張則梅 劉四偉 吳杰

摘 要：為滿足多相機(jī)組合視場(chǎng)的精度調(diào)節(jié)要求，通過有傾角的過渡環(huán)對(duì)相機(jī)的視場(chǎng)進(jìn)行初步補(bǔ)償。然后，利用三點(diǎn)決定一面的原理，在相機(jī)視場(chǎng)內(nèi)設(shè)置三個(gè)激光點(diǎn)，通過激光跟蹤儀測(cè)量出三個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，從而結(jié)算出相機(jī)視場(chǎng)與水平面之間的實(shí)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(jī)視場(chǎng)精確修正到可接受的水平范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞：相機(jī)；視場(chǎng)；組合精度；激光跟蹤儀

1 前言

為滿足精確、全面成像的市場(chǎng)要求，越來(lái)越多行業(yè)采用多相機(jī)組合形式對(duì)所需范圍進(jìn)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(jī)的單臺(tái)安裝高度、視場(chǎng)夾角、組合安裝高度等需滿足較高的精度要求。同時(shí)，由于各相機(jī)自身機(jī)械加工精度、視場(chǎng)角度、安裝精度等條件的限制及誤差累計(jì)，使得各相機(jī)之間存在一定差異，需要在裝配過程中根據(jù)實(shí)測(cè)精度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。本文以4臺(tái)相機(jī)的組合方式為例，對(duì)組合式相機(jī)精度的調(diào)節(jié)措施進(jìn)行描述。

2 組合相機(jī)視場(chǎng)調(diào)節(jié)研究背景

如下圖所示，4臺(tái)相機(jī)主體呈內(nèi)斂式安裝在一塊結(jié)構(gòu)板上，相鄰兩臺(tái)相機(jī)主體光軸夾角為 27.8°。由于4臺(tái)相機(jī)探測(cè)器輸出線陣偏場(chǎng)使用，導(dǎo)致相機(jī)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(jī)視場(chǎng)不偏出需求范圍，在相機(jī)安裝時(shí)需要對(duì)相機(jī)主體的視角進(jìn)行補(bǔ)償，從而保證相機(jī)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(tái)相機(jī)視場(chǎng)的實(shí)際仰角存在不同程度的偏差。因此，還需對(duì)每臺(tái)相機(jī)安裝后的視場(chǎng)實(shí)際仰角進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而實(shí)施精確補(bǔ)償。

3 相機(jī)視場(chǎng)測(cè)試調(diào)節(jié)原理

相機(jī)視場(chǎng)測(cè)試調(diào)節(jié)利用三點(diǎn)決定一面的原理，即在每臺(tái)相機(jī)視場(chǎng)內(nèi)設(shè)置P1、P2、P3三個(gè)激光點(diǎn)，其中P2和P3所在的垂面與基體Y軸所在垂面平行。若測(cè)得這三個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，求得L12、L23、L13、h2、h3五個(gè)參量，即可計(jì)算得到相機(jī)視場(chǎng)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(chǎng)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(gè)位置進(jìn)行螺釘墊片補(bǔ)償，并可計(jì)算所需墊片的厚度d2和d3。

4相機(jī)視場(chǎng)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(tái)之間，對(duì)相機(jī)視角進(jìn)行初步補(bǔ)償，如下圖所示。

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

4.2 相機(jī)視角精確補(bǔ)償

調(diào)節(jié)相機(jī)視場(chǎng)必須要測(cè)量相機(jī)的視場(chǎng)，而相機(jī)的視場(chǎng)無(wú)法直接測(cè)量，因此需要借用激光器照射成像工裝上，使相機(jī)對(duì)激光照射點(diǎn)成像，微調(diào)激光照射點(diǎn)位置，使得激光點(diǎn)成像灰度值為最大值。此時(shí)，激光照射點(diǎn)即為相機(jī)視場(chǎng)中的一點(diǎn)，在該點(diǎn)處粘貼靶標(biāo)，使用兩臺(tái)經(jīng)緯儀建立MetroIn工業(yè)三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量靶標(biāo)即可測(cè)出相機(jī)的視場(chǎng)。

