CN114236962B - 一种多孔径相机亚像素偏移装调方法 - Google Patents

Abstract

一种多孔径相机的亚像素偏移装调方法，包括步骤如下：第一步，将焦面探测器用胶粘接或用紧固件连接在一个外结构框上，组合成焦面探测器组件；第二步，将焦面探测器组件通过调整垫片和光学镜头连接；第三步，在焦面探测器组件的外结构框的两个相邻的边框上安装亚像素偏移调整装置；第四步，通过测试得到各孔径对同一景物的成像像元差异，将该像元差异换算成距离差异，根据距离差异分别正向或反向旋转第一高精度测微头、第二高精度测微头、第三高精度测微头，实现焦面的平移和旋转。针对多孔径航天遥感相机焦面装调，提出了外置式、可拆卸、稳定性高、体积小巧的亚像素偏移调整装置，可以实现多孔径相机中焦平面的亚像素偏移精度的调整。

Description

一种多孔径相机亚像素偏移装调方法

技术领域

本发明涉及一种多孔径相机亚像素偏移装调方法，属于航天光学遥感器技术领域。

背景技术

航天遥感相机由焦面探测器和光学镜头组成。为方便表述，定义光轴方向为Z轴，垂直光轴的平面内的两个正交方向为X轴和Y轴，分别表示焦面探测器的行和列方向。焦面和镜头对接时，焦面有六维的变化量，即沿X轴的移动、沿Y轴的移动、沿Z轴的移动、绕X轴的旋转、绕Y轴的旋转和绕Z轴的旋转。

航天多孔径相机现在已进入实物验证阶段，该类相机的其中一个功能就是通过多个孔径获取对同一目标具有已知微量偏移量的多幅低分辨率图像，提取其中的冗余信息来进行超分辨率重构，以提升系统分辨率。利用多幅低分辨率图像进行高分辨率复原是欠采样图像复原的最佳解决方案。两探测器沿相互垂直的两方向错位0.1～0.9像元，可以获得同一目标场景具有亚像元位移量的亚像元图像对。当错位0.5像元时，超分辨率最高。因此，为了使得超分辨率效果最佳，对多孔径航天遥感相机的各个孔径对应焦面的偏移量的装调测试精度要求很高，而且在遥感相机发射过程中，会有很大的振动和冲击，所以对焦面探测器的稳定性要求也很高。另外，多孔径相机的结构比较紧凑，给装调装置预留的空间有限。

CN202010706939.5《一种焦平面组件调节装置及方法》公开的调节装置可实现焦平面的六维调整，可应用于地面测试，但结构复杂且稳定性差，不适用于航天遥感相机。CN201410113089.1《四维光学调整装置及其使用方法》公开的调整装置可实现沿两个方向的平移和绕两个方向的旋转，共四个自由度的调整，但在焦平面周围存在三层调节装置，因此不适用于在焦平面上紧凑排列的多孔径相机。

现有的焦平面组件调节装置，要满足高精度要求，一般都结构复杂，体积大、笨重，会增加载荷的重量，而且稳定性都不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提出一种多孔径相机亚像素偏移装调方法，其中沿Z轴的平移和沿X轴、Y轴的旋转通过垫片来调整，而沿X、Y轴的平移和沿Z轴的旋转通过外置式可拆卸亚像素微调装置实现。在焦面调整完成后，且螺纹副和螺纹头点胶、锁紧后，可以拆卸该微调装置，使得相机不额外引入外置机构，因此结构简单，稳定度高，抗冲击能力强，适用于航天领域遥感相机的结构。解决现有技术存在的装调难度大、需要反复迭代、结构复杂、抗干扰能力差的问题，实现超分辨率重构在航天遥感中的成功应用。而且该结构灵活性强，可适用于不同尺寸的探测器，只需要对装置做相应比例的放大和缩小即可。

