CN108956101A - 一种相机视轴变化的测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种相机视轴变化的测量装置和测量方法，该测量装置包括：太阳模拟器、无限远目标模拟器、低温真空环境、放置于低温真空环境并保持常温工作状态可以承载待测相机的二维高精度转台，测试中令待测相机在测量装置内对无限远目标模拟器成像，之后对成像数据进行定位解算推演得到相机在轨工作典型工况条件下的视轴指向变化。该测试方法可以应用于空间光学遥感仪器地面性能检测，为相机在轨性能评估和在轨工作预案设置提供测试数据支撑。

Description

一种相机视轴变化的测量装置和测量方法

技术领域

本技术发明属于空间光学遥感仪器地面性能检测领域，应用于空间光学遥感仪器地面性能检测，为相机在轨性能评估和在轨工作预案设置提供测试数据支撑。

背景技术

工作在地球静止轨道三轴稳定卫星平台上的相机，其工作温度环境恶劣，每天一个温度小循环，一年一个温度大循环，致使相机部分暴露在外边的光学元件的温差可以达到50K，除了对相机的成像像质，比如能量集中度和传递函数具有重要的影响，对相机的视轴指向具有严重影响，直接影响待测物的探测定位精度。

为了评估相机的像质和视轴指向，从业人员通常采用实验室内完成相机相机和内方位元素的测试，目前尚无模拟相机在轨工作环境下像质和视轴指向的地面测试方法，而高精度的地面测量数据为制定在轨工作模式和工作预案的必要基础。

发明内容

为相机制定在轨工作模式和工作预案提供高精度的在轨工作环境下像质和视轴指向变化数据，本发明公开一种相机视轴变化的测量装置和测量方法。其中测量装置包括：太阳模拟器、目标模拟器、低温真空环境、放置于低温真空环境并保持常温工作状态可以承载待测相机的二维高精度转台。太阳模拟器和目标模拟器分别位于二维高精度转台两侧并与低温真空环境连通。在无限远目标模拟器焦平面处放置靶标，靶标之后放置目标光源。靶标图案包括一个中心圆斑和位于圆斑两侧的两个十字叉，其中中心圆斑在无限远目标模拟器中的视场张角约为5至10倍于待测相机分辨率，十字叉线宽小于一倍相机分辨率，十字叉大小约为10倍相机分辨率。上述中心圆斑和位于圆斑两侧的两个十字叉为靶标透光区域，靶标其他区域为非透光区域。根据工作相机工作谱段和待测目标的强度，目标光源可以选择为可见积分球或者高温热黑体，其光源辐射面覆盖靶标面。该测试设备可以用于地球静止轨道三轴稳定卫星平台相机视轴变化的测试。

测量方法是首先令待测相机在测量装置内对目标模拟器成像，之后对成像数据进行定位解算推演得到相机在地球静止轨道三轴稳定卫星平台上典型工况条件下的视轴指向变化，具体步骤如下：

1)将待测相机隔热近零应力放置并固定于同时具备太阳模拟器和无限远目标模拟器的低温真空环境中的二维高精度转台上，之后关罐抽真空；

2)待真空度满足试验要求，开启相机和无限远目标模拟器，相机扫描指向机构控制在复位位置，调整二维高精度转台位置，令相机中心视场与目标模拟器的中心视场重合，之后相机以正常工作模式对目标模拟器成像，同时记录成像数据和二维高精度转台方位位置ω和俯仰位置φ；

3)关闭无限远目标模拟器，相机处于在轨正常工作模式，开启太阳模拟器，转动二维高精度转台，转台速度为360度/24小时，实现太阳光照射地球静止轨道三轴稳定卫星平台相机的模拟效果，待相机温度场平衡，开启无限远目标模拟器，记为测试起始时刻To；

4)将24小时进行n等分，其中n为大于1小于等于48的整数，当To+24/n时刻，控制转台至方位ω，俯仰φ的位置，扫描指向机构控制在复位位置，相机对无限远目标模拟器成像，并记录成像数据，成像后恢复转台热控循环工况位置，当To+2×24/n时刻，再次控制转台至方位ω，俯仰φ的位置，如此往复测量，直至完成24小时内的n+1次测量；

5)对成像数据进行处理分析，首先计算第2)测试步骤获得的成像数据目标模拟器靶标图案中心圆斑的中心在图像坐标系的位置坐标(Xo，Yo)，之后计算得到n+1个时刻目标模拟器靶标图案中心圆斑的中心在图像坐标系的位置坐标(Xi，Yi)，其中i取值为1至n+1的整数，和两十字叉的在图像坐标系的位置坐标(X1i，Y1i)和(X2i，Y2i)，以及间距利用靶标图案中两十字叉在无限远目标模拟器对应的视场夹角θ，计算得到上述n+1个时刻相机的焦距fi＝Li/θ，以及随时间变化的相机指向变化量δxi＝(Xi-Xo)/fi；δyi＝(Yi-Yo)/fi。

该测试方法通过调整转台角度和转速，用于低轨、中轨、大椭圆轨道的空间光学相机的视轴指向测量。比如，对低轨太阳同步轨道，根据相机在轨工作时每个周期内相机与太阳光束之间的方位角随时间变化情况，随时间调整二维高精密转台位置，模拟相机与太阳光束之间的位置关系，从而实现相机在轨温度场的地面模拟，待温度场稳定，按照上述测试步骤进行相机视轴指向测量与解算。

