三线阵测绘相机光学系统的设计和公差分析

针对三线阵测绘相机光学系统设计的指标要求,综合考虑空间环境适应性、结构布局等因素,采用像方远心光路设计了一种兼具匹兹瓦型与对称型优点的新型光学系统结构.该系统在Nyquist频率77 lp/mm时,正视相机全视场的平均传递函数为0.613,前、后视相机全视场的平均传递函数为0.578;正视相机畸变为2 × 10(-5)...     

大视场三线阵航空测绘相机光学系统设计

针对大视场、高分辨率、低畸变和环境适应性要求高的三线阵航空测绘相机光学系统设计要求,开展新型光学系统结构形式设计:首先,根据总体方案要求以及稳定平台安装特点,确定了单镜头的技术方案;接着,分析计算了光学系统各项指标参数,光学系统拉氏不变量达到9.5;然后,对比分析了非像方远心光路、像方远心光路和准像方远心光路的结构形式;最后,设计了一种航空环境适应性良好的双高斯复杂化失对称准像方远心光学系统结构形式。设计的光学系统成像质量好,在全色谱段内的Nyquist频率为100lp/mm,全视场调制传递函数均优于0.36;分别在R、G、B谱段的Nyquist频率为50lp/mm,全视场调制传递函数均优于0.6。光学系统全视场最大相对畸变优于0.1%,在均匀温度0~40℃范围内,全色谱段调制传递函数优于0.3。实验室鉴别率板测试结果表明,相机静态分辨率达到102lp/mm;飞行验证试验结果表明,相机摄影分辨率达到0.16m@2km航高。光学系统设计完全满足大视场三线阵航空测绘相机环境适应性和分辨率的要求。     

三线阵立体测绘相机热控系统的设计

为了保证测绘相机的正常工作和测绘精度,针对测绘相机的特点设计了热控系统,并对该系统进行了热平衡试验验证。首先,对测绘相机所处的热环境进行了分析,对测绘相机窗口的外热流进行了计算。然后,对测绘相机的各个部分进行了热设计;采用被动热控措施控制相机的温度水平,降低测绘相机系统对外部热环境变化的灵敏度;采取主动热控措施进行温差补偿,减小相机的轴向和对径温差。最后,根据测绘相机的热环境和各种工作模式设计了3种极端试验工况,进行了热平衡试验。试验结果表明,在热控系统工作的情况下,测绘相机系统在各种工况下温度波动在(18±2)℃之内,且轴向温差4℃,径向温差0.5℃,测绘基座的温度在(18±3)℃之内。得到的结果能够满足测绘相机系统的需求。     

应用地球椭球的三线阵立体测绘相机像移补偿

分析了三线阵立体测绘相机成像原理,针对三线阵立体测绘相机在对地成像过程中存在的前视、正视和后视相机像移速度和偏流角的差异,推导了基于地球椭球的前视、正视和后视相机像移速度和偏流角计算公式.以某三线阵立体测绘相机为例,选取WGS84地球椭球模型,分析了前视相机和后视相机都以正视相机为准调整行周期和偏流角时,像移速度匹配残...     

一种三线阵测绘相机CCD像面的装调方法

为了保证三线阵测绘相机装调后相机之间的空间位置关系,保证三线阵测绘相机应用时的测绘精度和图像质量,对三线阵测绘相机CCD像面的装调方法进行研究.首先,根据测绘精度和图像质量的要求,明确了三线阵测绘相机的装调指标.其次,确定了装调方案,对装调要点进行了叙述,为三线阵测绘相机的装调提供了一种装调方法.实际装调检测结果表明,应用该方法可以将相机之间空间位置关系安装到α≤3"、β≤5"、γ≤5".该方法可以满足三线阵测绘相机之间的空间位置关系装调,具有实际应用价值.     

