CN211012997U - 一种三轴航空相机轴系误差和指向误差的测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种三轴航空相机轴系误差和指向误差的测量装置，属于航空相机参数测量技术领域。在航空相机三个轴系上设置双轴倾角传感器、单轴倾角传感器和角度传感器，对三个轴系进行不同角度旋转，利用多种传感器实时测量不同位置点的角度变化量；进行数据处理得到三个轴系在光轴经过位置重合点的轴系误差；经过位置重合点轴系误差得到三轴航空相机在三个轴系角度旋转时的指向误差。优点是：使用多种传感器配合三轴航空相机旋转实时采集倾角信息，设备简单，操作方便灵活，避免引入其余误差；本实用新型的测量方法不只局限于本发明提到的三轴航空相机，也可以测量其他多轴姿态稳定平台的轴系误差。

Description

一种三轴航空相机轴系误差和指向误差的测量装置

技术领域

本实用新型涉及航空相机参数测量技术领域，尤其涉及一种三轴航空相机轴系误差和指向误差的测量装置。

背景技术

航空相机主要由机械轴系支撑结构和光电成像系统组成，可以实施对地面目标的实时图像捕捉，具有其他遥感平台不具备的时效性和灵活性，被广泛的应用在军事侦察、灾害防治、资源探测、商业开发等领域。

近年来，航空相机一直在向高分辨率和大视场方向发展，从而对机械结构提出越来越高的要求，轴系误差的存在会导致成像过程中指向误差的产生，进而严重影响成像质量，因此需要对航空相机的轴系误差和指向误差进行测量。目前，航空相机指向误差的测量方法是使用高精度的多轴转台来补偿航空相机轴系旋转角度，利用光电自准直仪的光路模拟光轴路径，通过在成像系统前端粘贴反射镜来测量回转误差，该方法需要用到多种高精密配套设备，存在其余误差项的干扰且装置尺寸较大、操作复杂。

发明内容

本实用新型提出一种三轴航空相机轴系误差和指向误差的测量装置，能够对轴系误差和指向误差进行实时精确测量且操作简单便捷。

本实用新型采取的技术方案是，包括反射镜，透镜和CCD，航空相机基座，外框架，信号采集装置安装在航空相机基座的侧面，双轴倾角传感器一、双轴倾角传感器二、双轴倾角传感器三、双轴倾角传感器四安装在反射镜镜面四个直角端点位置处，该传感器紧贴反射镜镜面且四个双轴倾角传感器与旋转轴线距离相同；单轴倾角传感器一、单轴倾角传感器二、单轴倾角传感器三、单轴倾角传感器四安装在透镜和CCD的旋转轴系框架左右端面的上下圆弧顶位置处，四个单轴倾角传感器与旋转轴线距离相同；角度传感器与旋转轴固定连接且x轴方向与旋转轴线重合；双轴倾角传感器五、双轴倾角传感器六、双轴倾角传感器七、双轴倾角传感器八安装在外框架的旋转轴系框架上下端面左右端点位置处，四个双轴倾角传感器与旋转轴线距离相同，信号采集装置通过信号采集模块采取各传感器的信号，并为各传感器供电，采集到的信号通过信号传输模块上传。

本实用新型有益效果是：使用多种传感器配合三轴航空相机旋转实时采集倾角信息，设备简单，操作方便灵活，避免引入其余误差；本实用新型首先测量三轴的轴系误差，然后利用数学模型推导出轴系误差导致的指向误差偏差量，建立起轴系误差与指向误差的直接联系，为后续的误差消除工作提供重要参考；本实用新型的测量方法不只局限于本实用新型提到的三轴航空相机，也可以测量其他多轴姿态稳定平台的轴系误差。

