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。

三线阵CCD立体测绘相机杂光的消除

针对三线阵CCD立体测绘相机的光学系统结构,阐述了杂光的来源和其对相机成像的影响.遮光罩采用碳纤维复合材料,沿着相机的视场角合理设计了挡光片的位置和数量,并喷涂光谱吸收率高达98%的消杂光黑漆;保证透镜安装和装调空间为前提,充分利用支撑筒、压圈和镜框结构,沿着入射光线边缘设计有效的挡光片,结构件整体黑色阳极化处理,支撑筒内壁与镜框和压圈配合区喷涂消杂光黑漆;像面组件除了进行必要的涂层处理外,结构上应避免使用通孔,否则通孔后的非结构件无法进行有效地涂层处理;测绘相机镜头杂光系数检测采用积分球和准直物镜的检测方法,第2批次中3支镜头的杂光系数均低于5%;镜头杂光系数检测结果以及在轨获取的图像情况,表明三线阵CCD立体测绘相机的杂光控制措施得当,基本消除了杂光对相机成像质量的影响,具有一定的工程应用价值.

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。

三线阵立体测绘相机光学系统设计

光学系统结构决定了CCD相机的外形尺寸和布局,为保证相机的小型化、轻量化及稳定性,本文针对光学系统设计指标的要求,分析、比较了折射式、反射式及折反射式等光学系统的结构型式,综合考虑相机的空间环境适应性和结构布局等因素,采用像方远心光路,设计了一种兼具匹兹瓦型与对称型优点的新型光学系统结构。设计的光学系统成像质量好,在Nyquist频率为77lp/mm时,正视相机全视场的平均传递函数为0.613,前、后视相机全视场的平均传递函数为0.578;正视相机畸变为2×10-5,前、后视相机畸变为2.4×10-5。装调完成后对光学系统成像质量进行了检测,各相机光学系统传递函数的测试值均在0.451以上,满足实验室静态传递函数>0.2,相对畸变<3×10-4的指标要求。

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。

三线阵立体测绘相机构像及误差模型的建立

为了满足立体测绘系统的定位精度要求,在三线阵立体测绘相机研制基础上,通过建立三线阵立体测绘相机实用构像模型,确立被探测地面点在地面坐标系中的坐标与其像点在CCD坐标系中的坐标以及在统一的像平面坐标系中的坐标之间的数学关系式;并在此基础上,推导了三线阵立体测绘实用误差模型,分析影响系统定位精度的主要误差源,并根据相机参数进行综合定位精度分析,结果表明该系统可达到无控定位精度50m的精度要求,同时验证了构像模型及误差模型的正确性。

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。

基于“嫦娥”卫星三线阵CCD立体相机的月球表面三维建模

"嫦娥"卫星三线阵CCD立体相机是实现月表地形观测的重要荷载,其以前、正、后视3种视角对月表进行连续扫描,获得南、北纬70°范围内3种不同倾角的二维推扫影像。在无月面控制点、卫星位置和姿态数据的条件下,基于数字摄影测量理论提出一种建立月表三维模型的方法:通过影像匹配获得前、正、后视二维推扫影像中的立体像对的像点坐标,在此基础上结合用准控制点后方交会解得的嫦娥卫星的空间位置和姿态数据,通过前方交会的方法解算出像元对应月面点的月球表面数字高程模型(DEM)径向高度数据,进而得到月表高程拟合模型、等高线分布图等,实现月表三维模型的建立。

两线阵CCD相机几何指标差异对立体测绘的影响

为了准确、全面地揭示相机几何指标在立体测绘中的误差传播规律,研究了两线阵CCD相机几何指标差异与定位准确度之间的关系.针对两线阵立体测绘特点,分析了影响测绘定位的几何指标差异参量.在前方空间交会地面点计算公式的基础上,推导并建立了两线阵相机定位准确度模型,据此研究了内方位元素标定误差间的几何指标差异对定位准确度的影响规律.结果表明:主点位置x方向误差间的差异对定位准确度影响显著,当其值从1μm增至2.5μm时,定位准确度明显下降了60%,焦距f误差间的差异对定位准确度的影响几乎可忽略.本文所建立的模型与相关研究结论对两线阵CCD相机指标的量化与优化设计具有重要指导意义.

