测绘相机光学镜筒设计、加工及装配

研究了光学镜筒的设计、加工和装配。从材料选取、结构形式确定和性能分析等方面论述了测绘相机光学镜筒的设计过程,探讨了透镜支撑结构-薄壁壳体的加工方法。最后,介绍了单镜组和主镜筒的装配过程。通过比较,选取铸钛合金ZTC4作为镜筒的材料,采用单镜组加筋壳结构的组合形式,运用PATRAN/NASTRAN软件对主镜筒的分析表明其结构强度和刚度很好,可满足相机结构要求。薄壁壳体通过精密铸造,再经过车削而成,各定位阶梯内圆柱面同轴度达到0.01 mm。镜筒装配要点是无变形安装固定透镜、精确控制空气间隔和高精度定心。装配完成的镜头光学传递函数达到0.43(77 lp/mm),满足测绘相机精度要求。

测绘相机焦平面CCD交错拼接中重叠像元数计算

针对采用焦平面CCD交错拼接方式的测绘相机会由于存在交会角而产生视场拼接漏缝问题,本文在考虑交会角和相机无侧摆的前提下提出了一种焦平面CCD重叠像元数算法。首先,根据测绘相机成像原理建立了前视相机成像模型,分析了产生视场漏缝的原因。接着,推导出在CCD数量为奇数和偶数两种不同拼接形式下的地面视场重叠及漏缝大小的数学表达式,进而得到了不产生漏缝时CCD片间最小重叠像元数计算公式,并对误差进行了分析。最后,将该算法应用于工程算例,并对比了地球曲率对计算结果的影响。通过算例得到了各CCD片间视场漏缝及最小重叠像元数,其最大值分别为1 141.491μm,115个。应用本文方法可以近似计算应用交错拼接法的测绘相机焦平面前后排CCD的最小重叠像元数,误差小于1pixel。

三线阵CCD立体测绘相机结构实现技术

分析了三线阵CCD立体测绘相机工作原理,设计了一种可工程化实施的测绘相机光机结构,此结构由3台相机互成角度装入测绘基座构成。单相机采用像方远心亚对称光学系统,由单镜组装入薄壁壳体的镜头、基于凸轮导向结构的调焦机构、基准镜和成像电器盒构成。测绘基座为测绘相机的高稳定支撑结构,采用7个筒单元、3个板单元与底座交错形成有机一体的结构形式。星敏支架为星敏感器的安装结构,采用3个筒单元和一个圆锥单元相贯而成一体的结构形式。运用PATRAN/NAS-TRAN软件对测绘相机进行工程分析表明,测绘相机组合体的强度和刚度好,满足航天光学遥感器的要求。振动试验结果表明,测绘相机一阶固有频率大于100 Hz,不会与整星产生共振;通过各种环境试验后,相机间基准镜坐标系变化小于4",测绘相机测量坐标系变化小于5"。通过在轨运行表明,测绘相机结构稳定,满足测绘精度要求。

传输型立体测绘相机的调焦机构设计

提高立体测绘相机地面像元分辨率和地面目标的定位精度,相机需设计调焦环节用以补偿CCD靶面的离焦量。本文根据立体测绘相机光学结构的特点以及相机的焦深,设计了一种基于凸轮导向的调焦机构。在设计中采用了可靠性设计和消空回措施,以保证结构的强度和刚度以及调焦精度。对传动误差的分析及精度验证试验表明:该调焦机构的传动误差为±1.71μm;CCD靶面的直线性精度在X方向为11.2″、Y方向为11.8″;在调焦行程内CCD靶面绕光轴旋转4.7″,满足用户提出的精度要求。

离轴三反航天测绘相机像移对成像质量的影响

对离轴三反测绘相机的像移模型进行了必要的修正以获得高的测绘精度。对两线阵离轴三反航天测绘相机进行建模,推导了考虑地球曲率的斜视和后视相机的像移速度和偏流角计算公式。以交会角为25°的离轴三反航天测绘相机为例,分析了斜视相机以正视为准调整行周期和偏流角,以及兼顾正视、斜视相机调整偏流角时,像移速度匹配残差和偏流角调整残差对图像质量的影响。分析结果表明,以调制传递函数下降5%为约束,当积分级数大于5时,应分别调整斜视和正视相机的行周期;按正视相机调整斜视相机的偏流角时,积分级数应取71以内;若兼顾正视、斜视相机调整偏流角,当积分级数为96时,对正视、斜视相机的成像质量无本质影响。

