CN101498588A - 航天三线阵ccd相机镜头间6自由度变化在轨监测方法 - Google Patents

Abstract

航天三线阵CCD相机镜头间6自由度变化在轨监测方法，在相机镜头A上刚性固定激光发射接收装置，包括激光光源、光纤耦合器、激光准直器、半透半反镜和第一面阵CCD，在相机镜头B上刚性固定激光反射接收装置，包括平面反射镜、第二面阵CCD和第三面阵CCD，光纤耦合器对激光光源发出的激光进行三路分光，而后分别经激光准直器准直输出，其中两路分别直接投射到激光反射接收装置的两个面阵CCD相机上，一路经平面镜反射到激光发射接收装置的单个面阵CCD相机上。通过面阵CCD上光斑位置的变化求解出航天相机镜头间的3个旋转自由度和3个平动自由度变化。本发明采用非接触测量方法，不改变航天相机结构，安装调整方便，结构紧凑，可在轨工作。

Description

航天三线阵CCD相机镜头间6自由度变化在轨监测方法

技术领域

本发明属于航天卫星摄影测量技术领域，涉及一种对航天三线阵CCD相机镜头间的6自由度变化进行在轨监测的方法。

背景技术

航天三线阵CCD相机镜头间的相对位置关系是一个重要参量。镜头间相对6自由度变化包括3个平动自由度和3个转动自由度，需要分别测量。目前航天三线阵CCD相机镜头间的相对位置关系只能通过卫星发射前在地面实验室精确检定来确定，但是在卫星发射上天后，随着卫星在轨飞行期间由于失重、温度变化等影响，将导致航天三线阵CCD相机镜头间相对位置关系产生变化，由此导致相机内方位元素发生变化，从而影响最终的航天卫星摄影测量精度。航天三线阵CCD的每一对镜头间均可能发生多自由度变化，进而导致镜头间相对位置关系发生变化。因此，相机镜头间位置变化的监测是一个多自由度测量问题。

目前，国内外进行多自由度测量的方法不少，归纳起来主要有两种：第一种是将单一激光束分为多束或直接采用多光源作为测量基准，采用多个光电接收器来接收产生各维信息的电信号。例如北京交通大学的冯其波等人提出了四自由度光学测量系统。该系统由两部分组成，固定部分主要由激光二极管、单模光纤、透镜、PBS、平面镜和两个探测器组成；可动部分包括1/4波片、分束镜和角锥棱镜。分束镜把光分成两部分，一部分被位置敏感元件接收，实现偏摆角和倾斜角的测量。另一部分被角锥棱镜反射，最后被四象限探测器接收，实现运动平台x，y方向的测量，具体可参见文献Cuifang Kuang，et al.Afour-degree-of-freedom laser measurement system(FDMS)using asingle-mode fiber-coupled laser module〔J〕.Sensors and ActuatorsA，2005，125(1)：100-108；第二种是对置于被测物体上的特制模型采用视觉检测技术来获得模型上特征点的视觉信号，而后经一定算法获得被测物体各自由度的信息。例如美国国家宇航局研制的用于测量大间隙磁场悬挂系统中圆柱形模型位置姿态的光学测量系统(OMS)，使用多个线阵CCD对模型表面上相关的发光二极管(LED)目标进行扫描，以获得各特征点的位置坐标，再通过计算求得模型几何中心的位置姿态。OMS使用16个线阵CCD和8个LED目标，以保证在模型全量程运动范围内至少对6个LED目标的测量分辨力达到0.1个像素。每2个CCD为1个传感单元，互相垂直放置，分别产生2个方向的位移信息，其作用相当于1个面阵CCD，具体可参见文献Sharon S W，James lC，Kevin J S，Walter C D.Optical position measurement for a large gapmagnetic suspension system[M].Hampton，Virginia，1994.1-53。这些方法均比较复杂，受太空工作条件、相机结构和卫星载荷等限制，难以满足航天三线阵CCD相机镜头间相对位置关系变化在轨动态监测的要求。目前所采用的解决以上问题的方法是利用地面控制点反算间接得到镜头间相对位置关系的变化，地面控制点的三维尺寸经过精确测定，将航天相机对该控制点测绘结果与实际尺寸相比对，推算出实际的镜头夹角等参数，由此得到相对位置变化。但此方法过程非常繁杂，耗时很长，适用于相机镜头间夹角精度的定期检查，不能进行实时监测，更无法满足全球性无地面控制点的卫星摄影测量要求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种操作简便、测量精度高的航天三线阵CCD相机镜头间6自由度变化在轨监测方法。

