提高多相機視場組合精度的調(diào)節(jié)措施

張則梅 劉四偉 吳杰

摘 要：為滿足多相機組合視場的精度調(diào)節(jié)要求，通過有傾角的過渡環(huán)對相機的視場進行初步補償。然后，利用三點決定一面的原理，在相機視場內(nèi)設(shè)置三個激光點，通過激光跟蹤儀測量出三個點的坐標，從而結(jié)算出相機視場與水平面之間的實際夾角。最后，通過在過渡環(huán)安裝螺釘處墊裝相應(yīng)厚度的墊片，將相機視場精確修正到可接受的水平范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞：相機；視場；組合精度；激光跟蹤儀

1 前言

為滿足精確、全面成像的市場要求，越來越多行業(yè)采用多相機組合形式對所需范圍進行拍照成像。為保證成像清晰、且在規(guī)定的成像范圍內(nèi)，要求各相機的單臺安裝高度、視場夾角、組合安裝高度等需滿足較高的精度要求。同時，由于各相機自身機械加工精度、視場角度、安裝精度等條件的限制及誤差累計，使得各相機之間存在一定差異，需要在裝配過程中根據(jù)實測精度進行實時調(diào)整。本文以4臺相機的組合方式為例，對組合式相機精度的調(diào)節(jié)措施進行描述。

2 組合相機視場調(diào)節(jié)研究背景

如下圖所示，4臺相機主體呈內(nèi)斂式安裝在一塊結(jié)構(gòu)板上，相鄰兩臺相機主體光軸夾角為 27.8°。由于4臺相機探測器輸出線陣偏場使用，導(dǎo)致相機視軸與光軸不重合，而是存在1.8276°的夾角。為保證不同入射角下相機視場不偏出需求范圍，在相機安裝時需要對相機主體的視角進行補償，從而保證相機主體視軸與安裝基體（旋轉(zhuǎn)體）旋轉(zhuǎn)軸垂直。由于存在一定程度的安裝誤差，每臺相機視場的實際仰角存在不同程度的偏差。因此，還需對每臺相機安裝后的視場實際仰角進行測量，進而實施精確補償。

3 相機視場測試調(diào)節(jié)原理

相機視場測試調(diào)節(jié)利用三點決定一面的原理，即在每臺相機視場內(nèi)設(shè)置P1、P2、P3三個激光點，其中P2和P3所在的垂面與基體Y軸所在垂面平行。若測得這三個點的坐標，求得L12、L23、L13、h2、h3五個參量，即可計算得到相機視場面與水平面的夾角θ，以及此兩面交線與基體+Y軸夾角ψ。

已知載荷視場面與水平面的關(guān)系后，可在有傾角過渡環(huán)下端選擇合適的2個位置進行螺釘墊片補償，并可計算所需墊片的厚度d2和d3。

4相機視場調(diào)節(jié)方法研究

4.1 采用過渡環(huán)初步調(diào)節(jié)

引入上法蘭傾斜角度為1.82°的過渡環(huán)，將其墊裝在星體與轉(zhuǎn)臺之間，對相機視角進行初步補償，如下圖所示。

為提高測試精度，需要獲知采用有傾角的過渡環(huán)補償后，相機視場面與水平面的傾角是多少。正式測試時，根據(jù)測量結(jié)果，再在過渡環(huán)底部選定螺釘位置，利用墊片進行角度二次補償，使相機視場面最終與水平面平行。

4.2 相機視角精確補償

調(diào)節(jié)相機視場必須要測量相機的視場，而相機的視場無法直接測量，因此需要借用激光器照射成像工裝上，使相機對激光照射點成像，微調(diào)激光照射點位置，使得激光點成像灰度值為最大值。此時，激光照射點即為相機視場中的一點，在該點處粘貼靶標，使用兩臺經(jīng)緯儀建立MetroIn工業(yè)三坐標測量系統(tǒng)，測量靶標即可測出相機的視場。

（1）調(diào)整安裝基體轉(zhuǎn)臺水平

將激光跟蹤儀調(diào)水平，并且進行水平校準，調(diào)整基體轉(zhuǎn)臺撐腳，將轉(zhuǎn)臺調(diào)水平。

（2）安裝傾斜過度環(huán)，并調(diào)整方位

使用激光跟蹤儀1.5英寸靶球測量墻，并擬合墻平面。使用激光跟蹤儀配件T-Probe+0.1mm測針，測量過度環(huán)Z向刻線，并擬合出過渡環(huán)Z向，使用激光跟蹤儀SA軟件，可得到過度環(huán)Z向在水平面上的投影與墻面的夾角α。轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)α角，使Z向在水平面內(nèi)的投影與墻面垂直。