三线阵测绘相机交会角在轨监测可行性分析

卫星发射和在轨运行期间,三线阵测绘相机交会角受环境影响会发生变化,从而制约了测绘精度。与现有通过地面控制点反算补偿的方法相比,三线阵测绘相机交会角在轨监测是以上问题实时直接的解决方案,也是无地面控制点摄影测量的关键技术。但其理论上涉及多达36个自由度变化,难以直接实现。为此建立了包含全部自由度变化的测绘相机整体数学模型,推导出完整的相机交会角表达式。进一步基于对各参量影响程度的分析完成了自由度约简,得到简化的相机交会角表达式,并通过仿真验证了简化的合理性,各自由度参量在[0,200μm/(″)]变化范围内,简化误差小于0.05″。分析结果表明:只要重点监测5个关键自由度变化就可以实现三线阵测绘相机交会角的监测,从而大幅降低了系统的复杂程度并使在轨监测成为可能。

三线阵立体测绘相机热控系统的设计

为了保证测绘相机的正常工作和测绘精度,针对测绘相机的特点设计了热控系统,并对该系统进行了热平衡试验验证。首先,对测绘相机所处的热环境进行了分析,对测绘相机窗口的外热流进行了计算。然后,对测绘相机的各个部分进行了热设计;采用被动热控措施控制相机的温度水平,降低测绘相机系统对外部热环境变化的灵敏度;采取主动热控措施进行温差补偿,减小相机的轴向和对径温差。最后,根据测绘相机的热环境和各种工作模式设计了3种极端试验工况,进行了热平衡试验。试验结果表明,在热控系统工作的情况下,测绘相机系统在各种工况下温度波动在(18±2)℃之内,且轴向温差<4℃,径向温差<0.5℃,测绘基座的温度在(18±3)℃之内。得到的结果能够满足测绘相机系统的需求。

大视场三线阵航空测绘相机光学系统设计

针对大视场、高分辨率、低畸变和环境适应性要求高的三线阵航空测绘相机光学系统设计要求,开展新型光学系统结构形式设计:首先,根据总体方案要求以及稳定平台安装特点,确定了单镜头的技术方案;接着,分析计算了光学系统各项指标参数,光学系统拉氏不变量达到9.5;然后,对比分析了非像方远心光路、像方远心光路和准像方远心光路的结构形式;最后,设计了一种航空环境适应性良好的双高斯复杂化失对称准像方远心光学系统结构形式。设计的光学系统成像质量好,在全色谱段内的Nyquist频率为100lp/mm,全视场调制传递函数均优于0.36;分别在R、G、B谱段的Nyquist频率为50lp/mm,全视场调制传递函数均优于0.6。光学系统全视场最大相对畸变优于0.1%,在均匀温度0~40℃范围内,全色谱段调制传递函数优于0.3。实验室鉴别率板测试结果表明,相机静态分辨率达到102lp/mm;飞行验证试验结果表明,相机摄影分辨率达到0.16m@2km航高。光学系统设计完全满足大视场三线阵航空测绘相机环境适应性和分辨率的要求。

长焦距离轴三反测绘相机的外场立体成像

在地面模拟了长焦距、宽视场离轴三反光学系统的在轨立体成像,通过对图像的数据处理和分析,验证了离轴三反测绘相机在轨立体成像的可行性。提出了长焦距离轴三反测绘相机外场立体成像的单点成像方法。在该方法中,单台离轴三反相机通过旋转转台对靶标成像,根据规划的相机交会角旋转靶标,并精确测量出靶标的旋转角度,通过靶标的旋转来模拟两线阵相机的相机夹角。在外场立体成像中,根据轨道高度、外场立体成像的物距及理论设计需达到的高程精度和平面精度设计地面靶标。最后,对成像方式进行处理,验证了离轴三反测绘相机立体成像的可行性;对提出的外方位元素、两相机最佳夹角的测量方法进行了精度分析。该单点成像方法具有实用价值,可用于长焦距离轴三反测绘相机在轨立体成像的可行性验证。