附图说明

图1a是本实用新型中三轴航空相机和测量系统结构示意图；

图1b是本实用新型中测量装置电路原理示意图；

图2是本实用新型中反射镜的旋转轴系双轴倾角传感器安装位置示意图；

图3是本实用新型中透镜和CCD的旋转轴系单轴倾角传感器和角度传感器安装位置示意图；

图4是本实用新型中外框架的旋转轴系双轴倾角传感器安装位置示意图；

图5是本实用新型中各旋转轴系的坐标系及坐标系之间的位移和旋转关系图；

图6是本实用新型中反射镜的旋转轴系误差原理图；

图7是本实用新型中透镜和CCD的旋转轴系误差原理图；

图8是本实用新型中外框架的旋转轴系误差原理图。

具体实施方式

包括反射镜1，透镜和CCD2，航空相机基座3，外框架4，信号采集装置5安装在航空相机基座3的侧面，双轴倾角传感器一7、双轴倾角传感器二8、双轴倾角传感器三9、双轴倾角传感器四10安装在反射镜1镜面四个直角端点位置处，该传感器紧贴反射镜1镜面且四个双轴倾角传感器与旋转轴线距离相同；单轴倾角传感器一11、单轴倾角传感器二12、单轴倾角传感器三13、单轴倾角传感器四14安装在透镜和CCD的旋转轴系框架左右端面的上下圆弧顶位置处，四个单轴倾角传感器与旋转轴线距离相同；角度传感器15与旋转轴固定连接且x轴方向与旋转轴线重合；双轴倾角传感器五16、双轴倾角传感器六17、双轴倾角传感器七18、双轴倾角传感器八19安装在外框架的旋转轴系框架上下端面左右端点位置处，四个双轴倾角传感器与旋转轴线距离相同，信号采集装置5通过信号采集模块采取各传感器的信号，并为各传感器供电，采集到的信号通过信号传输模块上传。

下面结合附图对本实用新型进行详细说明。

如图1a所示，三轴航空相机结构包括反射镜1，透镜和CCD2，航空相机基座3，外框架4。信号采集装置5作为信号采集模块和传感器供电模块集成安装在航空相机基座3的侧面。地面的景物光线首先从航空相机窗口进入反射镜1镜面，光线经过反射镜1镜面的反射折转到达透镜组，最后聚焦于CCD的焦平面形成完整图像。测量系统会实时将各个传感器输出的信号经过信号采集装置5传输到上位机6，解算出在三轴旋转过程中的轴系误差和指向误差。

如图1b电路原理示意图所示，双轴倾角传感器一7，双轴倾角传感器二8，双轴倾角传感器三9，双轴倾角传感器四10，单轴倾角传感器一11，单轴倾角传感器二12，单轴倾角传感器三13，单轴倾角传感器四14，角度传感器15，双轴倾角传感器五16，双轴倾角传感器六17，双轴倾角传感器七18，双轴倾角传感器八19分别由信号采集装置5供电，在实验过程中分别将采集的信号实时传输给信号采集装置5的信号采集模块，由信号采集装置5通过信号输出模块传输到上位机6。

反射镜1的旋转轴系，透镜和CCD2的旋转轴系和外框架4的旋转轴系的轴线两两垂直。反射镜1的旋转轴系的基准位置为反射镜1镜面朝下与水平面呈45°角，通过轴系旋转负责航空相机±15°的俯仰方向角度需求；透镜和CCD2的旋转轴系的基准为透镜和CCD2的光轴指向方向与飞行器飞行方向平行，通过轴系旋转负责航空相机±5°的偏航方向角度需求；外框架4的旋转轴系的基准为框架底面与水平面平行，负责航空相机±45°的横滚方向角度需求。

双轴倾角传感器一7，双轴倾角传感器二8，双轴倾角传感器三9，双轴倾角传感器四10安装位置如图2所示，在反射镜1镜面四个直角端点位置处安装四个双轴倾角传感器，传感器紧贴反射镜镜面且四个双轴倾角传感器与旋转轴线距离相同。传感器的x轴倾角测量方向与反射镜的旋转轴线垂直，x轴方向可以测量反射镜的轴系在指令控制下实际的旋转角度，当实际旋转角度与指令控制旋转角度存在误差时，x轴输出的角度信号就会与控制指令的信号不相同，就会导致轴系回转误差的产生；y轴倾角测量方向与反射镜旋转轴线平行，y轴理想情况下输出信号应该始终为0，当轴系旋转过程中存在轴系倾角误差时，y轴方向可以测量反射镜轴系旋转过程中产生的轴系倾角误差，倾角误差同样会对指向精度造成影响。