本发明的技术解决方案是：航天三线阵CCD相机镜头间6自由度变化在轨监测方法，步骤如下：

(1)在相机镜头A上刚性固定激光发射接收装置，所述激光发射接收装置包括激光光源、光纤耦合器、激光准直器、半透半反镜和第一面阵CCD，光纤耦合器对激光光源发出的激光进行三路分光，三路分光再分别经过激光准直器得到准直输出激光；

(2)在相机镜头B上刚性固定激光反射接收装置，所述激光反射接收装置包括平面反射镜、第二面阵CCD和第三面阵CCD；

(3)调整半透半反镜、平面反射镜、第一面阵CCD、第二面阵CCD和第三面阵CCD的位置，保证第二面阵CCD和第三面阵CCD在同一平面内，同时使得三路准直输出激光中的一路激光穿过半透半反镜到达平面反射镜，而后经平面反射镜反射回半透半反镜并经半透半反镜反射至第一面阵CCD上，另外两路激光分别射向第二面阵CCD和第三面阵CCD，两路激光的反向延长线应交于一点；

(4)通过第一面阵CCD上激光束的成像点在水平和垂直两个方向的位移变化可以确定相机镜头A相对于相机镜头B的两个转动自由度的变化量；

(5)通过第二面阵CCD或第三面阵CCD上激光束的成像点的位移变化可以确定相机镜头A相对于相机镜头B的第三个转动自由度的变化量；

(6)利用步骤(4)和步骤(5)中得到的旋转角度，得到描述镜头间旋转变化的旋转矩阵R；

(7)利用步骤(6)中得到的旋转矩阵并结合第二面阵CCD和第三面阵CCD上光斑的位置坐标，基于坐标变换列解方程组，得到相机镜头A相对于相机镜头B的三个平动自由度的变化量。

所述步骤(4)中利用成像点在水平和垂直方向的位移确定两个转动自由度的变化量的方法为：采用公式 ${\mathrm{\θ}}_x=\frac{1}{2}\mathrm{arctg}\left(\frac{-\mathrm{\Δz}}{S}\right)$ 和 ${\mathrm{\θ}}_y=\frac{1}{2}\mathrm{arctg}\left(\frac{-\mathrm{\Δx}}{S}\right)$ 计算，式中Δz和Δx分别为第一面阵CCD上激光束的成像点在垂直和水平方向的位移，S为激光束从平面反射镜成像至第一面阵CCD上时经过的距离。

所述步骤(5)中利用成像点的位移确定第三个转动自由度的变化量的方法为：采用公式θ_z＝arcsin((Δx_u-Δx_d)/D)计算，式中Δx_u和Δx_d分别为第二面阵CCD上激光束的成像点和第三面阵CCD上激光束的成像点的位移，D为第三转动自由度运动前第二面阵CCD上激光束的成像点和第三面阵CCD上激光束的成像点之间的距离。

所述步骤(6)中得到的旋转矩阵R的矩阵形式为：

$R=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_y\cos {\mathrm{\θ}}_z& \cos {\mathrm{\θ}}_x\sin {\mathrm{\θ}}_z+\sin {\mathrm{\θ}}_x\sin {\mathrm{\θ}}_y\cos {\mathrm{\θ}}_z& \sin {\mathrm{\θ}}_x\sin {\mathrm{\θ}}_z-\cos {\mathrm{\θ}}_x\sin {\mathrm{\θ}}_y\cos {\mathrm{\θ}}_z\\ -\cos {\mathrm{\θ}}_y\sin {\mathrm{\θ}}_z& \cos {\mathrm{\θ}}_x\cos {\mathrm{\θ}}_z-\sin {\mathrm{\θ}}_x\sin {\mathrm{\θ}}_y\sin {\mathrm{\θ}}_z& \sin {\mathrm{\θ}}_x\cos {\mathrm{\θ}}_z+\cos {\mathrm{\θ}}_x\sin {\mathrm{\θ}}_y\sin {\mathrm{\θ}}_z\\ \sin {\mathrm{\θ}}_y& -\sin {\mathrm{\θ}}_x\cos {\mathrm{\θ}}_y& \cos {\mathrm{\θ}}_x\cos {\mathrm{\θ}}_y\end{array}\right]$