测绘相机的温度适应性

分析了温度对三线阵测绘相机传递函数和交会角的影响,通过热光学计算确定了测绘相机的热控指标。首先,在设定测绘相机热载荷状态的基础上,用有限元方法分析了温度场及热弹性变形;利用Zernike多项式进行波面拟合,代入光学软件考察温度对光学系统传递函数的影响,得到测绘相机光学传递函数在假定温度场作用下的下降系数。然后,进行了测绘基座的热尺寸稳定性分析,并在此基础上考察了温度对测绘相机交会角的影响。实验显示,上述分析避免了热控设计的过设计或设计不足,为制定合理的热控设计指标提供了数据依据。

测绘相机在轨空间交会角变化的计算

由于测绘相机在轨空间交会角在5″内变化才能保证数据的可靠传输,本文研究了测绘相机交会角变化的计算方法。首先,利用I-deas软件计算了测绘相机在极端高温和低温两种工况下的温度场。然后,将计算得到的温度场作为温度载荷施加给结构模型,实现了由温度网格到结构网格的温度映射,即简单有限元模型到复杂有限元模型温度载荷的映射;计算了测绘相机的热弹性变形,得到了光学元件中心点变形量。最后,利用自编的软件计算了在两种极端温况下正视和后视相机的在轨交会角变化。结果表明,测试相机在高温和低温工况下空间交会角的变化在5″范围内。该计算方法可得到空间相机交会角的变化量,计算数据可为测绘相机光机结构设计和热控方案的制定提供数据保障。

线阵-面阵CCD三线阵立体测绘相机焦平面组件的研制

介绍了线阵-面阵CCD(LMCCD)制式相机的相关原理,提出实现LMCCD相机的关键在于相机焦平面组件的研制。给出了LMCCD相机焦平面组件在研制过程中的关键技术,如LMCCD像面基板与CCD的高精度拼接,焦平面组件电子学部分的低噪声、高集成度设计,焦平面组件在真空环境下的热噪声抑制和热传导设计,以及焦平面组件的装配和焊接等。最后,给出了研制和测试结果。LMCCD拼接的共面精度优于5μm,平移量和平行度均优于2μm;在典型工作情况下,实验室测试信噪比优于90;在15min的工作周期下,焦面组件的温度控制在30℃以下。这些结果满足LMC-CD制式相机关于CCD拼接、焦面温度控制和信噪比的要求。

机载立体测绘相机滚转轴伺服系统的辨识与设计

从时域和频域两方面研究了机载立体测绘相机三轴稳定平台中旋转行程较小的滚转轴伺服系统的辨识与设计问题。在时域方面提出了一种基于遗传算法的辨识方法,讨论了遗传算法的原理与设计;在频域方面提出了一种根据闭环频率特性测量数据求取系统开环频率特性的方法,解决了滚转轴伺服系统由于旋转行程狭小而引起的开环频率特性难以直接测量的困难。根据辨识出的传递函数进行校正后,控制系统满足设计要求。实验结果证明,与传统方法相比,本文使用的方法在测量条件较为苛刻,行程范围较小,噪声较大时,辨识结果仍然可以较好地描述系统特性。校正后控制系统的闭环带宽可以达到121 rad/s,稳定裕度为60°,满足工程要求。

三线阵立体测绘相机高精度调焦技术及实现

三线阵CCD立体测绘相机既要保证清晰成像,还要保证内方位元素测定精度要求。简要分析了立体测绘对调焦系统精度的要求,给出了导轨副调焦方案和凸轮驱动调焦方案,并设计了凸轮调焦机构以及控制单元。该系统结构紧凑,稳定可靠。通过实验表明,该调焦系统到位重复性精度小于±11μm,调焦运动引起的线阵CCD旋转误差小于5″,直线性误差小于8″,并且满足空间环境条件下立体测绘的使用要求。