（1）調(diào)整安裝基體轉(zhuǎn)臺(tái)水平

將激光跟蹤儀調(diào)水平，并且進(jìn)行水平校準(zhǔn)，調(diào)整基體轉(zhuǎn)臺(tái)撐腳，將轉(zhuǎn)臺(tái)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(cè)量墻，并擬合墻平面。使用激光跟蹤儀配件T-Probe+0.1mm測(cè)針，測(cè)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(tái)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(tái)經(jīng)緯儀建立MetroIn工業(yè)三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)

兩臺(tái)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(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量坐標(biāo)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(zhǔn)直確定為Z軸，坐標(biāo)系原點(diǎn)為經(jīng)緯儀1的坐標(biāo)系原點(diǎn)。

（4）近場(chǎng)P1位置測(cè)量：

A.在近場(chǎng)放置成像工裝，利用激光器在預(yù)估相機(jī)觀測(cè)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(cè)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(jī)視場(chǎng)中心位置附近，即獲知成像工裝上視場(chǎng)中心對(duì)應(yīng)區(qū)域；

C.采用激光器照射成像工裝上視場(chǎng)中心區(qū)域，使相機(jī)對(duì)激光照射點(diǎn)成像，微調(diào)激光照射點(diǎn)位置，使得激光點(diǎn)成像灰度值為最大值。此時(shí)，激光照射點(diǎn)即P1位置；

D.在P1點(diǎn)位置粘貼靶標(biāo)，使用MetroIn工業(yè)三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量P1點(diǎn)坐標(biāo)值。

（5）遠(yuǎn)場(chǎng)-Y側(cè)P2位置測(cè)量：

A.撤出近場(chǎng)工裝，采用激光水平儀在平行于安裝基體對(duì)地面墻面照射激光垂線；

B.觀測(cè)遙感相機(jī)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(chǎng)-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(chǎng)-Y側(cè)邊緣區(qū)域，使相機(jī)對(duì)激光照射點(diǎn)成像，微調(diào)激光照射點(diǎn)位置，使得激光點(diǎn)成像灰度值為最大值。此時(shí)，激光照射點(diǎn)即P2位置；

D.在P2點(diǎn)位置粘貼靶標(biāo)，使用MetroIn工業(yè)三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量P2點(diǎn)坐標(biāo)值。

（6）遠(yuǎn)場(chǎng)+Y側(cè)P3位置測(cè)量與P2相同，得到P3點(diǎn)坐標(biāo)值；

（7）根據(jù)P1、P2、P3解算L12、L23、L13、h2、h3五個(gè)參量，并解算出相機(jī)視場(chǎng)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(gè)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(cè)相機(jī)視場(chǎng)面水否水平；若水平則完成視場(chǎng)傾角的補(bǔ)償，若仍不水平則根據(jù)重新測(cè)量的結(jié)果；

（10）一個(gè)相機(jī)完成視場(chǎng)預(yù)測(cè)后，在基體轉(zhuǎn)臺(tái)法蘭面下部粘貼棱鏡，并使用經(jīng)緯儀測(cè)量并記錄棱鏡兩相鄰鏡面的俯仰角，用于轉(zhuǎn)臺(tái)姿態(tài)的復(fù)位。

4 結(jié)論

多相機(jī)市場(chǎng)組合精度的研究經(jīng)歷了原理構(gòu)想、理論分析、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量調(diào)整等過程。在相機(jī)視場(chǎng)的調(diào)節(jié)中，以理論研究為基礎(chǔ)，分析影響測(cè)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(jī)視場(chǎng)的測(cè)量與調(diào)整。該相機(jī)視場(chǎng)調(diào)節(jié)措施已在多次使用過程中得到了驗(yàn)證，滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 于成浩，柯明，趙振堂 提高激光跟蹤儀測(cè)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(biāo)測(cè)量靶標(biāo)標(biāo)定研究及軟件設(shè)計(jì) [D]. 天津大學(xué). 2007

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

作者簡(jiǎn)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(jí)工程師），飛行器設(shè)計(jì)專業(yè).