本发明所采用的技术方案是：多孔径相机的亚像素偏移装调方法，包括步骤如下：

第一步，将焦面探测器用胶粘接或用紧固件连接在一个外结构框上，组合成焦面探测器组件；

第二步，将焦面探测器组件通过调整垫片和光学镜头连接，连接紧固件为螺钉；

第三步，在焦面探测器组件的外结构框的两个相邻的边框上安装亚像素偏移调整装置；

亚像素偏移调整装置包括第一高精度测微头、第二高精度测微头、第三高精度测微头、第一拉伸弹簧、第二拉伸弹簧、第三拉伸弹簧，在探测器行或列方向的两端分别设置第一高精度测微头、第二高精度测微头，第一高精度测微头、第二高精度测微头之间连线的中心设置一个第一拉伸弹簧；定义焦面探测器上安装有第一拉伸弹簧点边框为第一边框；在第一边框的相邻边框的中心安装一个第三高精度测微头，在第三高精度测微头的两侧分别安装第二拉伸弹簧、第三拉伸弹簧；

拉伸弹簧的作用是保证结构与测微头紧密连接，不产生空隙；

第一高精度测微头、第二高精度测微头和第一拉伸弹簧使得焦面探测器沿列或行方向产生偏移和绕Z轴在XOY平面内产生旋转；

第三高精度测微头和第二拉伸弹簧、第三拉伸弹簧使得焦面探测器沿另一方向产生偏移；

第四步，通过测试得到各孔径对同一景物的成像像元差异，将该像元差异换算成距离差异，根据距离差异分别正向或反向旋转第一高精度测微头、第二高精度测微头、第三高精度测微头，实现焦面的平移和旋转；调整完成后，锁紧紧固件，确认未发生锁紧偏移后，拆除外置的亚像素偏移调整装置。

需要注意的是，由于多孔径相机的结构紧凑，一般只有两个方向可以安置亚像素偏移调整装置，因此需要根据亚像素偏移调整装置的不同安装方向，将测得的差异值和调整的方向作相应调整。

可选择焦面探测器中任意一片先进行调整，再调整其他焦面探测器；也可以对多个孔径对应的焦面探测器同时调整。

本发明与现有技术相比的有益效果为：

本发明可以实现多孔径相机各自对应的焦面探测器的亚像素精度的偏移调整，调整方便，收敛速度快，而且在调整完成后可拆除，不会给遥感系统增加额外的机构和重量负担。而且使用该方法时多个孔径的焦面可以同时进行，可以进一步提高装调效率，最大化经济效益。针对多孔径航天遥感相机焦面装调，提出了外置式、可拆卸、稳定性高、体积小巧的亚像素偏移调整装置，可以实现多孔径相机中焦平面的亚像素偏移精度的调整。

附图说明

图1为四个探测器的物理结构排列示意图；

图2为四个焦面探测器中心像元的偏移量图；

图3为亚像素偏移调整装置图；

图4为多孔径同时安装亚像素偏移调整装置图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

随着各种应用需求的增多，成像系统要同时兼顾分辨率、幅宽等多维度指标，对传统光学遥感成像技术，特别是分辨率与幅宽等多重能力难以兼得的单孔径系统，提出了新的挑战。多孔径相机，通过多个小子孔径视场重叠与拼接设计，得到亚像素图像冗余信息，基于计算处理技术，达到增大系统等效口径、视场的目的，从而提高了系统的分辨率、幅宽等性能指标，且可增加系统的自由度，扩展系统的应用模式，为高效能对地遥感、空间探测提供了新的解决思路。