单轴倾角传感器一11，单轴倾角传感器二12，单轴倾角传感器三13，单轴倾角传感器四14安装在如图3所示位置处，透镜和CCD2的旋转轴系框架左右端面的上下圆弧顶位置处各安装两个单轴倾角传感器，四个单轴倾角传感器与旋转轴线距离相同。传感器的x轴倾角测量方向与旋转轴线平行，在理想情况下x轴方向输出角度应该一直为90°，当轴系误差存在时，x轴可以测量在轴系旋转过程中产生的轴系倾角误差。角度传感器一15安装位置如图3所示，与旋转轴固定连接且x轴方向与旋转轴线重合，测量透镜和CCD2的旋转轴系在指令控制下实际的旋转角度，当实际旋转角度与指令控制旋转角度存在误差时，x轴输出的角度信号就会与控制指令的信号不相同，就会导致轴系回转误差的产生。

双轴倾角传感器五16，双轴倾角传感器六17，双轴倾角传感器七18，双轴倾角传感器八19安装位置如图4所示，外框架3的旋转轴系框架上下端面各安装两个双轴倾角传感器，四个双轴倾角传感器与旋转轴线距离相同。传感器的x轴倾角测量方向与旋转轴线垂直，x轴方向可以测量外框架的轴系在指令控制下实际的旋转角度，当实际旋转角度与指令控制旋转角度存在误差时，x轴输出的角度信号就会与控制指令的信号不相同，就会导致轴系回转误差的产生；y轴倾角测量方向与飞行器飞行方向平行，理想情况下y轴输出一直为0，当轴系倾角误差存在时，y轴方向可以测量外框架的轴系旋转过程中产生的轴系倾角误差。

如图5所示，建立三轴航空相机的各轴系坐标系，通过多坐标系间齐次坐标变换的分析方法，可以得出单独三个轴系旋转误差综合起来对指向精度造成的影响。最终成像坐标系定义为CCD焦平面坐标系{f}，该坐标系以CCD焦平面中心为坐标原点，x轴为光轴方向，y轴竖直向上，坐标系符合右手定则；透镜和CCD的旋转轴系初始位置坐标系{y₀}，该坐标系坐标原点为光轴与轴线的交点，x轴为光轴方向，y轴为轴线方向，坐标系符合右手定则；反射镜的旋转轴系初始位置坐标系{p₀}，该坐标系坐标原点为光轴在反射镜镜面的折转点，x轴为景物光轴入射方向，y轴为飞行器飞行方向，z轴为轴线方向，坐标系符合右手定则；外框架的旋转轴系初始位置坐标系{r₀}，该坐标系坐标原点为外框架结构的轴线中心点，x轴竖直向下，y轴为飞行器飞行方向，坐标系符合右手定则；航空相机基座坐标系{c}，该坐标系坐标原点为基座中心点，x轴竖直向下，y轴为飞行器飞行方向，坐标系符合右手定则。上述坐标系均为轴系无旋转情况下定义的基准坐标系，之后进行三轴航空相机各轴系坐标系之间的坐标变换矩阵推导，得出轴系误差与指向误差之间的联系。

当各轴系在理想情况下旋转时，在CCD焦平面坐标系中入射光线向量为：

式中ν_f为CCD焦平面坐标系中入射光线向量。

透镜和CCD的旋转轴系绕y轴旋转α之后，透镜和CCD的旋转轴系坐标系与CCD焦平面坐标系之间的变换矩阵关系为：

式中T_fy0为理想情况下透镜和CCD的旋转轴系坐标系与CCD焦平面坐标系之间的变换矩阵，α为透镜和CCD的旋转轴系绕y轴旋转角度。

反射镜的旋转轴系绕z轴旋转β，由于光线经过反射镜的反射，当反射镜旋转β时，经过反射镜的光线会产生2β的旋转角，反射镜的旋转轴系坐标系与透镜和CCD的旋转轴系坐标系之间的变换矩阵关系为：

