1、三线阵 CCD 立体测绘相机结构实现技术摘要：对三线阵 CCD 立体测绘相机的工作原理进行分析，设计了一个将工程化实施测绘相机光机结构。从研究结果看来，测绘相机一阶固有频率大于 Hz，对整星不产生共振；而在各种环境测试之后。相机间基准镜坐标系变化小于 4“，测量的坐标系变化大于 5“。测绘相机的结构稳定通过在轨运行知道，满足测绘精度要求。 中图分类号：P2 文献标识码： A 文章编号： 1 历史与介绍 作为在 20 世纪 80 年代初出现的一代传输型数字摄影测量相机，它具有在轨立体成像和从摄影图像发出的重构外方位元素的特殊性，从而受到了各国在航天领域中摄影测量学家的重点关注，还成为了 20 世
2、纪 90年代后期国际摄影测量与遥感领域中的研究项目一个重要之一。在 20 世纪 80 年代初，我国科学家开始跟踪这项技术的发展，构像理论和影像的测量处理等方面开展了研究工作。提出了“等效框幅”这个进行 CCD 影像空中三角测量想法。 利用这个在航天方面进行摄影测量，由空间站和各类卫星为它的空间飞行平台，对地球表明进行立体测量。能得到用它作为坐标定位拍摄所提供的数字地形图、数字正射影像图、数字高程图等测绘产品。在民用遥感、资源普查、自然灾害检测、土木工程等方面有广大的作用，对我国的经济建设和数字地球的实现有着不可或缺的作用。 2 原理与结构设计的分析 三线阵 CDD 测绘相机工作原理，首先它是由
3、具有一定交会角的前视、正视和后视三个线阵 CDD 相机构成，正面视角的相机沿飞行方向和地面成 90 度成像，前面视角的相机向前倾斜，后面视角的相机向后倾斜成像，这时候三个视角具有一定的交会角。在测绘之前，必须要确定好每个扫描时间三个线阵相机坐标系的圆点在地球坐标系中的位置和姿态角，这里可以称为外方位元素；相机的主距、主点位置和交会角，也就是内方位元素，这样可以确定地面上任一物体在三个不相同时刻时候在三条线阵 CCD 上的像点坐标；如果能把对应的像点坐标计算出来，那么反之就能得出地面上任一物体的坐标。 这个三线阵 CCD 摄影测量相机的摄影测量处理精度是由相机本身内方位元素的精度和稳定性来确定的
4、，这是摄影测量相机跟其他相机的不同之处。它的不同之处满足了跟常规摄影测量同样的要求之外，还考虑了焦距和前、后视相机之间的夹角对摄影测量处理和相机设计本身的影响。 3 坐标系的定义 标定单相机测量坐标系应在环境实验前后，相对于指定某参考坐标系的微转动来描述相机坐标系中的漂移，单相机测量坐标系的稳定性就是用这个来评定的，当然这里面也用来描述相机间光轴、CCD 线阵等它们之间的取向几何关系变化。 4 结构设计及工程分析 4.1 光学系统 光学系统中的成像质量，采用像方远心的亚对称光学系统是一个方法。在 Nyquist 频率为 77lp/mm 时候，正面视角的相机镜头全视场的平均传递函数为 0.613
5、，前面跟后面视角的相机镜头全视场的平均传递函数为 0.578。另外，这个系统还把测绘相机组合体的外型尺寸和布局结合起来，这样对保证相机的小型化、轻量化和稳定性更有帮助。 4.2 镜头的结构 为了消除相机对地成像时候进入镜头内部的杂散光，镜头的前端装上了遮光罩，遮光罩的材料是用碳纤维复合材料来制成的，因为这个材料的密度小，强度跟刚度好，对减轻相机的质量非常有帮助。 铸钛合金是镜头结构采用的材料，镜座、透镜跟压圈独立装配构成组件，然后装进薄壁壳体中。这种结构的单台测绘相机经过分析研究表明能满足技术指标的要求。而且装调方便，可拆卸性强，薄壁壳体整个精度很高，强度刚度性能非常优质，这样更能把多透镜的同