所述步骤(7)中得到相机镜头A相对于相机镜头B的三个平动自由度的变化量的方法为：基于镜头间任意6自由度变化的坐标变化关系，根据旋转矩阵R、激光光斑在第二面阵CCD上的新位置坐标(X₁，Y₁)以及激光光斑在第三面阵CCD上的新位置坐标(X₂，Y₂)，联立获得方程组KT＝U，其中：

$K=\left[\begin{array}{ccc}\frac{r_{11}{r}_{32}d-r_{11}{r}_{33}l+r_{13}{r}_{31}l-r_{12}{r}_{31}d}{-r_{32}d+r_{33}l}& \frac{-r_{12}{r}_{33}l+r_{13}{r}_{32}l}{-r_{32}d+r_{33}l}& \frac{-r_{12}{r}_{33}d+r_{13}{r}_{32}d}{-r_{32}d+r_{33}l}\\ \frac{r_{21}{r}_{32}d-r_{21}{r}_{33}l+r_{23}{r}_{31}l-r_{22}{r}_{31}d}{-r_{32}d+r_{33}l}& \frac{-r_{22}{r}_{33}l+r_{23}{r}_{32}l}{-r_{32}d+r_{33}l}& \frac{-r_{22}{r}_{33}d+r_{23}{r}_{32}d}{-r_{32}d+r_{33}l}\\ -\frac{r_{11}{r}_{32}d+r_{11}{r}_{33}l-r_{13}{r}_{31}l-r_{12}{r}_{31}d}{r_{32}d+r_{33}l}& -\frac{r_{12}{r}_{33}l-r_{13}{r}_{32}l}{r_{32}d+r_{33}l}& -\frac{-r_{12}{r}_{33}d+r_{13}{r}_{32}d}{r_{32}d+r_{33}l}\\ -\frac{r_{21}{r}_{32}d+r_{21}{r}_{33}l-r_{23}{r}_{31}l-r_{22}{r}_{31}d}{r_{32}d+r_{33}l}& -\frac{r_{22}{r}_{33}l-r_{23}{r}_{32}l}{r_{32}d+r_{33}l}& -\frac{-r_{22}{r}_{33}d+r_{23}{r}_{32}d}{r_{32}d+r_{33}l}\end{array}\right],$ $T=\left[\begin{array}{c}{t}_x\\ t_y\\ t_z\end{array}\right],$

$U=\left[\begin{array}{c}{X}_1-\frac{(-r_{12}{r}_{33}+r_{13}{r}_{32})\mathrm{dr}}{-r_{32}d+r_{33}l}\\ Y_1-\frac{(-r_{22}{r}_{33}+r_{23}{r}_{32})\mathrm{dr}}{-r_{32}d+r_{33}l}\\ X_2-\frac{(-r_{13}{r}_{32}+r_{12}{r}_{33})\mathrm{dr}}{r_{32}d+r_{33}l}\\ Y_2-\frac{(-r_{23}{r}_{32}+r_{22}{r}_{33})\mathrm{dr}}{r_{32}d+r_{33}l}\end{array}\right],$ r_ij，i＝1，2，3，j＝1，2，3为旋转矩阵R中的元素， $d=\frac{D}{2},$ D为第三转动自由度运动前第二面阵CCD上激光束的成像点和第三面阵CCD上激光束的成像点之间的距离，l为入射至第二面阵CCD和第三面阵CCD的两入射光线的反向延长线交点与第二面阵CCD和第三面阵CCD像面的垂直距离，r为第三转动自由度运动前相机镜头A上的坐标系原点与所述反向延长线交点的距离，此方程组的解即为相机镜头A相对于相机镜头B的三个平动自由度的变化量(t_x，t_y，t_z)。

所述的激光光源为半导体激光光源。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、本发明方法在待测航天三线阵CCD相机镜头上分别固装一个测量子系统，产生3路激光并通过面阵CCD采集到3个激光光斑，通过对各光斑位置变化的测量，实现相机镜头间6自由度变化的实时监测。该方法克服了常规地面多自由度测量方法系统复杂，难以适应卫星太空运行条件的不足。本发明采用非接触测量方法，不改变航天相机原有成像系统的结构，不影响相机的工作，结构紧凑，安装调整方便，适合太空运行条件，可以在轨监测，实时性好；