式中T_y0p0为理想情况下反射镜的旋转轴系坐标系与透镜和CCD的旋转轴系坐标系之间的变换矩阵，β为反射镜的旋转轴系绕z轴旋转角度。

外框架的旋转轴系绕y轴旋转γ之后，航空相机基座坐标系与反射镜的旋转轴系坐标系之间的变换矩阵关系为：

式中T_p0c为理想情况下航空相机基座坐标系与反射镜的旋转轴系坐标系之间的变换矩阵，γ为外框架的旋转轴系绕y轴旋转角度。

三轴航空相机进行上述三个轴系角度旋转，可以得出由CCD焦平面坐标系到航空相机基座坐标系的理想坐标变换矩阵为：

式中T_total为CCD焦平面坐标系到航空相机基座坐标系的理想坐标变换矩阵。

即理想情况下，在航空相机基座坐标系中入射光线向量为：

式中ν_c为理想情况下航空相机基座坐标系中入射光线向量。

在实际情况下，三个轴系旋转过程中会不可避免的产生轴系误差，轴系误差的存在会导致指向误差的产生。如图6所示，反射镜的旋转轴系初始坐标系o_p0-x_p0y_p0z_p0在理想情况下绕z轴旋转β之后为理想变换位置的坐标系，但是由于轴系误差的存在，实际坐标系变换位置会偏离理想坐标系。将轴系误差分为两类，一类为控制旋转过程中控制精度不够导致的轴系回转误差，轴系回转误差即为图6所示的a₁；一类为旋转过程中轴系装配等问题导致的轴系倾角误差，轴系倾角误差即为图6所示的a₂。如图7所示，透镜和CCD的旋转轴系初始坐标系o_y0-x_y0y_y0z_y0在理想情况下绕y轴旋转α之后为理想变换位置的坐标系，但是由于轴系误差的存在，实际坐标系变换位置会偏离理想坐标系。轴系回转误差即为图7所示的a₃；轴系倾角误差即为图7所示的a₄。如图8所示，外框架的旋转轴系初始坐标系o_r0-x_r0y_r0z_r0在理想情况下绕y轴旋转γ之后为理想变换位置的坐标系，但是由于轴系误差的存在，实际坐标系变换位置会偏离理想坐标系。轴系回转误差即为图8所示的a₅；轴系倾角误差即为图8所示的a₆。

在本实用新型的实施例中，反射镜1的旋转轴系受控制指令进行β角度的旋转，理想情况下双轴倾角传感器一7，双轴倾角传感器二8，双轴倾角传感器三9，双轴倾角传感器四10的x轴方向会分别实时输出一个45°+β的倾角信号，y轴方向会输出0信号。但是由于轴系误差的存在，双轴倾角传感器一7，双轴倾角传感器二8，双轴倾角传感器三9，双轴倾角传感器四10的x轴方向分别实时输出θ₁、θ₃、θ₅、θ₇的倾角信号，y轴方向会分别输出θ₂、θ₄、θ₆、θ₈的倾角信号。

在本实用新型的实施例中，透镜和CCD2的旋转轴系受控制指令进行α角度的旋转，理想情况下角度传感器一15会实时输出α的角度信号。但是由于轴系回转误差的存在，角度传感器一15的x轴方向会实时输出θ₉的倾角信号。单轴倾角传感器一11，单轴倾角传感器二12，单轴倾角传感器三13，单轴倾角传感器四14理想情况下会实时输出0信号，但是由于轴系回转误差的存在，单轴倾角传感器一11，单轴倾角传感器二12，单轴倾角传感器三13，单轴倾角传感器四14的x轴方向会分别实时输出θ₁₀、θ₁₁、θ₁₂、θ₁₃的倾角信号。

在本实用新型的实施例中，外框架4的旋转轴系受控制指令进行γ角度的旋转，理想情况下双轴倾角传感器五16，双轴倾角传感器六17，双轴倾角传感器七18，双轴倾角传感器八19的x轴方向会分别实时输出γ的倾角信号，y轴方向会输出0信号。但是由于轴系误差的存在，双轴倾角传感器五16，双轴倾角传感器六17，双轴倾角传感器七18，双轴倾角传感器八19的x轴方向会分别实时输出θ₁₄、θ₁₆、θ₁₈、θ₂₀的倾角信号，y轴方向会分别输出θ₁₅、θ₁₇、θ₁₉、θ₂₁的倾角信号。将各个位置点传感器得到的实时角度变化量进行数据处理，实时角度变化经过信号采集装置5传输到上位机6，之后输出6项轴系角度变化量为：