多孔径相机的亚像素偏移装调方法，包括步骤如下：

第一步，将焦面探测器用胶粘接或用紧固件连接在一个外结构框上，组合成焦面探测器组件；

第二步，将焦面探测器组件通过调整垫片和光学镜头连接，连接紧固件为螺钉；

第三步，在焦面探测器组件的外结构框的两个相邻的边框上安装亚像素偏移调整装置；

亚像素偏移调整装置包括第一高精度测微头1、第二高精度测微头3、第三高精度测微头5、第一拉伸弹簧2、第二拉伸弹簧4、第三拉伸弹簧6，在探测器行或列方向的两端分别设置第一高精度测微头1、第二高精度测微头3，第一高精度测微头1、第二高精度测微头3之间连线的中心设置一个第一拉伸弹簧2；定义焦面探测器上安装有第一拉伸弹簧2点边框为第一边框；在第一边框的相邻边框的中心安装一个第三高精度测微头5，在第三高精度测微头5的两侧分别安装第二拉伸弹簧4、第三拉伸弹簧6；

拉伸弹簧的作用是保证结构与测微头紧密连接，不产生空隙；

第一高精度测微头1、第二高精度测微头3和第一拉伸弹簧2使得焦面探测器沿列或行方向产生偏移和绕Z轴在XOY平面内产生旋转；

第三高精度测微头5和第二拉伸弹簧4、第三拉伸弹簧6使得焦面探测器沿另一方向产生偏移；

第四步，通过测试得到各孔径对同一景物的成像像元差异，将该像元差异换算成距离差异，根据距离差异分别正向或反向旋转第一高精度测微头1、第二高精度测微头3、第三高精度测微头5，实现焦面的平移和旋转；调整完成后，锁紧紧固件，确认未发生锁紧偏移后，拆除外置的亚像素偏移调整装置。

第一高精度测微头1、第二高精度测微头3和第三高精度测微头5的最小刻度为1μm，可实现灵敏度为0.1μm的微小进给。

需要注意的是，由于多孔径相机的结构紧凑，一般只有两个方向可以安置亚像素偏移调整装置，因此需要根据微调装置的不同安装方向，将测得的差异值和调整的方向作相应调整。

可选择焦面探测器中任意一片先进行调整，再调整其他焦面探测器；也可以对多个孔径对应的焦面探测器同时调整。

实施例：

以4个子孔径组成的多孔径相机为例进行说明。4个孔径光学结构相同，视场重叠，视场重叠区域进行超分辨率重构，4个子孔径对应的4个等效焦面的物理排列形式如图1所示。4个探测器焦面沿相互垂直的行和列两方向分别错位一定的像素，获得同一目标场景具有亚像元位移量的亚像元图像对。当错位0.5像元时，超分辨率最高，四个焦面探测器中心像元(C1、C2、C3、C4)的偏移量如图2所示。

探测器先用胶粘接或用紧固件连接在一个外结构框上，组合成探测器组件。该外结构框的作用一方面是作为探测器和镜头连接的媒介，另一方面是提供亚像素偏移调整装置安装的位置。

待探测器组件紧固完成后，将焦面探测器与光学镜头通过调整垫片和螺钉连接，而后通过常规的定焦方法确定沿光轴方向的位置，即确定垫片厚度。

然后，在探测器组件的两个相邻的方向安置亚像素偏移调整装置。该装置在探测器行(或列)方向两端有第一高精度测微头1、第二高精度测微头3，同时行(或列)方向中心有一个第一拉伸弹簧2；在探测器列(或行)方向中心有一个高精度测微头5，同时列(或行)方向两端各有第二拉伸弹簧4、第三拉伸弹簧6。拉伸弹簧的作用是保证结构与测微头紧密连接，不产生空隙。第一测微头1、第二测微头3和第一拉伸弹簧2的作用是使得焦面探测器沿列(或行)方向产生偏移和绕Z轴在XOY平面内产生旋转。第三测微头5和第二拉伸弹簧4、第三拉伸弹簧6的作用是使得焦面探测器沿行(或列)方向产生偏移。

可任意选择其中一片先进行调整，再调整其他焦面探测器。也可以多个孔径对应的探测器同时调整。

这里以第一焦面探测器的调整为例，如图3所示，说明其具体调整步骤：

(1)安装探测器组件，连接螺钉先不完全拧紧，以探测器可以发生微量移动为准。

(2)测试得到各个孔径的探测器对同一景物的成像像元差异，该差异有3个分量，即行方向的像元差异、列方向的像元差异和行(或列)像元的倾斜差异，将该像元差异换算成距离差异，即行方向的距离差异、列方向的距离差异和行(或列)像元的倾斜距离差异。

