CN101718550B - 小基高比立体测绘光学系统 - Google Patents

Abstract

小基高比立体测绘光学系统，采用完全共用主镜、次镜、三镜和平面折转镜的同轴三反射镜系统，偏视场使用，由两个独立的光学成像路径组合成。两组入射光线具有1°～6°夹角，分别依次到达主镜、次镜和三镜，最终再由平面镜折转到两个分立的接收像面上分别成像。本系统利用同时共用的主镜、次镜、三镜和平面折转镜以及双焦面实现前、后两个视场同时成像，从而通过单相机双通道成像的反射式光学系统实现高精度小基高比立体测绘。本系统具有光机结构集成度高，体积小，重量轻，便于在轨实时检测，内方位元素稳定度高等优点，特别适用于小基高比测绘制图中卫星相机单轨推扫，进行立体成像和测绘。

Description

小基高比立体测绘光学系统

技术领域

本发明属于航天光学遥感器技术领域，涉及一种适用于空间对地进行小基高比(B/H)高精度立体测绘的光学系统。

背景技术

由于航天光学遥感器技术的迅速发展，对于遥感器系统应用水平的要求不断提高。

测绘卫星以卫星、飞船或空间站为平台，携带满足立体摄影要求的成像传感器对地球表面进行摄影，获取影像信息，经摄影测量处理，精确测定地球表面的地貌、地物(目标)的形状、大小和空间位置，生成支援战场所需的各种测绘保障产品。

基高比是立体摄影测量技术中的重要技术指标之一，摄影测量的基高比定义为摄影基线B与摄影航高H之比，它用于确定立体观测的交会角大小。考虑了地球曲率的基高比与交会角对应关系的公式为：

$B/H=2\×\frac{1}{\tan \frac{\mathrm{\β}}{2}+\cot (\mathrm{\α}+\mathrm{\β})}$

其中： $\mathrm{\β}=\arcsin \frac{(R+H)\×\sin \mathrm{\α}}{R}-\mathrm{\α}$

式中，R为地球曲率半径，β为单条基线所对应的地心角，α为前后视相机夹角即交会角。例如：交会角α＝6°时，对应的B/H＝0.1；交会角α＝52°时，对应的B/H＝1。

现有的航天专用测绘相机，多采用分立式光机结构，即将具有不同视场的两台或三台相机分别安装在一个光学平台上，实现立体成像(如日本的ALOS/Prism)，这样造成了卫星重量体积过大，同时各个相机之间的结构稳定性和精度等难以保证，每个独立的光学系统在受到热载荷作用，发生变形时会产生光轴的变化和内方位元素的不同变化，最终影响成像的质量和测绘精度。

除此之外，一类具有测绘功能的商业遥感卫星(如美国的Geoeye-1)通过卫星侧摆实现沿轨或异轨间的立体成像，它采用单台相机加敏捷卫星立体成像的方案，沿轨立体成像为沿卫星轨道方向向前倾斜摄影和向后摄影倾斜摄影及垂直摄影，三者摄影图像任一组相配合，即可得出具有航向(前后)重叠的立体像对。异轨立体成像为卫星在相邻的轨道上，对指定地区在垂直于轨道平面内作左右方向的倾斜摄影，以构成异轨(旁向)的立体像对。Geoeye-1具有侧摆±60°的高机动能力。利用这类具有测绘功能的商业高分辨率传输型遥感卫星完成全球热点地区和局部目标区的精确测绘，该方案目前受限于高精度姿轨控技术和敏捷卫星立体成像技术等瓶颈，同时这种测绘体制较适合用于大基高比测绘(B/H约为1左右)的情况，难以实现很小基高比的同轨或异轨立体测绘。大基高比带来的问题主要有：图像畸变过大，受阴影和遮挡的影响较大，立体像对之间的观测差异大，同步性较低，图像匹配相关性小，计算机自动处理复杂，并且大基高比不适用于陡峭地物(包括城市)的三维测量。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种测绘精度高、稳定性好、可实现小基高比立体测绘的成像光学系统。

本发明的技术解决方案是：小基高比立体测绘光学系统，包括共用主镜、共用次镜、共用三镜、共用平面折转镜和接收像面；共用主镜、共用次镜和共用三镜同轴并作为光学系统的主光轴，共用主镜上设置两个中心对称的通光孔，两个不同视场的夹角为1°～6°的视场光线从左侧以主光轴为中心对称入射至共用主镜上，经过共用主镜及共用次镜反射之后分别透过两个通光孔到达共用三镜；共用平面折转镜位于共用主镜的右侧且位于两个通光孔之间，共用三镜反射的光线经共用平面折转镜反射到达两组分立的接收像面后各自成像。

所述的共用主镜、共用次镜、共用三镜的面形均为非球面反射镜。

所述的共用主镜、共用次镜、共用三镜的材料为碳化硅，或微晶玻璃，或熔石英。

所述的接收像面为面阵、线阵CCD或TDICCD探测器接收面。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明由于采用了完全共用全部反射镜的、基于同轴三反射镜的偏视场光学系统，双视场对称使用，避免了在立体测绘时姿控水平和星上部分热/力扰动等因素对多系统配合的影响，也避免了因不同载荷热控系统的差异影响立体合成图像的质量，从而提高了成像的稳定性和测绘精度；