应用地球椭球的三线阵立体测绘相机像移补偿

分析了三线阵立体测绘相机成像原理,针对三线阵立体测绘相机在对地成像过程中存在的前视、正视和后视相机像移速度和偏流角的差异,推导了基于地球椭球的前视、正视和后视相机像移速度和偏流角计算公式。以某三线阵立体测绘相机为例,选取WGS84地球椭球模型,分析了前视相机和后视相机都以正视相机为准调整行周期和偏流角时,像移速度匹配残差和偏流角残差对像质的影响。分析及实验结果表明,以调制传递函数下降5%为约束,当积分级数>2时,应分别调整前视、正视和后视相机的行周期;按正视相机调整前视相机和后视相机的偏流角时,积分级数应取40级以内。

三线阵立体测绘相机光学镜头的设计

为了提高测绘相机的立体测绘定位准确度,设计了一种透射式像方远心光路的光学镜头,并阐述了基于可测性设计的单镜组以及整镜头的装调理念.本文设计的光学镜头传函为0.45(@77lp/mm);地面分辨率为5m;畸变为3/10000.检测及试验结果表明,各参量能够满足用户提出的指标要求.

三线阵立体测绘相机时间系统优化与实时检测

为了提高三线阵立体测绘相机的时间同步精度,对相机时间系统工作原理进行了分析,建立了三线阵立体测绘相机的相机时间同步误差模型,并根据该模型采取缩短行同步计数器查询周期等多项措施对相机时间系统进行优化。针对相机时间同步误差在摄影过程中会随相机控制器工作时序变化这一现象,提出了一种实时检测相机时间同步精度的方法,用于实时检测并全程记录摄影过程中相机时间同步误差的动态变化,解决了常规仪器由于存储深度不足而无法长期检测这一难题。利用该方法检测了优化后的三线阵立体测绘相机时间系统的时间同步精度,结果表明,摄影过程中三线阵立体测绘相机的时间同步误差≤74.8μs,相机时间同步误差绝对值≤11.2μs的概率不低于0.95,满足技术指标要求。

三线阵立体测绘相机高精度时间同步设计方法

为保证图像定位精度,三线阵立体测绘相机需要具有高精度的时间同步功能,研究了一种时间同步设计方法。以GPS硬件秒脉冲信号做为时间基准,结合总线广播的整秒时刻信息以及相机内部计时器数据来记录成像时刻。详细描述了时间信息产生链路上各部分的设计,通过这种硬件和软件相结合的办法,解决了时间基准和时间精度的问题,实现了三线阵立体测绘相机与整星的高精度时间同步,为图像后期地面处理提供了有力的保障。经过实验验证,三线阵立体测绘相机的时间同步精度为优于15μs,满足图像测绘精度的要求。

一种三线阵测绘相机CCD像面的装调方法

为了保证三线阵测绘相机装调后相机之间的空间位置关系,保证三线阵测绘相机应用时的测绘精度和图像质量,对三线阵测绘相机CCD像面的装调方法进行研究。首先,根据测绘精度和图像质量的要求,明确了三线阵测绘相机的装调指标。其次,确定了装调方案,对装调要点进行了叙述,为三线阵测绘相机的装调提供了一种装调方法。实际装调检测结果表明,应用该方法可以将相机之间空间位置关系安装到α≤3"、β≤5"、γ≤5"。该方法可以满足三线阵测绘相机之间的空间位置关系装调,具有实际应用价值。