6、心精度提高。这个镜头都组装调试好，把正、前、后视相机光学镜头的全视场平均传递函数均在 0.451 以上，相对畸变均小于 3 X 10 的负四次方，更能提高测绘相机高成像质量。 4.3 调焦机构 这个机构的产生是为了把发射过程跟空间复杂环境引起的相 CCD 像面位置的变化减低而设计的。凸轮导向结构设计是调焦机构的基础，它使用了沿光轴方向移动 CCD 像面，14 位绝对式光电轴编码器反馈像面位置的检查调教的精度，这机构对测绘相机的调焦精度非常有帮助。 4.4 相机基准镜 基准镜可以传递镜头光轴或者视轴位置的外部基准，也是检查相机在组合体中的稳定性的一个重要的参考基准。测绘相机组合体安装调试的过程中
7、，建立镜头光轴跟相机基准镜+Z 轴的关系是由精密研磨基准立方镜组件的底面；建立相机视轴与相机基准镜+Z 轴是通过精密研磨 CCD组件安装跟隔垫，这个可以确保精准度，减少误差。 4.5 测绘基座 保证相机在轨工作的前提条件是三线阵 CCD 立体测绘相机相互几何位置关系的稳定性，所以构建它的支撑结构测绘基座结构形式跟几何稳定性是它重要的一个环节。 7 个筒单元、3 个板单元以及底座交错形成有机的一体结构，这个结构每个方向的受力都非常均匀，可以确保三线阵立体测绘相机空间几何位置关系的稳定性。测绘基座里加入简单元，会提高整体的刚度、强度，并且把几何稳定性增加。测绘相机的交会角可以通过简单元来保证，把它
8、装在单相机的安装孔内就可以了。 4.6 组合体 测绘相机组合体是由正视、前视、后视相机跟多光谱相机装到测绘基座对应的安装孔或者是安装腔内，然后再通过星敏支架安装到测绘基座的顶部所形成的。建立起每个相机测量坐标系和相机基准镜之间的关系是通过基座基准镜为测绘相机组合体安装调试的总基准，对各相机镜头安装调试，和相机像面安装调试。 5 稳定性检验 51 振动试验 测绘相机组合体 X、Y 和 Z 三个方向的一阶固有频率分别为 124.4Hz跟 115.5Hz，这是经过试验见过证明的最接近工程分析结果，当然这是通过测绘相机组合体进行低频扫描获取其模态情况得出。对正弦振动和随机振动进行低频扫描之后，其中一阶
9、固有频率变化较少，得出了测绘相机组合体结构很稳定，同时也没有结构破坏的产生。 52 坐标系变化 对于相机基准镜坐标系振动之后所产生的角度变化，在它的基准镜坐标系相对正视相机基准镜坐标系变化小于 4“的时候，相机之间的相对位置关系稳定。而在测绘相机测量坐标系相对于自身的基准镜坐标系小于 5“的时候，相机测量坐标系同样是也是稳定的。由此得出，测绘相机具有抵抗发射过程中复杂力学环境的能力。 结束语 分析得出的结构，它可以保证测绘相机空间几何位置关系的稳定性；同时满足该组合体动态刚度的要求。并且，在轨运行表明，测绘相机光机结构非常稳定，测绘精度非常高。 参考文献： 1王任享.三线阵 CCD 影像卫星摄影测量原理M 北京: 测绘出版社，2006: 10-15 2李晨曦，张宇烽.传输型测绘相机内方位元素误差对高程精度的影响分析J.航天返回与遥感，2010，31(2): 23-28. 3吴国栋.一种三线阵测绘相机 CCD 像面的装调方法J.仪器仪表学报,2009(11).
