CN103658721A - 一种离轴相机视轴的校准方法 - Google Patents

Abstract

一种离轴相机视轴的校准方法，包括：(1)建立钻模板与卫星的基准坐标系之间的关系，并据以配打卫星载荷舱底板上的定位销孔；(2)把钻模板放置在二维调整台上，用定位销将离轴相机定位于钻模板上，测量并调整二维调整台的俯仰角，使得离轴相机的线阵方向与大地水平；(3)由多台经纬仪交会测试得到视轴在卫星坐标系滚转方向的夹角；以及(4)调整离轴相机以满足相机装星要求，并配打相机安装支架的定位销孔。该方法解决了遥感器的视轴指向的校准，使得离轴相机应用于测绘领域具有较高的摄影测量精度。

Description

一种离轴相机视轴的校准方法

技术领域

本发明涉及光学遥感器装调与检测技术领域，具体地，涉及离轴相机视轴的校准方法。

背景技术

随着空间光学遥感器的广泛应用与飞速发展，离轴三反光学系统因具有无中心遮拦、质量轻和视场大等优点已广泛应用于高分辨率立体测绘领域。高精度测绘相机不仅对像质要求严格，同时要求相机具有较高的摄影测量精度和观测地面地理位置的精度，遥感器视轴指向直接关系到相机观测地面地理位置的精度和摄影测量的精度。因此，卫星观测精度要求相机视轴基准与卫星坐标系基准指向一致。

离轴反射光学系统光路原理示意图如图1所示，光线沿视轴1经过主镜2反射到次镜3，再由次镜3反射到三镜4，由三镜4反射到折镜5，最后通过折镜5反射到达像面6，光学系统光轴7与视轴1存在离轴角α，成像位置在光学系统的偏场位置。现有校准方法都是有关同轴光学系统的校准方法，由于离轴光学系统的特殊性，一旦相机坐标系出现偏转，离轴角的存在使得坐标转换后离轴镜头视轴指向将会产生较大误差，从而导致离轴相机与卫星的安装精度较低。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种离轴相机视轴的校准方法，以提高离轴相机和卫星的安装精度。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案包括：

一种离轴相机视轴的校准方法，包括：(1)建立钻模板与卫星的基准坐标系之间的关系，并据以配打卫星载荷舱底板上的定位销孔；(2)把钻模板放置在二维调整台上，用定位销将离轴相机定位于钻模板上，测量并调整二维调整台的俯仰角，使得离轴相机的线阵方向与大地水平；(3)由多台经纬仪交会测试以得到视轴在卫星坐标系滚转方向的夹角；以及(4)调整离轴相机以满足相机装星要求，并配打相机安装支架的定位销孔。

优选地，在所述步骤（1）中，钻模板的表面代表相机和卫星的安装面YZ面，其法线方向作为X向，由此构成基准坐标系(X Y Z)，钻模板侧面上的立方镜的三轴构成钻模坐标系(X_m Y_m Z_m)，由经纬仪交会得到立方镜与基准坐标系之间的3×3夹角矩阵

$N=\left(\begin{array}{ccc}{n}_{11}& n_{12}& n_{13}\\ n_{21}& n_{22}& n_{23}\\ n_{31}& n_{32}& n_{33}\end{array}\right),$

然后，将卫星定位于钻模板上预设的定位销孔中，根据所述3×3夹角矩阵N调整卫星三轴与钻模立方镜之间的角度，使得立方镜与卫星坐标系之间的夹角矩阵接近于所述3×3夹角矩阵N；并根据钻模板上所述预设的定位销孔配打卫星载荷舱底板上的定位销孔，并由经纬仪交会得到立方镜与卫星坐标系之间的3×3传递矩阵：

$M_1=\left(\begin{array}{ccc}{m}_{11}& m_{12}& m_{13}\\ m_{21}& m_{22}& m_{23}\\ m_{31}& m_{32}& m_{33}\end{array}\right).$

优选地，在所述步骤（2）中，离轴相机也定位于钻模板上预设的定位销孔中，并以CCD作为成像器件，通过经纬仪测量线阵的两端，调整二维调整台的俯仰角，使得CCD的线阵方向与大地水平，并且线阵CCD四角的中间点为离轴相机的视轴方向。