附图说明

图1：模拟在轨环境下的相机视轴指向变化测试布局图。

图2：目标模拟器靶标图案。

图3：在模拟在轨环境下的相机视轴指向变化测试结果。

具体实施方式

对将来工作在地球静止轨道三轴卫星平台的某空间光学相机，进行模拟空间环境下的视轴指向变化地面试验测试。

该空间光学相机采用Cook型三反式光学结构实现一维光学成像，再加一维扫描实现大视场范围成像。其中一维光学视场配合线列光电探测器完成成像信息记录。具体试验如下：

1)首先按照图1测试设备组成与布局搭建测试设备，其中，目标模拟器光轴和太阳模拟器出射光束中心线与大地基本水平，二维高精度转台，俯仰角覆盖被测相机线列方向的视场角，方位角为360度。对二维高精度转台进行温控措施，保证实验中，二维高精度转台位置的稳定性，以及测角精度。

2)设计“L”工装将相机在轨对地方向转至水平方向，放置于真空低温罐内的二维高精密转台上，其中，“L”工装实施热控措施，与相机采用柔性连接，保证实验过程，避免“L”工装给相机施加非在轨工作环境力，影响相机视轴测试精度。

3)设备、相机接地导通测试，进行通电测试，确认无连接问题后，相机关机，开启热控控制系统，真空罐关罐，抽真空，通液氮。

4)待真空罐真空度优于5E-2Pa，热沉温度稳定在-173℃±10℃范围之内，目标模拟器腔体温度稳定在16℃～22℃之间，并保持8小时以上时，开启相机和无限远目标模拟器，相机扫描指向机构控制在复位位置，调整二维高精度转台位置，令相机中心视场与目标模拟器的中心视场重合，记录二维高精度转台位置(ω，φ)，驱动相机进行正常工作模式对目标模拟器成像记录成像数据。

5)关闭无限远目标模拟器，相机处于在轨正常工作模式，开启太阳模拟器，转动二维高精度转台，转台速度为360度/24小时，进行相机工况温度场平衡，监测相机温度场，待第二天相机温度场与前一天相机温度场变化小于2K时，视为相机共工作温度场稳定，开启目标模拟器，记作To时刻；

6)一天24小时进行12等分，当To+1小时时，控制转台至(ω，φ)位置，相机正常工作模拟对无限远目标模拟器成像，并记录成像数据，之后恢复转台至热控循环工况位置继续温度场循环，To+2小时时，再次控制转台至(ω，φ)位置，如此往复测量，直至完成24小时内的13次测量；

7)对成像数据进行处理分析，首先计算第4)测试步骤获得的成像数据目标模拟器靶标图案中心圆斑的中心在图像坐标系的位置坐标(Xo，Yo)，之后计算得到13个时刻目标模拟器靶标图案中心圆斑的中心在图像坐标系的位置坐标(Xi，Yi)，其中i取值为1至13的整数，和两十字叉的在图像坐标系的位置坐标(X1i，Y1i)和(X2i，Y2i)，以及间距利用靶标图案中两十字叉在无限远目标模拟器对应的视场夹角θ，计算得到上述n+1个时刻相机的焦距fi＝Li/θ，以及随时间变化的相机指向变化δxi＝(Xi-Xo)/fi；δyi＝(Yi-Yo)/fi。

Claims (2)

1.一种相机视轴变化的测量装置，其特征在于：

所述的测量装置包括：太阳模拟器、无限远目标模拟器、低温真空环境、放置于低温真空环境并保持常温工作状态可以承载待测相机的二维高精度转台，太阳模拟器和目标模拟器分别位于二维高精度转台两侧并与低温真空环境连通，无限远目标模拟器的靶标图案包括一个中心圆斑和位于圆斑两侧的两个十字叉，其中中心圆斑在无限远目标模拟器中的视场张角为5至10倍于待测相机分辨率，十字叉线宽小于一倍相机分辨率，十字叉大小为10倍相机分辨率。

2.一种基于权利要求1所述的一种相机视轴变化的测量装置的测量方法，其特征在于方法步骤如下：

1)将待测相机隔热近零应力放置并固定于同时具备太阳模拟器和无限远目标模拟器的低温真空环境中的二维高精度转台上，之后关罐抽真空；

2)待真空度满足试验要求，开启相机和无限远目标模拟器，相机扫描指向机构控制在复位位置，调整二维高精度转台位置，令相机中心视场与目标模拟器的中心视场重合，之后相机以正常工作模式对目标模拟器成像，同时记录成像数据和二维高精度转台方位位置ω和俯仰位置φ；

3)关闭无限远目标模拟器，相机处于在轨正常工作模式，开启太阳模拟器，转动二维高精度转台，转台速度为360度/24小时，实现太阳光照射在轨相机的模拟效果，待相机温度场平衡，开启无限远目标模拟器，记为测试起始时刻To；

4)将24小时进行n等分，其中n为大于1小于等于48的整数，当To+24/n时刻，控制转台至方位ω，俯仰φ的位置，扫描指向机构控制在复位位置，相机对无限远目标模拟器成像，并记录成像数据，成像后恢复转台热控循环工况位置，当To+2×24/n时刻，再次控制转台至方位ω，俯仰φ的位置，如此往复测量，直至完成24小时内的n+1次测量；

5)对成像数据进行处理分析，首先计算第2)测试步骤获得的成像数据目标模拟器靶标图案中心圆斑的中心在图像坐标系的位置坐标(Xo，Yo)，之后计算得到n+1个时刻目标模拟器靶标图案中心圆斑的中心在图像坐标系的位置坐标(Xi，Yi)，其中i取值为1至n+1的整数，和两十字叉的在图像坐标系的位置坐标(X1i，Y1i)和(X2i，Y2i)，以及间距利用靶标图案中两十字叉在无限远目标模拟器对应的视场夹角θ，计算得到上述n+1个时刻相机的焦距fi＝Li/θ，以及随时间变化的相机指向变化量δxi＝(Xi-Xo)/fi；δyi＝(Yi-Yo)/fi。