2、本发明方法基于对微小变化放大测量的原理，借助精密光斑定位算法，采用单一激光器耦合分光以消除光源波动的影响等措施，可实现航天相机镜头间6自由度微小变化的高精度测量；

3、本发明通过分步求解的方法获得镜头间6自由度变化：首先通过第一面阵CCD上激光束的成像点在水平和垂直两个方向的位移确定相机间两个转动自由度的变化量；然后通过第二面阵CCD或第三面阵CCD上激光束的成像点的位移变化确定相机镜头间第三个转动自由度的变化量；最后基于坐标变换，利用已经求得的旋转矩阵，结合第二面阵CCD和第三面阵CCD上新的光斑位置坐标，列解方程组，得到三个平动自由度变化分量。三步骤有机结合，逐步求解，最终实现全部6自由度变化监测；

4、本发明中镜头间3个旋转自由度变化的测量直接利用面阵CCD上光斑位置变化，带入相应公式就可以得到，简单快捷；

5、本发明中镜头间3个平动自由度变化的测量是对包含三个平动未知量的四个方程组，用最小二乘法求解得到，该方法确保方程组解的收敛性且误差最小。

附图说明

图1为本发明监测方法的流程框图；

图2为本发明监测方法的原理示意图。

具体实施方式

如图1、2所示，为本发明监测方法的流程框图及原理示意图。图2中：4和11分别代表相机镜头B和相机镜头A，2为测量支架，测量支架位于相机镜头B上，用于刚性固定激光反射接收装置，激光反射接收装置包括平面反射镜3、第二面阵CCD12和第三面阵CCD1。激光发射接收装置位于相机镜头A上，激光发射接收装置包括半导体激光光源10(也可选用其它激光光源)、光纤耦合器9、半透半反镜5和第一面阵CCD6，9为光纤耦合器，用于对激光光源发出的激光进行三路分光，7为准直器(三个)，用于对三路激光进行准直，8为光纤(四根)。

由于测量支架与航天相机的一个待测镜头B刚性固定在一起，这样激光反射接收装置会与待测镜头B同步变化。测量时应调整第二面阵CCD和第三面阵CCD的感光面在同一平面内且对称排布。同理，激光发射接收装置与另一待测镜头A固定在一起，半导体激光光源发出的激光经光纤、光纤耦合器分成三路，再经光纤和准直器得到三路准直入射激光。测量时应调整使上下两路分别投向第二面阵CCD和第三面阵CCD的中心，且使其光束反向延长线交于一点s，标定出两光线的夹角；同时，测量时还应调整使中间一路入射激光透过半透半反镜后投射在平面反射镜上并反射回来，再通过此半透半反镜投在第一面阵CCD上。

初始时，经过光纤耦合分光并准直后得到的三束准直入射激光分别投射在三个面阵CCD上，采集各CCD光斑图像，得到各光斑的初始位置，然后通过各光斑位置的变化来计算分离出被测相机镜头间的6自由度变化。镜头间6自由度的测量分2步进行：首先，根据三个光斑在相应成像面上的坐标位置变化求解三个角自由度分量，并由此获得旋转矩阵；然后，利用已经求得的旋转矩阵，结合在第二面阵CCD和第三面阵CCD上的光斑坐标，列解方程组，求解三个平移分量。

本发明的测量原理如下(坐标系参考图2，垂直平面反射镜的方向为z，第二面阵CCD和第三面阵CCD中点的连接方向为y，x方向按右手定则确定)：

当航天相机的一个镜头相对另一个镜头产生旋转位置变化，带动与之一体的激光发射接收装置相对激光反射接收装置也产生旋转自由度变化，具体求解方法如下：

如果待测镜头A绕x轴旋转θ_x，那么第一面阵CCD上的光点产生z方向位移，可以得到旋转角度θ_x如下：

${\mathrm{\θ}}_x=\frac{1}{2}\mathrm{arctg}\left(\frac{-\mathrm{\Δz}}{S}\right)$

如果待测镜头A绕y轴旋转θ_y，则第一面阵CCD上的光点产生x方向位移，可以得到旋转角度θ_y如下：

${\mathrm{\θ}}_y=\frac{1}{2}\mathrm{arctg}\left(\frac{-\mathrm{\Δx}}{S}\right)$

以上两式中，Δz、Δx为有符号的平移变化量，S为激光束从平面反射镜成像至第一面阵CCD上时经过的距离。通过平面镜反射的光点位置变化测量绕x、y的旋转角度，将旋转角度放大并在CCD上反映，提高了测量精度。