优选地，在所述步骤（2）中，线阵方向与大地水平之间的误差小于0.001°。

优选地，在所述步骤（3）中，由经纬仪交会得到立方镜与离轴相机视轴之间的1×3夹角矩阵M₂=(m₂₁ m₂₂ m₂₃)，通过公式M₃=M₂*M₁得到离轴相机视轴与卫星坐标系的1×3夹角矩阵M₃=(m₃₁ m₃₂ m₃₃)，由此得到视轴在卫星坐标系滚转方向的夹角θ，

$\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{{\cos m}_{32}}{{\cos m}_{33}}\right).$

优选地，在所述步骤（4）中，逆时针旋转离轴相机，并重复所述步骤（3）的计算，直至计算得到的视轴在卫星坐标系滚转方向的夹角θ满足θ≤1′，然后将离轴相机与钻模板之间固定并翻转90°，根据钻模板上的两个预设定位销孔的位置配打离轴相机安装支架的定位销孔。

根据本发明的离轴相机视轴的校准方法具备有益的技术效果，包括：

解决了离轴相机视轴关于卫星坐标系滚转方向角度的要求，提高了离轴相机装星的精度，从而满足了离轴相机在测绘领域的摄影测量精度，同时也适应于所有离轴相机视轴与卫星的校准。

附图说明

图1为离轴相机光学系统的光路原理示意图；

图2为根据本发明的离轴相机视轴的校准方法中钻模立方镜与锥尖连线示意图；

图3为根据本发明的离轴相机视轴的校准方法中离轴相机视轴与钻模立方镜示意图；以及

图4为根据本发明的离轴相机视轴的校准方法中离轴相机的CCD线阵示意图。

具体实施方式

由于离轴光学系统的特殊性，离轴相机的成像位置在光学系统的离轴位置，为了解决离轴相机和卫星的安装精度问题，本发明提供了一种用于测绘领域的离轴相机视轴的校准方法，利用多台经纬仪建站测试视轴与钻模板（传递矩阵）的角度关系，然后根据传递坐标系与卫星坐标系的转换关系计算出视轴与卫星坐标系坐标轴的空间角度。

在根据本发明的离轴相机视轴的校准方法中，离轴相机与卫星之间通过定位销定位，相机安装支架与卫星载荷舱底板的定位孔均由过渡基准钻模板准确配打，从而保证了相机视轴关于卫星坐标系三轴的角度要求。

具体地，根据本发明的离轴相机视轴的校准方法包括以下步骤：

（1）建立钻模板与卫星的基准坐标系之间的关系，并据以配打卫星载荷舱底板上的定位销孔。

如图2所示，钻模板8的表面代表离轴相机和卫星的安装面（YZ面，对于本领域技术人员能够理解的是，离轴相机11和卫星定位在钻模板上相同的位置处），钻模板上预设两个定位销孔，在定位销孔中放置两个锥尖，两个锥尖构成连线10，该连线10与卫星坐标系Z向存在一定的角度ε（ε的值无具体限制，可根据实际情况来定），法线方向作为X向，由此构成基准坐标系(X Y Z)，钻模板侧面上的立方镜9的三轴构成钻模坐标系(X_m Y_m Z_m)，由经纬仪交会得到立方镜9与基准坐标系之间的3×3夹角矩阵N,

$N=\left(\begin{array}{ccc}{n}_{11}& n_{12}& n_{13}\\ n_{21}& n_{22}& n_{23}\\ n_{31}& n_{32}& n_{33}\end{array}\right);$

然后，将卫星通过定位销定位于钻模板上两个预设的定位销孔，根据夹角矩阵N调整卫星三轴与钻模立方镜之间的角度，使得立方镜9与卫星坐标系之间的夹角矩阵接近于N；并根据钻模板上的定位销孔配打卫星载荷舱底板上的定位销孔，由经纬仪交会得到立方镜9与卫星坐标系之间的3×3传递矩阵M₁,