三线阵立体测绘相机时间系统优化与实时检测

为了提高三线阵立体测绘相机的时间同步精度,对相机时间系统工作原理进行了分析,建立了三线阵立体测绘相机的相机时间同步误差模型,并根据该模型采取缩短行同步计数器查询周期等多项措施对相机时间系统进行优化.针对相机时间同步误差在摄影过程中会随相机控制器工作时序变化这一现象,提出了一种实时检测相机时间同步精度的方法,用于实时检测并全程记录摄影过程中相机时间同步误差的动态变化,解决了常规仪器由于存储深度不足而无法长期检测这一难题.利用该方法检测了优化后的三线阵立体测绘相机时间系统的时间同步精度,结果表明,摄影过程中三线阵立体测绘相机的时间同步误差≤74.8μs,相机时间同步误差绝对值≤11.2 μs的概率不低于0.95,满足技术指标要求.     

测绘相机的温度适应性

分析了温度对三线阵测绘相机传递函数和交会角的影响,通过热光学计算确定了测绘相机的热控指标.首先,在设定测绘相机热载荷状态的基础上,用有限元方法分析了温度场及热弹性变形;利用Zernike多项式进行波面拟合,代入光学软件考察温度对光学系统传递函数的影响,得到测绘相机光学传递函数在假定温度场作用下的下降系数.然后,进行了测绘基座的热尺寸稳定性分析.并在此基础上考察了温度对测绘相机交会角的影响.实验显示,上述分析避免了热控设计的过设计或设计不足,为制定合理的热控设计指标提供了数据依据.     

立体成像眼底相机光学系统设计

为了实现从不同角度同时拍摄同一眼底视网膜区域的图像,使采用双目立体视觉法进行眼底三维重建成为可能,设计了一种免散瞳立体成像眼底相机光学系统。该光学系统由成像系统和照明系统两部分组成,在成像系统中,使用Gullstrand-Le Grand眼模型来模拟正常人眼,运用体视显微镜成像原理进行分光设计;在照明系统中,通过设置黑点板的方式消除网膜物镜产生的杂散光,并加入环形光阑以避免角膜反射光的产生。设计结果表明,本立体成像眼底相机光学系统截止频率在95lp/mm处各视场的MTF值均大于0.2,成像系统畸变小于-3%,场曲值小于0.1mm,色差矫正良好,并且具有较强的调焦能力,能对-10~+5m~(-1)的人眼清晰成像。     

线阵-面阵CCD三线阵立体测绘相机焦平面组件的研制

介绍了线阵-面阵CCD(LMCCD)制式相机的相关原理,提出实现LMCCD相机的关键在于相机焦平面组件的研制.给出了LMCCD相机焦平面组件在研制过程中的关键技术,如LMCCD像面基板与CCD的高精度拼接,焦平面组件电子学部分的低噪声、高集成度设计,焦平面组件在真空环境下的热噪声抑制和热传导设计,以及焦平面组件的装配和焊接等.最后,给出了研制和测试结果.LMCCD拼接的共面精度优于5 μm,平移量和平行度均优于2μm;在典型工作情况下,实验室测试信噪比优于90;在15 min的工作周期下,焦面组件的温度控制在30℃以下.这些结果满足LMCCD制式相机关于CCD拼接、焦面温度控制和信噪比的要求.     

三线阵CCD立体测绘相机结构实现技术

分析了三线阵CCD立体测绘相机工作原理,设计了一种可工程化实施的测绘相机光机结构,此结构由3台相机互成角度装入测绘基座构成.单相机采用像方远心亚对称光学系统,由单镜组装入薄壁壳体的镜头、基于凸轮导向结构的调焦机构、基准镜和成像电器盒构成.测绘基座为测绘相机的高稳定支撑结构,采用7个筒单元、3个板单元与底座交错形成有机一体的结构形式.星敏支架为星敏感器的安装结构,采用3个简单元和一个圆锥单元相贯而成一体的结构形式.运用PATRAN/NAS-TRAN软件对测绘相机进行工程分析表明,测绘相机组合体的强度和刚度好,满足航天光学遥感器的要求.振动试验结果表明,测绘相机一阶固有频率大于100 Hz,不会与整星产生共振;通过各种环境试验后,相机间基准镜坐标系变化小于4″,测绘相机测量坐标系变化小于5″.通过在轨运行表明,测绘相机结构稳定,满足测绘精度要求.     