待测镜头B上两个面阵CCD上的两个光点在x方向上位移量的差值反映了而且是仅仅反映了待测镜头A相对于待测镜头B绕z轴的旋转角度，考虑右手定则规定的正方向，得到：

θ_z＝arcsin((Δx_u-Δx_d)/D)

其中，Δx_u、Δx_d为两光点运动后与运动前横坐标的差值，D为运动前两光点之间的距离。这种方法通过两点间坐标的差值反应旋转角度，从某种程度上说也是将微小变化进行了放大，有利于提高测量精度。

由以上三个旋转角度，再根据两镜头间坐标系旋转变换关系，按照图2的坐标系示意，有：

如果坐标系绕x轴旋转θ_x，

$\left[\begin{array}{c}x\′\\ y\′\\ z\′\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos {\mathrm{\θ}}_x& \sin {\mathrm{\θ}}_x\\ 0& -\sin {\mathrm{\θ}}_x& \cos {\mathrm{\θ}}_x\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=R_x\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]$

如果坐标系绕y轴旋转θ_y，

$\left[\begin{array}{c}x\′\\ y\′\\ z\′\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_y& 0& -\sin {\mathrm{\θ}}_y\\ 0& 1& 0\\ \sin {\mathrm{\θ}}_y& 0& \cos {\mathrm{\θ}}_y\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=R_y\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]$

如果坐标系绕z轴旋转θ_z，

$\left[\begin{array}{c}x\′\\ y\′\\ z\′\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_z& \sin {\mathrm{\θ}}_z& 0\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_z& \cos {\mathrm{\θ}}_z& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=R_z\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]$

同时定义坐标系沿各轴方向平移分别为t_x、t_y和t_z，则

$\left[\begin{array}{c}x\′\\ y\′\\ z\′\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{t}_x\\ t_y\\ t_z\end{array}\right]$

上面各式中，[x y z]^T、[x′ y′ z′]^T分别为坐标系运动前后同一点在不同坐标系下的坐标。旋转的正方向由右手定则规定。

按照上面的顺序(旋转按θ_x、θ_y和θ_z的顺序)对分步自由度变化进行合成，得到任意自由度运动下坐标变换关系如下：

$\left[\begin{array}{c}x\′\\ y\′\\ z\′\end{array}\right]=R_z{R}_y{R}_x\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{t}_x\\ t_y\\ t_z\end{array}\right]=R\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{t}_x\\ t_y\\ t_z\end{array}\right]$

其中，旋转矩阵

$R=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_y\cos {\mathrm{\θ}}_z& \cos {\mathrm{\θ}}_x\sin {\mathrm{\θ}}_z+\sin {\mathrm{\θ}}_x\sin {\mathrm{\θ}}_y\cos {\mathrm{\θ}}_z& \sin {\mathrm{\θ}}_x\sin {\mathrm{\θ}}_z-\cos {\mathrm{\θ}}_x\sin {\mathrm{\θ}}_y\cos {\mathrm{\θ}}_z\\ -\cos {\mathrm{\θ}}_y\sin {\mathrm{\θ}}_z& \cos {\mathrm{\θ}}_x\cos {\mathrm{\θ}}_z-\sin {\mathrm{\θ}}_x\sin {\mathrm{\θ}}_y\sin {\mathrm{\θ}}_z& \sin {\mathrm{\θ}}_x\cos {\mathrm{\θ}}_z+\cos {\mathrm{\θ}}_x\sin {\mathrm{\θ}}_y\sin {\mathrm{\θ}}_z\\ \sin {\mathrm{\θ}}_y& -\sin {\mathrm{\θ}}_x\cos {\mathrm{\θ}}_y& \cos {\mathrm{\θ}}_x\cos {\mathrm{\θ}}_y\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{ccc}{r}_{11}& r_{12}& r_{13}\\ r_{21}& r_{22}& r_{23}\\ r_{31}& r_{32}& r_{33}\end{array}\right]$