$M_1=\left(\begin{array}{ccc}{m}_{11}& m_{12}& m_{13}\\ m_{21}& m_{22}& m_{23}\\ m_{31}& m_{32}& m_{33}\end{array}\right).$

（2）把钻模板放置在二维调整台上，用定位销将离轴相机定位于钻模板上，测量并调整二维调整台的俯仰角，使得离轴相机的线阵方向与大地水平。

如图3所示，将钻模板8放置在二维调整台12上，将离轴相机11用定位销定位于钻模板上的两个预设定位销孔中（即，与卫星定位在钻模板上相同的位置处），离轴相机以CCD作为成像器件13，首先，经纬仪测量线阵的两端A、C，调整二维调整台12的俯仰角，使得AC方向的线阵方向与大地水平。然后测试线阵四角得到视轴OS方向，图4中CCD四角中间点OS为离轴相机的视轴方向。

（3）由多台经纬仪交会测试以得到视轴在卫星坐标系滚转方向的夹角。

经纬仪交会得到立方镜9与离轴相机视轴之间的1×3夹角矩阵M₂=(m₂₁ m₂₂ m₂₃)。由公式M₃=M₂*M₁得到离轴相机视轴与卫星坐标系的1×3夹角矩阵M₃=(m₃₁ m₃₂ m₃₃)，则视轴在卫星坐标系滚转方向的夹角（即视轴在卫星坐标系YOZ平面的投影）θ,

$\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{{\cos m}_{32}}{{\cos m}_{33}}\right).$

（4）调整离轴相机以满足相机装星要求，并配打相机安装支架的定位销孔。

调整离轴相机11，离轴相机在钻模板上旋转一定角度，重复步骤（3）并计算θ，直至θ满足离轴相机装星要求；然后根据钻模板上的两个预设定位销孔的位置配打离轴相机安装支架的定位销孔以满足离轴相机视轴与卫星三轴的角度要求。

下面结合具体实例进一步描述根据本发明的离轴相机视轴的校准方法：

第一步，测试钻模板8与卫星的基准坐标系之间的关系。如图2所示，钻模板8的表面代表离轴相机和卫星的安装面（YZ面），在钻模板上预设两个定位销孔，两个定位销孔中放置的两个锥尖构成的连线10与卫星坐标系Z向存在一定的角度ε，法线方向作为X向，由此构成基准坐标系(X Y Z)，钻模板侧面上的立方镜9的三轴构成钻模坐标系(X_m Y_m Z_m)，由经纬仪交会得到立方镜9与基准坐标系之间的3×3夹角矩阵N,

$N=\left(\begin{array}{ccc}{n}_{11}& n_{12}& n_{13}\\ n_{21}& n_{22}& n_{23}\\ n_{31}& n_{32}& n_{33}\end{array}\right);$

然后，将卫星通过定位销定位于钻模板上两个预设的定位销孔，卫星总体根据钻模立方镜9与前述锥尖连线10的夹角矩阵N调整卫星三轴与钻模立方镜之间的角度，使得立方镜9与卫星坐标系之间的夹角矩阵接近于N；并根据钻模板上的定位销孔配打卫星载荷舱底板的定位销孔，此时由卫星总体利用多台经纬仪建站重新测试并提供钻模立方镜9与卫星坐标系之间的传递矩阵得到

$M_1=\left(\begin{array}{ccc}0.54& 89.462& 89.955\\ 90.538& 0.538& 89.999\\ 90.046& 90.004& 0.046\end{array}\right).$

第二步，将钻模板8放置在二维调整台12上，将离轴相机11用定位销定位于钻模板上，由经纬仪测试线阵两端A和C，通过调节二维调整台12使得CCD线阵两端与大地水平，线阵方向与大地水平误差小于0.001°，然后测试线阵四角得到视轴OS方向，在对线阵四角进行瞄准时，为了提高瞄准精度，采用多次测量取平均值的方法。

第三步，由经纬仪交会测量得到视轴OS与钻模立方镜9之间1×3夹角矩阵M₂=(84.081 90.011 5.918)，由公式M₃=M₂*M₁得到离轴相机视轴与卫星坐标系的1×3夹角矩阵M₃=(84.127 89.959 5.873)，则视轴在卫星坐标系YOZ平面的投影