三线阵测绘相机热光学试验交会角测试系统

对三线阵测绘相机热光学试验交会角测试机理进行了研究,设计了试验测试系统,提出了一种空间交会角定量测量方法。针对测绘相机热光学试验阐述了对热真空试验设备和光学测量场等测试系统的要求,特别是平行光管的改造和特种分划板的要求。同时,描述了进行三线阵测绘相机热光学试验前的准备工作。利用LabVIEW软件编制数据采集系统,采用定量测量法对三线阵测绘相机交会角进行了测量。结果显示,测试相机在工况转变后交会角的变化在1″以内,表明该测量方法可以准确得到相机交会角的变化量,测量数据对三线阵立体测绘相机在轨测量及地面影像分析提供了可靠的依据。

三线阵CCD立体测绘相机的集成装调

考虑几何精度对三线阵CCD立体测绘相机测绘精度的影响,研究了测绘相机组合体的装调方法以建立和保证相机的空间几何关系。首先,介绍了测绘相机组合体的结构和坐标系的定义;其次,提出了各基准立方镜和相机的装调要求;最后,确定了多相机集成装调流程,重点介绍了测绘相机的装调步骤。装调结果表明:各相机的光学传递函数>0.2,畸变<0.03%,测绘相机的空间几何关系满足要求,提出的集成装调技术有效地保证了测绘相机的空间几何关系。

基于等效成像模型的立体测绘相机成像信噪比分析

为了评价立体测绘相机的成像质量和辐射性能,对相机成像信噪比特性进行了研究。通过对成像电路信号转换过程及各种噪声影响进行分析,建立了相机成像电路等效成像模型;根据立体测绘相机成像电路的工作状态对成像电路的输出信号、增益及各种噪声进行分析;利用相机的工程参数对立体测绘相机成像信噪比进行了分析计算;并对立体测绘相机进行实验室辐射定标测试。计算结果表明相机在4.33 W.m-2.sr-1、12.47 W.m-2.sr-1和40.41 W.m-2.sr-1这3种辐亮度条件下相机成像信噪比分别达到68倍、134倍和245倍。计算结果与实验结果最大相差4.4%,小于实验室绝对辐射定标精度7%。分析结果表明成像电路等效输出模型和成像信噪比计算方法是完全正确的,可以应用于立体测绘相机成像质量评价。

测绘相机坐标系与立方镜转换矩阵的标定

介绍了一种测绘相机坐标系与立方镜之间关系的标定方法。对两坐标系的转换矩阵、标定方法和标定精度进行研究。推导了两坐标系的关系,建立了坐标系间的转换矩阵。利用高精度二维转台、0.5″经纬仪和平行光管完成了测绘相机与相机立方镜坐标系之间的角度测量。最后,对标定精度进行了分析。误差分析结果表明:该方法的标定精度优于2″(1σ),可以满足测绘相机坐标系与立方镜转换关系的标定要求,具有实用价值。

离轴三反测绘相机调焦机构的设计

针对测绘相机对相机成像质量和内方位元素稳定性的要求,在分析3种调焦方式特点的基础上,确定了符合离轴三反测绘相机需要的调焦方式。设计了滚珠丝杠驱动的直线导轨式调焦机构,计算得到调焦机构的灵敏度为0.2μm。对该调焦机构进行了精度检测和试验验证,结果显示其指向精度<2″,定位精度<3μm。得到的结果表明:该空间调焦机构具有结构紧凑、刚度高、位移精度好等特点,能够满足离轴三反测绘相机的调焦要求。

影响测绘相机匹配精度的辐射指标量化

考虑测绘相机的辐射指标对影像匹配精度的影响,对相机辐射指标的量化进行研究,建立了辐射指标与影像匹配精度之间的关系模型,为确定测绘相机辐射指标提供理论支持。推导出了最小二乘影像匹配精度的计算模型,提出影响匹配的主要因素,包括成像场景特性、传递函数(MTF)、信噪比(SNR)与辐射畸变(RD);对上述因素产生的像质退化进行建模与仿真,结合最小二乘匹配以及遗传算法的BP神经网络模型(GABPNN)建立辐射指标与匹配精度之间的数值模型;最后利用仿真与在轨获取的遥感影像数据验证模型。试验结果表明,该模型估算精度<0.01pixel。利用该模型在匹配误差<0.1pixel的测绘需求下,分析出相机的辐射指标应满足MTFN>0.08、SNR>45以及RD<4%。