空间中入射光线沿直线传播，在给定坐标系中可以用一个直线向量来描述。直线向量可以用其上的任一点坐标以及该点的方向来表示。这里定义第二面阵CCD和第三面阵CCD的两入射光线反向延长线交于s点，两入射光线与两面阵CCD分别交于p₁，p₂点，则两入射光线分别可以用linel＝[s s-p₁]，line2＝[s s-p₂]来表示。当两镜头间发生6自由度变化后，根据上述任意自由度运动的坐标变换关系公式，可以求出变化后的s′，p₁′，p₂′的表达式，带入上式中得到新的入射光线表达式。该入射光线与像平面[0 0 1 0](即z＝0)的交点就是新的光斑位置，而新光斑位置X₁，X₂，Y₁和Y₂可以通过第二面阵CCD和第三面阵CCD上成像的激光光斑测量得到，是已知量，这样有三个未知量t＝[t_x t_y t_z]^T，四个已知量X₁，X₂，Y₁和Y₂，联立获得4个方程，可以写成KT＝U，其中：

$K=\left[\begin{array}{ccc}\frac{r_{11}{r}_{32}d-r_{11}{r}_{33}l+r_{13}{r}_{31}l-r_{12}{r}_{31}d}{-r_{32}d+r_{33}l}& \frac{-r_{12}{r}_{33}l+r_{13}{r}_{32}l}{-r_{32}d+r_{33}l}& \frac{-r_{12}{r}_{33}d+r_{13}{r}_{32}d}{-r_{32}d+r_{33}l}\\ \frac{r_{21}{r}_{32}d-r_{21}{r}_{33}l+r_{23}{r}_{31}l-r_{22}{r}_{31}d}{-r_{32}d+r_{33}l}& \frac{-r_{22}{r}_{33}l+r_{23}{r}_{32}l}{-r_{32}d+r_{33}l}& \frac{-r_{22}{r}_{33}d+r_{23}{r}_{32}d}{-r_{32}d+r_{33}l}\\ -\frac{r_{11}{r}_{32}d+r_{11}{r}_{33}l-r_{13}{r}_{31}l-r_{12}{r}_{31}d}{r_{32}d+r_{33}l}& -\frac{r_{12}{r}_{33}l-r_{13}{r}_{32}l}{r_{32}d+r_{33}l}& -\frac{-r_{12}{r}_{33}d+r_{13}{r}_{32}d}{r_{32}d+r_{33}l}\\ -\frac{r_{21}{r}_{32}d+r_{21}{r}_{33}l-r_{23}{r}_{31}l-r_{22}{r}_{31}d}{r_{32}d+r_{33}l}& -\frac{r_{22}{r}_{33}l-r_{23}{r}_{32}l}{r_{32}d+r_{33}l}& -\frac{-r_{22}{r}_{33}d+r_{23}{r}_{32}d}{r_{32}d+r_{33}l}\end{array}\right],$ $T=\left[\begin{array}{c}{t}_x\\ t_y\\ t_z\end{array}\right],$

$U=\left[\begin{array}{c}{X}_1-\frac{(-r_{12}{r}_{33}+r_{13}{r}_{32})\mathrm{dr}}{-r_{32}d+r_{33}l}\\ Y_1-\frac{(-r_{22}{r}_{33}+r_{23}{r}_{32})\mathrm{dr}}{-r_{32}d+r_{33}l}\\ X_2-\frac{(-r_{13}{r}_{32}+r_{12}{r}_{33})\mathrm{dr}}{r_{32}d+r_{33}l}\\ Y_2-\frac{(-r_{23}{r}_{32}+r_{22}{r}_{33})\mathrm{dr}}{r_{32}d+r_{33}l}\end{array}\right]$

$d=\frac{D}{2},$ l为两入射光线反向延长线s与第二面阵CCD和第三面阵CCD像面的垂直距离，镜头A坐标系方向与图2中所示坐标系方向一致，z轴与第二面阵CCD和第三面阵CCD像面垂直，y轴与两面阵中点的连线平行，x轴根据右手定则确定。其原点与s点在z轴方向的距离为r，均为系统已知常量。

对此方程组利用最小二乘法求解。最小二乘的参数拟合方法获取解满足误差的平方和最小条件。最终得到的方程组的解就是三个平动自由度参数。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1、航天三线阵CCD相机镜头间6自由度变化在轨监测方法，其特征在于步骤如下：