(2)本发明光学系统利用前后两个视场的夹角(1°～6°)实现小基高比(B/H)立体测绘，基高比仅为0.017～0.1，特别有利于进行人工目标高精度三维测量，降低立体像对畸变，减小阴影和遮挡，提高图像匹配度，特别适用于建筑物密集、起伏变化剧烈的城市立体测绘；

(3)本发明光学系统由于采用了新型双视场同时成像的小基高比立体测绘光学系统，可以在一台相机系统内完成立体测绘，避免了前述的航天专用测绘相机由两、三台相机分立布置实现测绘功能的一系列缺点，由此带来整个相机体积小、重量轻、刚度和结构稳定性好，前后视场的交会角容易实现在轨检测，并且随着分辨率要求的不断提高，带来相机光学口径和体积的进一步增大，本发明系统的优势会更加明显。

附图说明

图1为本发明光学系统的结构图。

具体实施方式

如图1所示，本发明光学系统包括共用主镜1、共用次镜2、共用三镜3、共用平面折转镜4和接收像面5。共用主镜1、共用次镜2和共用三镜3同轴并作为光学系统的主光轴，共用主镜1上设置两个中心对称的通光孔，两个不同视场的夹角为1°～6°的视场光线从左侧以主光轴为中心对称入射至共用主镜1上，经过共用主镜1及共用次镜2反射之后分别透过两个通光孔到达共用三镜3。共用平面折转镜4位于共用主镜1的右侧且位于两个通光孔之间，用途是折转光路，目的是减小光学系统结构所占空间，并合理布置像面。共用三镜3反射的光线经共用平面折转镜4反射到达两组分立的接收像面5后各自成像。两个视场的光线在共用主镜1、共用次镜2、共用三镜3、共用平面折转镜4的反射面上高度共用。接收像面5同时接收来自前后两个视场的汇聚光线，分别在各自的区域上成像，从而获得立体像对。接收像面5为面阵、线阵CCD或TDICCD探测器接收面。

基于反射系统不产生色差，也就不存在二级光谱，孔径可以做的很大，易于轻量化，在温控方面有较大优势，因此反射式光学系统特别适合长焦距，高分辨率测绘卫星的需求。因此，共用主镜1、共用次镜2、共用三镜3的面形均为非球面，材料为碳化硅，或微晶玻璃，或熔石英。

同轴TMA(三反射镜消像散系统)，其次镜遮拦不可避免，若焦面在光路之中，又要附加焦面遮拦，对于超长焦距的系统，即使视场角不大，焦面尺寸也会很大，因此反射式详查相机的焦面一定要安排到光路以外。但是，三反系统所固有的性质决定了其最终成像面必在入射光路一方，因此必须借助于折转反射镜才能将焦面引出，而折转反射镜的引入，一般容易形成二次遮拦，为避免较大的二次遮拦，应使折转反射镜尺寸较小，且不会遮挡光路，偏视场带来的最小视场应大于1°。能胜任此要求的只有带有中间像的同轴TMA，中间像可以在主镜顶点上或在其后，于是形成了的带有中间像的偏视场同轴TMA。该光学系统因具有长焦距(大于10m)、小视场(一般不大于6°)、结构尺寸紧凑的特点，可以适用于F数大于10，TDICCD(时间延迟积分电荷耦合器件)推扫成像，为了实现单台相机的小基高比立体测绘需求，采用上下两个视场，两个视场的光线具有很好的同时性和极高的相关性。

测绘相机的内方位元素包括相机的主距、像主点坐标和畸变等，是影响相机测绘精度的重要参数，这些参数在地面精确标定后，经过了卫星发射过程中的振动、冲击以及复杂多变的在轨温度、压力等环境的影响，会使这些参数发生变化，导致测绘精度的降低。另一方面，传统多台分立式相机的夹角(包括相机之间的夹角以及正视相机与星敏感器之间的夹角)很难实现较高的测量精度。本发明系统可以在同一台相机内完成上述关键参数的在轨精确测量，便于研究和分析关键参数的变化规律，有利于提高最终的测绘精度。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.小基高比立体测绘光学系统，其特征在于包括：共用主镜(1)、共用次镜(2)、共用三镜(3)、共用平面折转镜(4)和接收像面(5)；共用主镜(1)、共用次镜(2)和共用三镜(3)同轴并作为光学系统的主光轴，共用主镜(1)上设置两个中心对称的通光孔，两个不同视场的夹角为1°～6°的视场光线从左侧以主光轴为中心对称入射至共用主镜(1)上，经过共用主镜(1)及共用次镜(2)反射之后分别透过两个通光孔到达共用三镜(3)；共用平面折转镜(4)位于共用主镜(1)的右侧且位于两个通光孔之间，共用三镜(3)反射的光线经共用平面折转镜(4)反射到达两组分立的接收像面(5)后各自成像；所述的共用主镜(1)、共用次镜(2)、共用三镜(3)的面形均为非球面反射镜；所述的共用主镜(1)、共用次镜(2)、共用三镜(3)的材料为碳化硅，或微晶玻璃，或熔石英；所述的接收像面(5)为面阵、线阵CCD或TDICCD探测器接收面。

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