式中a₁为反射镜的旋转轴系回转误差；a₂为反射镜的旋转轴系倾角误差；a₃为透镜和CCD的旋转轴系回转误差；a₄为透镜和CCD的旋转轴系倾角误差；a₅为外框架的旋转轴系回转误差；a₆为外框架的旋转轴系倾角误差；θ₁、θ₂分别为双轴倾角传感器一的x轴、y轴方向输出信号；θ₃、θ₄分别为双轴倾角传感器二的x轴、y轴方向输出信号；θ₅、θ₆分别为双轴倾角传感器三的x轴、y轴方向输出信号；θ₇、θ₈分别为双轴倾角传感器四的x轴、y轴方向输出信号；θ₉为角度传感器一的x轴方向输出信号；θ₁₀、θ₁₁、θ₁₂、θ₁₃分别为单轴倾角传感器一，单轴倾角传感器二，单轴倾角传感器三，单轴倾角传感器四的x轴方向输出信号；θ₁₄、θ₁₅分别为双轴倾角传感器五的x轴、y轴方向输出信号；θ₁₆、θ₁₇分别为双轴倾角传感器六的x轴、y轴方向输出信号；θ₁₈、θ₁₉分别为双轴倾角传感器七的x轴、y轴方向输出信号；θ₂₀、θ₂₁分别为双轴倾角传感器八的x轴、y轴方向输出信号。

通过各个传感器可以实时得出反射镜的旋转轴系轴系误差、透镜和CCD的旋转轴系轴系误差、外框架的旋转轴系轴系误差，利用相关数学模型即可得出轴系误差存在导致的指向误差。三轴航空相机进行上述三个轴系角度旋转，可以得出实际情况下由CCD焦平面坐标系到基座坐标系的实际坐标变换矩阵为：

式中T′_fy0为实际情况下透镜和CCD的旋转轴系坐标系与CCD焦平面坐标系之间的变换矩阵，α为透镜和CCD的旋转轴系绕y轴旋转角度，a₃为透镜和CCD的旋转轴系回转误差，a₄为透镜和CCD的旋转轴系倾角误差，T′_y0p0为实际情况下反射镜的旋转轴系坐标系与透镜和CCD的旋转轴系坐标系之间的变换矩阵，β为反射镜的旋转轴系绕z轴旋转角度，a₁为反射镜的旋转轴系回转误差，a₂为反射镜的旋转轴系倾角误差，T′_p0c为实际情况下航空相机基座坐标系与反射镜的旋转轴系坐标系之间的变换矩阵，γ为外框架的旋转轴系绕y轴旋转角度，a₅为外框架的旋转轴系回转误差，a₆为外框架的旋转轴系倾角误差，T′_total为实际情况下CCD焦平面坐标系到航空相机基座坐标系的坐标变换矩阵。

即实际情况下，在基座坐标系中指向向量为：

式中ν′_c为实际情况下航空相机基座坐标系中入射光线向量，ν_f为CCD焦平面坐标系中入射光线向量。

根据式(6)和式(12)，可以得到理想指向向量和实际指向向量之间的夹角为：

式中θ为轴系误差存在情况下航空相机的指向误差。

式(13)中理想指向向量和实际指向向量之间的夹角即三轴航空相机的指向误差。

综上所述，本实用新型利用多个传感器实时测量三轴航空相机三个轴系的轴系回转误差和轴系倾角误差，建立各轴系坐标系之间的齐次坐标变换矩阵，利用数学模型求解出轴系回转误差和轴系倾角误差导致的指向误差偏差量，解决了现有测量方法对配套设备精度要求高、不够灵活、操作复杂的问题，同时建立起轴系误差与指向误差的直接联系，为后续的误差消除工作提供重要参考。

Claims (1)

1.一种三轴航空相机轴系误差和指向误差的测量装置，包括反射镜，透镜和CCD，航空相机基座，外框架，其特征在于：信号采集装置安装在航空相机基座的侧面，双轴倾角传感器一、双轴倾角传感器二、双轴倾角传感器三、双轴倾角传感器四安装在反射镜镜面四个直角端点位置处，且四个双轴倾角传感器与旋转轴线距离相同；单轴倾角传感器一、单轴倾角传感器二、单轴倾角传感器三、单轴倾角传感器四安装在透镜和CCD的旋转轴系框架左右端面的上下圆弧顶位置处，四个单轴倾角传感器与旋转轴线距离相同；角度传感器与旋转轴固定连接且x轴方向与旋转轴线重合；双轴倾角传感器五、双轴倾角传感器六、双轴倾角传感器七、双轴倾角传感器八安装在外框架的旋转轴系框架上下端面左右端点位置处，四个双轴倾角传感器与旋转轴线距离相同，信号采集装置通过信号采集模块采取各传感器的信号，并为各传感器供电，采集到的信号通过信号传输模块上传。

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