(1)在相机镜头A上刚性固定激光发射接收装置，所述激光发射接收装置包括激光光源、光纤耦合器、激光准直器、半透半反镜和第一面阵CCD，光纤耦合器对激光光源发出的激光进行三路分光，三路分光再分别经过激光准直器得到准直输出激光；

(2)在相机镜头B上刚性固定激光反射接收装置，所述激光反射接收装置包括平面反射镜、第二面阵CCD和第三面阵CCD；

(3)调整半透半反镜、平面反射镜、第一面阵CCD、第二面阵CCD和第三面阵CCD的位置，保证第二面阵CCD和第三面阵CCD在同一平面内，同时使得三路准直输出激光中的一路激光穿过半透半反镜到达平面反射镜，而后经平面反射镜反射回半透半反镜并经半透半反镜反射至第一面阵CCD上，另外两路激光分别射向第二面阵CCD和第三面阵CCD，两路激光的反向延长线应交于一点；

(4)通过第一面阵CCD上激光束的成像点在水平和垂直两个方向的位移变化可以确定相机镜头A相对于相机镜头B的两个转动自由度的变化量；

(5)通过第二面阵CCD或第三面阵CCD上激光束的成像点的位移变化可以确定相机镜头A相对于相机镜头B的第三个转动自由度的变化量；

(6)利用步骤(4)和步骤(5)中得到的旋转角度，得到描述镜头间旋转变化的旋转矩阵R；

(7)利用步骤(6)中得到的旋转矩阵并结合第二面阵CCD和第三面阵CCD上光斑的位置坐标，基于坐标变换列解方程组，得到相机镜头A相对于相机镜头B的三个平动自由度的变化量。

2、根据权利要求1所述的航天三线阵CCD相机镜头间6自由度变化在轨监测方法，其特征在于：所述步骤(4)中利用成像点在水平和垂直方向的位移确定两个转动自由度的变化量的方法为：采用公式 ${\mathrm{\θ}}_x=\frac{1}{2}\mathrm{arctg}\left(\frac{-\mathrm{\Δz}}{S}\right)$ 和 ${\mathrm{\θ}}_y=\frac{1}{2}\mathrm{arctg}\left(\frac{-\mathrm{\Δx}}{S}\right)$ 计算，式中Δz和Δx分别为第一面阵CCD上激光束的成像点在垂直和水平方向的位移，S为激光束从平面反射镜成像至第一面阵CCD上时经过的距离。

3、根据权利要求1或2所述的航天三线阵CCD相机镜头间6自由度变化在轨监测方法，其特征在于：所述步骤(5)中利用成像点的位移确定第三个转动自由度的变化量的方法为：采用公式θ_z＝arcsin((Δx_u-Δx_d)/D)计算，式中Δx_u和Δx_d分别为第二面阵CCD上激光束的成像点和第三面阵CCD上激光束的成像点的位移，D为第三转动自由度运动前第二面阵CCD上激光束的成像点和第三面阵CCD上激光束的成像点之间的距离。

4、根据权利要求1或2所述的航天三线阵CCD相机镜头间6自由度变化在轨监测方法，其特征在于：所述步骤(6)中得到的旋转矩阵R的矩阵形式为：

$R=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_y\cos {\mathrm{\θ}}_z& \cos {\mathrm{\θ}}_x\sin {\mathrm{\θ}}_z+\sin {\mathrm{\θ}}_x\sin {\mathrm{\θ}}_y\cos {\mathrm{\θ}}_z& \sin {\mathrm{\θ}}_x\sin {\mathrm{\θ}}_z-\cos \mathrm{\α}{\mathrm{\θ}}_x\sin {\mathrm{\θ}}_y\cos {\mathrm{\θ}}_z\\ -\cos {\mathrm{\θ}}_y\sin {\mathrm{\θ}}_z& \cos {\mathrm{\θ}}_x\cos {\mathrm{\θ}}_z-\sin {\mathrm{\θ}}_x\sin {\mathrm{\θ}}_y\sin {\mathrm{\θ}}_z& \sin {\mathrm{\θ}}_x\cos {\mathrm{\θ}}_z+\cos {\mathrm{\θ}}_x\sin {\mathrm{\θ}}_y\sin {\text{\θ}}_z\\ \sin {\mathrm{\θ}}_y& -\sin {\mathrm{\θ}}_x\cos {\mathrm{\θ}}_y& \cos {\mathrm{\θ}}_x\cos {\mathrm{\θ}}_y\end{array}\right]$