三线阵立体测绘相机交会角及线阵平行性装调测试技术研究

新一代航天立体测绘相机采用三线阵体制获取地面景物图像与高程信息,用于实施无地面控制点条件下的大比例尺定位与测图,其中三线阵相机交会角与线阵平行性装调误差直接影响定位与测图精度。结合立体测绘相机研制需求,对现有交会角与线阵平行性装调测试方法进行改进,提出采用高精度转台、大口径自准直平行光管构成测量系统,对三线阵坐标系进行归一化,可一次同步装调三线阵相机间交会角及线阵平行性。分析测试结果表明,经改进后,相机交会角测试精度优于1″(1σ),线阵CCD平行度测试精度优于3″(1σ)。实际装调结果证明,相机交会角和线阵平行性的装调测试精度得到了显著提高,改进后的装调测试方法可以满足1:1万比例尺两线阵立体测绘相机的工程研制需求。

三线阵立体测绘相机图像对时系统设计与实现

为了满足摄影测量对三线阵立体测绘相机图像对时精度的要求,设计并实现了三线阵立体测绘相机图像对时系统。首先,描述了三线阵立体测绘相机时间同步原理。然后,根据时间同步原理,对三线阵立体测绘相机图像对时系统进行了总体设计,并详述了本地时间系统建立过程及图像对时信息生成过程。最后,对三线阵立体测绘相机图像对时系统进行了验证,分析了误差链路对系统的影响,并测试了图像对时系统的误差。实验结果表明:图像对时系统的时间精度优于21 us。三线阵立体测绘相机图像对时系统满足摄影测量对时间精度的要求。

三线阵立体测绘卫星的测绘精度分析

为满足立体测绘卫星的设计要求,通过构建三线阵CCD影像的摄影测量估算模型,对三线阵CCD影像的立体测绘精度进行分析,研究了影响立体测绘精度的主要误差源.进而,依据立体测绘的精度要求,对卫星设计中所涉及的有关主要误差源,如GPS定位系统、姿态测量与控制系统、时统以及相机有效载荷系统,提出了相关的技术要求和保证测绘精度所应采取的技术措施.

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CCD相机亚像元精度几何标定方法研究

为了解决三线阵CCD立体测绘相机内方位元素的几何标定问题,提出了一种实现相机亚像元精度内方位元素和交会角标定的方法。该方法利用光学高精度角度发生器和CCD细分测量相结合的检测方法,由最小二乘回归分析,实现相机内方位元素的标定,并通过扫描星点图像标定交会角。校飞实验的数据处理结果验证了该方法的有效性。

国产机载大视场三线阵CCD相机GNSS偏心矢量和IMU视轴偏心角标定技术

针对国内首台自主研制的机载三线阵CCD相机(以下简称GFXJ),开展了国产GFXJ的GNSS偏心矢量和IMU视轴偏心角标定技术研究工作。首先介绍了GFXJ相机的成像特点,然后分析建立了GFXJ的GNSS偏心矢量标定模型和IMU视轴偏心角标定模型,并提出了GNSS偏心矢量和视轴偏心角循环两步法标定方案,最后在国家嵩山遥感综合实验场获得了多次飞行试验数据。通过进行区域网平差和标定处理,验证了本文建立的GNSS偏心矢量标定模型和IMU视轴偏心角标定模型的正确性和有效性,证实了本文提出的循环两步法标定方案可靠、可行,可显著提升GFXJ的几何定位精度。利用GNSS偏心矢量和IMU视轴偏心角标定值,大幅提高了GFXJ相机的无控定位精度。辅以少量控制点进行区域网平差,GFXJ影像平面定位精度可满足1∶1000地形图测图的空中三角测量精度要求,高程精度距离指标要求略有差距。目前该款相机仍在校飞阶段,定型后几何性能有望进一步提高。同时,本文建立的GNSS偏心矢量标定模型和IMU视轴偏心角标定模型及提出的循环两步法标定方案,可为其他机载线阵CCD相机的标定处理提供借鉴。