（3）使用兩臺經(jīng)緯儀建立MetroIn工業(yè)三坐標測量系統(tǒng)

兩臺經(jīng)緯儀均在建立系統(tǒng)前均須精確調(diào)水平，建立的MetroIn工業(yè)三坐標測量系統(tǒng)的測量坐標系是經(jīng)緯儀1互瞄向經(jīng)緯儀2的方向在經(jīng)緯儀1水平度盤內(nèi)的投影線為X軸，Y軸在水平面內(nèi)垂直X軸，以右手準直確定為Z軸，坐標系原點為經(jīng)緯儀1的坐標系原點。

（4）近場P1位置測量：

A.在近場放置成像工裝，利用激光器在預(yù)估相機觀測區(qū)域內(nèi)、成像工裝上，照射激光垂線（激光水平儀輸出）；

B.觀測遙感判斷軟件成像曲線圖峰值位置，調(diào)整激光垂線位置，使得峰值出現(xiàn)在相機視場中心位置附近，即獲知成像工裝上視場中心對應(yīng)區(qū)域；

C.采用激光器照射成像工裝上視場中心區(qū)域，使相機對激光照射點成像，微調(diào)激光照射點位置，使得激光點成像灰度值為最大值。此時，激光照射點即P1位置；

D.在P1點位置粘貼靶標，使用MetroIn工業(yè)三坐標測量系統(tǒng)測量P1點坐標值。

（5）遠場-Y側(cè)P2位置測量：

A.撤出近場工裝，采用激光水平儀在平行于安裝基體對地面墻面照射激光垂線；

B.觀測遙感相機判斷軟件成像曲線圖峰值位置，調(diào)整激光水平儀，使得峰值出現(xiàn)在視場-Y側(cè)邊緣附近（判斷軟件微光通道右側(cè)，高亮通道左側(cè)）；

C.采用激光器照射成像視場-Y側(cè)邊緣區(qū)域，使相機對激光照射點成像，微調(diào)激光照射點位置，使得激光點成像灰度值為最大值。此時，激光照射點即P2位置；

D.在P2點位置粘貼靶標，使用MetroIn工業(yè)三坐標測量系統(tǒng)測量P2點坐標值。

（6）遠場+Y側(cè)P3位置測量與P2相同，得到P3點坐標值；

（7）根據(jù)P1、P2、P3解算L12、L23、L13、h2、h3五個參量，并解算出相機視場面與水平面的夾角θ，以及此兩面交線與基體+Y軸夾角ψ；

（8）根據(jù)θ和ψ，在過渡環(huán)底部選定需要加墊片的2個螺孔位置，從而可解算墊片d2和d3高度；

（9）加墊片后安裝基體至過渡環(huán)，按a）～e）步驟復(fù)測相機視場面水否水平；若水平則完成視場傾角的補償，若仍不水平則根據(jù)重新測量的結(jié)果；

（10）一個相機完成視場預(yù)測后，在基體轉(zhuǎn)臺法蘭面下部粘貼棱鏡，并使用經(jīng)緯儀測量并記錄棱鏡兩相鄰鏡面的俯仰角，用于轉(zhuǎn)臺姿態(tài)的復(fù)位。

4 結(jié)論

多相機市場組合精度的研究經(jīng)歷了原理構(gòu)想、理論分析、現(xiàn)場測量調(diào)整等過程。在相機視場的調(diào)節(jié)中，以理論研究為基礎(chǔ)，分析影響測量及調(diào)整的因素，通過激光跟蹤儀與經(jīng)緯儀聯(lián)合使用，成功完成了相機視場的測量與調(diào)整。該相機視場調(diào)節(jié)措施已在多次使用過程中得到了驗證，滿足各項性能指標。

參考文獻：

[1] 于成浩，柯明，趙振堂 提高激光跟蹤儀測量精度的措施 [J].2007，32（2），54-56

[2] 周俊. 電子經(jīng)緯儀的誤差修正和模型仿真 [D]. 南京航空航天大學(xué). 2005

[3] 金志皓. 光學(xué)坐標測量靶標標定研究及軟件設(shè)計 [D]. 天津大學(xué). 2007

[4] 張博，彭軍.激光跟蹤儀測量系統(tǒng)[J].計量技術(shù)，2006，26（4）

作者簡介：

張則梅，女，（1985-），工學(xué)碩士，八院衛(wèi)星裝備研究所，主任工藝師（高級工程師），飛行器設(shè)計專業(yè).