5、根据权利要求4所述的航天三线阵CCD相机镜头间6自由度变化在轨监测方法，其特征在于：所述步骤(7)中得到相机镜头A相对于相机镜头B的三个平动自由度的变化量的方法为：基于镜头间任意6自由度变化的坐标变化关系，根据旋转矩阵R、激光光斑在第二面阵CCD上的新位置坐标(X₁，Y₁)以及激光光斑在第三面阵CCD上的新位置坐标(X₂，Y₂)，联立获得方程组KT＝U，其中：

$K=\left[\begin{array}{ccc}\frac{r_{11}{r}_{32}d-r_{11}{r}_{33}l+r_{13}{r}_{31}l-r_{12}{r}_{31}d}{-r_{32}d+r_{33}l}& \frac{-r_{12}{r}_{33}l+r_{13}{r}_{32}l}{-r_{32}d+r_{33}l}& \frac{-r_{12}{r}_{33}d+r_{13}{r}_{32}d}{-r_{32}d+r_{33}l}\\ \frac{r_{21}{r}_{32}d-r_{21}{r}_{33}l+r_{23}{r}_{31}l-r_{22}{r}_{31}d}{-r_{32}d+r_{33}l}& \frac{-r_{22}{r}_{33}l+r_{23}{r}_{32}l}{-r_{32}d+r_{33}l}& \frac{-r_{22}{r}_{33}d+r_{23}{r}_{32}d}{-r_{32}d+r_{33}l}\\ -\frac{r_{11}{r}_{32}d+r_{11}{r}_{33}l-r_{13}{r}_{31}l-r_{12}{r}_{31}d}{r_{32}d+r_{33}l}& -\frac{r_{12}{r}_{33}l-r_{13}{r}_{32}l}{r_{32}d+r_{33}l}& -\frac{-r_{12}{r}_{33}d+r_{13}{r}_{32}d}{r_{32}d+r_{33}l}\\ -\frac{r_{21}{r}_{32}d+r_{21}{r}_{33}l-r_{23}{r}_{31}l-r_{22}{r}_{31}d}{r_{32}d+r_{33}l}& -\frac{r_{22}{r}_{33}l-r_{23}{r}_{32}l}{r_{32}d+r_{33}l}& -\frac{-r_{22}{r}_{33}d+r_{23}{r}_{32}d}{r_{32}d+r_{33}l}\end{array}\right],$ $T=\left[\begin{array}{c}{t}_x\\ t_y\\ t_z\end{array}\right],$

$U=\left[\begin{array}{c}{X}_1-\frac{(-r_{12}{r}_{33}+r_{13}{r}_{32})\mathrm{dr}}{-r_{32}d+r_{33}l}\\ Y_1-\frac{(-r_{22}{r}_{33}+r_{23}{r}_{32})\mathrm{dr}}{-r_{32}d+r_{33}l}\\ X_2-\frac{(-r_{13}{r}_{32}+r_{12}{r}_{33})\mathrm{dr}}{r_{32}d+r_{33}l}\\ Y_2-\frac{(-r_{23}{r}_{32}+r_{22}{r}_{33})\mathrm{dr}}{r_{32}d+r_{33}l}\end{array}\right],$

r_ij，i＝1，2，3，j＝1，2，3为旋转矩阵R中的元素， $d=\frac{D}{2},$ D为第三转动自由度运动前第二面阵CCD上激光束的成像点和第三面阵CCD上激光束的成像点之间的距离，l为入射至第二面阵CCD和第三面阵CCD的两入射光线的反向延长线交点与第二面阵CCD和第三面阵CCD像面的垂直距离，r为第三转动自由度运动前相机镜头A上的坐标系原点与所述反向延长线交点的距离，此方程组的解即为相机镜头A相对于相机镜头B的三个平动自由度的变化量(t_x，t_y，t_z)。

6、根据权利要求1或2所述的航天三线阵CCD相机镜头间6自由度变化在轨监测方法，其特征在于：所述的激光光源为半导体激光光源。

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