo)致入射激光和面陣CCD的相對變化，引起面陣CCD上相應(yīng)光斑位置的 變化，實時采集兩路激光光線投射在兩個面陣CCD上的光斑圖像，經(jīng)處理得 到兩個光斑中心在圖像坐標(biāo)系中位置，由變化前后的光斑位置可以求解出航天坤目才;i^見主點的變4b量。
設(shè)o為航天相機的原視主點，坐標(biāo)為(x,力。入射激光光線為A和B，經(jīng)相 才;i^竟頭分別成^^于第一面陣CCD上的P1點和第二面陣CCD上的P2點，P1
像點的坐標(biāo)為(^,jj, P2像點的坐標(biāo)為(X2,A)。
i殳變化后的視主點為o'點，其
坐標(biāo)為(x',力，相對于其原始坐標(biāo)O，力的在水平和垂直兩個方向的位移變化量分
別為A;c和A;;。變化后的兩束光線變?yōu)锳'和B'，分別成像于第一面陣CCD上的
P1'點和第二面陣CCD上的P2'點,坐標(biāo)分別為",,)和0<:2,72), (A,乂)相對于 原始坐標(biāo)(A,力)在水平和垂直兩個方向的位移變化量分別為A^和A^ ， (>2'，72')相 對于原始坐標(biāo)(x2,_y2)在水平和垂直兩個方向的位移變化量分別為Ax2和Ay2 。由于
兩面陣CCD對稱放置在成像線陣CCD的兩側(cè)，根據(jù)幾何關(guān)系可得出相機視主 點o'的變化量為
= (水平方向)，々=M±^ (垂直方向)
2 2 本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1、航天三線陣CCD相機視主點在軌監(jiān)測方法，其特征在于步驟如下(1)在相機鏡頭上剛性固定激光發(fā)射裝置，在線陣CCD的兩側(cè)對稱剛性固定第一面陣CCD和第二面陣CCD；(2)調(diào)整相機鏡頭的位置，使得相機鏡頭的主光軸穿過線陣CCD的中心；(3)調(diào)整激光發(fā)射裝置的位置，使得激光發(fā)射裝置輸出的兩路激光相對于主光軸對稱入射至相機鏡頭上并通過相機鏡頭分別透射至第一面陣CCD和第二面陣CCD上；(4)將視主點的變化轉(zhuǎn)換為激光像點位置的變化，通過第一面陣CCD上激光束的成像點在水平和垂直兩個方向的位移變化以及第二面陣CCD上激光束的成像點在水平和垂直兩個方向的位移變化確定相機視主點的變化量，計算公式為<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>Δx</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>Δx</mi> <mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub> <mi>Δx</mi> <mn>2</mn></msub> </mrow> <mn>2</mn></mfrac><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0001" file="A2009100925440002C1.tif" wi="38" he="8" top= "130" left = "63" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths><maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>Δy</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>Δy</mi> <mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub> <mi>Δy</mi> <mn>2</mn></msub> </mrow> <mn>2</mn></mfrac> </mrow>]]></math> id="icf0002" file="A2009100925440002C2.tif" wi="29" he="8" top= "130" left = "113" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>其中，Δx和Δy分別為相機視主點在水平和垂直兩個方向的位移變化量，Δx1和Δy1分別為第一面陣CCD上激光束的成像點在水平和垂直兩個方向的位移變化量，Δx2和Δy2分別為第二面陣CCD上激光束的成像點在水平和垂直兩個方向的位移變化量。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的航天三線陣CCD相機視主點在軌監(jiān)測方法，其 特征在于所述的激光發(fā)射裝置包括半導(dǎo)體激光光源(1)、光纖耦合器(3) 和兩個激光準直器(4),激光光源(1)發(fā)出的激光經(jīng)光纖(2)送至光纖耦合 器(3),光纖耦合器(3)將傳來的激光進行兩路分光后分別送至兩個激光準 直器(4)得到準直激光后輸出。
全文摘要
航天三線陣CCD相機視主點在軌監(jiān)測方法，在相機鏡頭上剛性固定激光發(fā)射裝置，在線陣CCD的兩側(cè)對稱剛性固定第一面陣CCD和第二面陣CCD。調(diào)整相機鏡頭的位置，使得相機鏡頭的主光軸穿過線陣CCD的中心，同時調(diào)整激光發(fā)射裝置的位置，使得激光發(fā)射裝置輸出的兩路激光相對于主光軸對稱入射至相機鏡頭上并通過相機鏡頭分別透射至第一面陣CCD和第二面陣CCD上。通過第一面陣CCD上激光束的成像點在水平和垂直兩個方向的位移變化以及第二面陣CCD上激光束的成像點在水平和垂直兩個方向的位移變化可以確定相機視主點的變化量。本發(fā)明采用非接觸測量方法，不影響相機的正常工作，實現(xiàn)了視主點變化的微米級高精度測量。
文檔編號G01C11/00GK101644570SQ20091009254
公開日2010年2月10日 申請日期2009年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月17日
發(fā)明者劉力雙, 勇 呂, 宗云花, 段維宏, 郎曉萍, 高衛(wèi)軍 申請人:北京空間機電研究所;北京信息科技大學(xué)