三线阵测绘相机热光学试验交会角测试系统

对三线阵测绘相机热光学试验交会角测试系统进行了研究,设计了试验测试系统,研究了交会角的测量方法,提出空间交会角测量方法即定量检测法。详细地阐述了针对测绘相机热光学试验热真空试验设备和光学测量场等测试系统要求,特别是平行光管的改造和特种分划板的要求。同时,描述了三线阵测绘相机热光学试验前的需准备工作。利用Labview软件编制数据采集系统,采用定量测量法对三线阵测绘相机交会角进行了测量。结果表明,测试相机在工况转变后交会角的变化在1″的范围内。综合来看,该测量方法可以准确得到相机交会角的变化量,测量数据对三线阵立体测绘相机在轨测量及地面影像分析提供了可靠的分析依据     

10×连续变倍照摄像物镜的光学设计

连续变倍照摄像物镜在各种照相和摄像等领域有着广泛且必不可少的实际应用。通过大量反复研究与计算,在参考他人资料的基础上,设计出了可用于像方线视场16mm的照摄像机物镜,变焦范围为15~150mm连续变倍,物镜的像方F数为2.5,MTF曲线在50lp/mm时值均大于0.12,畸变在8%以内,是一成像质量满足实际要求的连续变倍物镜。     

大面阵彩色CCD航测相机的辐射定标

以大面阵彩色CCD航测相机为研究对象,分析其成像过程,提出了影响相机辐射响应特性的各个因素,并以此为基础,建立了辐射响应特性模型.分别在暗场和使用积分球的条件下进行了辐射响应标定实验,通过组合更改输入辐亮度、曝光时间和CCD增益等因素对相机的辐射响应特性进行测量和分析.结果表明,相机R、G、B颜色通道随输入辐亮度变化的辐射响应特性并不相同,但在工作谱段范围内均呈线性变化趋势.采用最小二乘法对辐射标定数据进行拟合,一次多项式拟合结果的决定系数R2值均可达到0.999以上.当输入辐亮度不变时,相机输出图像灰度值随曝光时间或CCD增益的变化星线性变化趋势,从而为其它工作条件下辐射响应特性曲线的推演奠定了理论基础.将相机辐射响应标定结果应用于相机调光功能,成像结果表明,获得的图像亮度适中,图像平均灰度值满足调光要求.     

测绘相机坐标系与立方镜转换矩阵的标定

介绍了一种测绘相机坐标系与立方镜之间关系的标定方法。对两坐标系的转换矩阵、标定方法和标定精度进行研究。推导了两坐标系的关系,建立了坐标系间的转换矩阵。利用高精度二维转台、0.5″经纬仪和平行光管完成了测绘相机与相机立方镜坐标系之间的角度测量。最后,对标定精度进行了分析。误差分析结果表明:该方法的标定精度优于2″(1σ),可以满足测绘相机坐标系与立方镜转换关系的标定要求,具有实用价值。     

双波段/双视场全景航空相机光学系统设计

为提高航空相机识别目标能力,设计了一种应用于全景式航空侦查相机的可见光/红外双视场成像光学系统,可见光光学系统焦距为200 mm/400 mm,相对孔径为1∶8.8,视场角为9.4°×7°/4.7°×3.5°。红外光学系统焦距为117 mm/234 mm,相对孔径为1∶4,视场角为9.4°×7.5°/4.7°×3.76°。该光学系统利用物像交换原则采用轴向移动变倍方式,设计结果表明,光学系统成像质量接近衍射极限,可以满足实际使用需求。     

数字型航空相机的光学系统设计和像质评估

当前研制的数字型航空相机的成像原理与传统的胶片型相机不同,它是采用大面阵CCD作为摄像敏感器件,在曝光时间内完成对图像的拍摄。分析了数字型航空相机光学系统设计的注意点,即光学系统选型的问题。并对像质评估的问题进行了探讨,介绍了评价数码相机成像质量好坏的方法——采用调制传递函数（MTF）进行严格的量化评估。同时,对影响光学系统MTF的各个因素进行了详细的分析,并给出了相应的计算公式和计算结果。