(3)根据行(或列)像元的倾斜距离差异值等值反向分别调整测微头1和3的进给行程。

(4)根据行方向的距离差异值和要求的差异值作差值，得到调整值，据此调整值调整第三测微头5的进给行程。

(5)根据列方向的距离差异值和要求的差异值作差值，得到调整值，据此调整值等量调整第一测微头1和第二测微头3的进给行程。

(6)重复(2)测试。若差异满足要求，则调整完成，继续下一步骤；若差异不满足要求，则重复(3)(4)(5)步骤，直至满足要求。

(7)拧紧连接螺钉，确认对准无误，撤去微调装置。

其中，行与列的定义是可以互换的，只需满足右手坐标系即可。需要注意的是，如图4所示，受到装调空间的制约，每片探测器可安装微调装置的方向都不同，应根据微调装置的安装方向不同，即行与列的方向不同，根据测得的差异值将调整的方向作相应调整。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (5)

1.一种多孔径相机的亚像素偏移装调方法，其特征在于，包括步骤如下：

第一步，将焦面探测器用胶粘接或用紧固件连接在一个外结构框上，组合成焦面探测器组件；

第二步，将焦面探测器组件通过调整垫片和光学镜头连接；

第三步，在焦面探测器组件的外结构框的两个相邻的边框上安装亚像素偏移调整装置；

第四步，通过测试得到各孔径对同一景物的成像像元差异，将该像元差异换算成距离差异，根据距离差异分别正向或反向旋转亚像素偏移调整装置的第一高精度测微头(1)、第二高精度测微头(3)、第三高精度测微头(5)，实现焦面的平移和旋转；调整完成后，锁紧紧固件，确认未发生锁紧偏移后，拆除外置的亚像素偏移调整装置；

亚像素偏移调整装置包括第一高精度测微头(1)、第二高精度测微头(3)、第三高精度测微头(5)、第一拉伸弹簧(2)、第二拉伸弹簧(4)、第三拉伸弹簧(6)，在探测器行或列方向的两端分别设置第一高精度测微头(1)、第二高精度测微头(3)，第一高精度测微头(1)、第二高精度测微头(3)之间连线的中心设置一个第一拉伸弹簧(2)；定义焦面探测器上安装有第一拉伸弹簧(2)点边框为第一边框；在第一边框的相邻边框的中心安装一个第三高精度测微头(5)，在第三高精度测微头(5)的两侧分别安装第二拉伸弹簧(4)、第三拉伸弹簧(6)。

2.根据权利要求1所述的一种多孔径相机的亚像素偏移装调方法，其特征在于，第一高精度测微头(1)、第二高精度测微头(3)和第一拉伸弹簧2使得焦面探测器沿列或行方向产生偏移和绕Z轴在XOY平面内产生旋转；

第三高精度测微头(5)和第二拉伸弹簧(4)、第三拉伸弹簧(6)使得焦面探测器沿另一方向产生偏移。

3.根据权利要求2所述的一种多孔径相机的亚像素偏移装调方法，其特征在于，第一高精度测微头(1)、第二高精度测微头(3)和第三高精度测微头(5)的最小刻度为1μm，可实现灵敏度为0.1μm的微小进给。

4.根据权利要求3所述的一种多孔径相机的亚像素偏移装调方法，其特征在于，需要根据亚像素偏移调整装置的不同安装方向，将测得的差异值和调整的方向作相应调整。

5.根据权利要求4所述的一种多孔径相机的亚像素偏移装调方法，其特征在于，选择焦面探测器中任意一片先进行调整，再调整其他焦面探测器；或对多个孔径对应的焦面探测器同时调整。