第四步，逆时针旋转离轴相机11，并重复第三步的计算得到θ=0.057′，此时满足卫星总体要求θ≤1′的要求；然后，将离轴相机11与钻模板8之间固定并翻转90°，通过钻模板上的定位销孔的位置配打离轴相机安装支架的定位销孔，满足离轴相机视轴与卫星三轴的角度要求，从而保证了离轴相机装星后视轴的指向精度，提高了离轴相机在测绘领域的摄影测量精度。

本发明未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非用来限制本发明的保护范围。对于本领域的技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，可以对本发明做出若干的修改和替换，所有这些修改和替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种离轴相机视轴的校准方法，其特征在于，包括步骤：

(1)建立钻模板与卫星的基准坐标系之间的关系，并据以配打卫星载荷舱底板上的定位销孔；

(2)把钻模板放置在二维调整台上，用定位销将离轴相机定位于钻模板上，测量并调整二维调整台的俯仰角，使得离轴相机的线阵方向与大地水平；

(3)由多台经纬仪交会测试以得到视轴在卫星坐标系滚转方向的夹角；以及

(4)调整离轴相机以满足相机装星要求，并配打相机安装支架的定位销孔。

2.根据权利要求1所述的离轴相机视轴的校准方法，其特征在于：在所述步骤（1）中，钻模板的表面代表相机和卫星的安装面YZ面，其法线方向作为X向，由此构成基准坐标系(X Y Z)，钻模板侧面上的立方镜的三轴构成钻模坐标系(X_m Y_m Z_m)，由经纬仪交会得到立方镜与基准坐标系之间的3×3夹角矩阵 $N=\left(\begin{array}{ccc}{n}_{11}& n_{12}& n_{13}\\ n_{21}& n_{22}& n_{23}\\ n_{31}& n_{32}& n_{33}\end{array}\right),$ 然后，将卫星定位于钻模板上预设的定位销孔中，根据所述3×3夹角矩阵N调整卫星三轴与钻模立方镜之间的角度，使得立方镜与卫星坐标系之间的夹角矩阵接近于所述3×3夹角矩阵N；并根据钻模板上所述预设的定位销孔配打卫星载荷舱底板上的定位销孔，并由经纬仪交会得到立方镜与卫星坐标系之间的3×3传递矩阵：

$M_1=\left(\begin{array}{ccc}{m}_{11}& m_{12}& m_{13}\\ m_{21}& m_{22}& m_{23}\\ m_{31}& m_{32}& m_{33}\end{array}\right).$

3.根据权利要求2所述的离轴相机视轴的校准方法，其特征在于：在所述步骤（2）中，离轴相机也定位于钻模板上预设的定位销孔中，并以CCD作为成像器件，通过经纬仪测量线阵的两端，调整二维调整台的俯仰角，使得CCD的线阵方向与大地水平，并且线阵CCD四角的中间点为离轴相机的视轴方向。

4.根据权利要求1所述的离轴相机视轴的校准方法，其特征在于：在所述步骤（2）中，线阵方向与大地水平之间的误差小于0.001°。

5.根据权利要求3所述的离轴相机视轴的校准方法，其特征在于：在所述步骤（3）中，由经纬仪交会得到立方镜与离轴相机视轴之间的1×3夹角矩阵M₂=(m₂₁ m₂₂ m₂₃)，通过公式M₃=M₂*M₁得到离轴相机视轴与卫星坐标系的1×3夹角矩阵M₃=(m₃₁ m₃₂ m₃₃)，由此得到视轴在卫星坐标系滚转方向的夹角θ，

$\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{{\cos m}_{32}}{{\cos m}_{33}}\right).$

6.根据权利要求5所述的离轴相机视轴的校准方法，其特征在于：在所述步骤（4）中，逆时针旋转离轴相机，并重复所述步骤（3）的计算，直至计算得到的视轴在卫星坐标系滚转方向的夹角θ满足θ≤1′，然后将离轴相机与钻模板之间固定并翻转90°，根据钻模板上的两个预设定位销孔的位置配打离轴相机安装支架的定位销孔。

Images