航天CCD相机焦面位置地面标定方法研究

曹智睿，董吉洪

（中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春130033）

引言

随着空间光学技术的迅速发展，航天CCD相机被日益广泛地应用到侦查、测绘等有关国家安全的重要领域，其在轨成像质量的需求越来越高。航天CCD相机焦面位置的地面标定工作是确保相机在轨成像质量的重要环节，其标定方法和标定精度逐渐成为相关研究人员关注的焦点。

已有的航天CCD相机焦面位置地面标定方法主要分为2个标定阶段：第1阶段，采用自准直法或五棱镜法完成标定用平行光管分划板的安装；第2阶段，通过测量显微镜目视观察，调整焦面安装平面与相机镜头实际焦平面大致重合。已有标定方法的2个标定阶段均存在较大的标定误差。第1阶段，采用自准直法或五棱镜法安装平行光管的分划板时，其极限安装精度较低，且安装重复精度差，因此国内的研究人员常要求平行光管的焦距大于待标定航天CCD相机焦距3倍至5倍，以此来减小平行光管分划板安装误差带来的影响；第2阶段，通过测量显微镜目视观察只能确保相机焦面安装平面与相机镜头实际焦平面的大致重合，并不能确保相机CCD感光面与相机镜头实际焦平面的准确重合。

为了提高航天CCD相机焦面位置的地面标定精度，同时降低标定工作对长焦距平行光管的过度依赖，提出了一种基于自准直干涉测量原理和调制传递函数测量原理的航天CCD相机焦面标定方法。

1 标定原理及实施过程

新标定方法主要分为3个标定阶段：第1阶段，选择合适的平行光管，并完成分划板的安装；第2阶段，实现相机焦面安装平面与相机焦面的大致重合；第3阶段，模拟相机在轨工作环境，通过实时测量相机的调制传递函数实现相机焦面位置的精密标定。

1.1 平行光管的分划板安装

平行光管分划板的安装流程如图1所示，各步骤的原理及具体操作方法如下文所述。

图1 平行光管分划板的安装流程Fig.1 Installation process of collimator reticle

平行光管在使用之前都需要进行波像差测试，测试采用图2所示的自准直干涉光路。实际工作中干涉仪标准球面镜的球心不可避免地与平行光管的焦面位置存在一定的轴向离焦量δ，而δ与波像差测试结果中Zenike拟合多项式的第4项系数wp存在以下对应关系：

式中，F为平行光管相对孔径的倒数。调整自准直干涉光路，通过监测wp的大小，使平行光管的轴向离焦量δ小于某一预期指标要求，此时干涉仪球面镜的球心位置近似为平行光管焦面位置，该过程就是平行光管焦面位置的标定过程；δ就是平行光管焦面位置的实际标定误差。

图2 平行光管波像差测试光路Fig.2 Testing light path of collimator wavefront aberration

平行光管的焦面位置确定后，将分划板的刻划面准确安装到该焦面位置，而这一过程需要分2个步骤实现。首先，将分划板插入到自准直测试光路中，调整分划板没有分划线的平面与干涉仪形成自准直干涉光路，并产生如图3所示的干涉条纹，此时的干涉光路如图4（a）所示；然后，测量分划板的厚度d，并利用精密调整机构将分划板沿光轴向右移动距离d，此时分划板的安装完成，此时的干涉光路如图4（b）所示。

图3 分划板没有分划线的平面与焦面重合时的干涉条纹Fig.3 Interference fringe when reticle plane without scribed line superposing focal plane

图4 分划板安装过程光路图Fig.4 Light path of reticle installation process

1.2 航天CCD相机焦面粗标定

航天CCD相机焦面粗标定阶段的主要工作是通过修研相机的焦面安装平面，使其与相机的焦面大致重合，粗标定阶段的标定光路如图5所示。

图5 航天CCD相机焦面粗标定光路图Fig.5 Rough calibration optical path on focal plane position of CCD camera

首先，在平行光管焦面位置安装分辨力板，在待标定相机镜头的焦面安装网格板，调整平行光管和待标定相机镜头成图5所示光路；然后，通过测量显微镜观察待标定相机镜头的不同视场处的分辨力图像和网格板图像，研磨或加垫焦面安装平面，使观察到的分辨力图像和网格板图像同时清晰，至此，航天CCD相机焦面的粗标定完成。

1.3 航天CCD相机焦面精标定

航天CCD相机焦面粗标定完成后，将拼接好的CCD组件安装在焦平面上，此时需要对CCD感光面的位置进行精密调整，以确保航天CCD相机具有最佳的成像质量，精密标定阶段的标定装置如图6所示。

图6 航天CCD相机焦面精密标定装置Fig.6 Precise calibration device on focal plane position of CCD camera

首先，航天CCD相机焦面的精标定需要尽可能准确地模拟待标定相机在轨运行时的工作环境，包括真空环境、热环境等，因此精标定工作应在多功能的热真空环境模拟试验室内进行；然后，调整待标定相机与平行光管构成MTF测试光路，控制待标定相机的焦面组件连续调焦，并实时测量各焦面位置处相机的MTF；最后，将航天CCD相机的焦面定位在相机具有最大MTF时的位置，至此，航天CCD相机焦面位置的地面标定工作圆满完成。

2 标定精度分析

本文以焦距20m、口径1m的平行光管和焦距6m、口径600mm的某型航天CCD相机为例，理论分析并计算了新标定方法和已有标定方法的标定精度。

2.1 新标定方法的标定精度分析

由新标定方法的标定原理和实施过程可知，新标定方法的主要误差来源如图7所示。

图7 新标定方法的主要误差来源Fig.7 Main error sources of novel calibration method

平行光管分划板安装误差由平行光管焦面位置标定误差和分划板与焦面位置的重合误差构成。其中平行光管焦面位置标定误差δ可由公式（1）求得，而分划板与焦面位置的重合误差由分划板无刻划线平面与焦面重合误差、分划板厚度测量误差、分划板平移误差构成。不同实验人员的多次实验表明：焦距20m、口径1m平行光管的分划板安装误差可优于±0.04mm。用该平行光管标定焦距6m、口径600mm的某型航天CCD相机时，平行光管分划板安装误差Δ1与其所产生的航天CCD相机焦面标定误差Δ2之间满足下列关系，

式中，Γ为航天CCD相机焦距与平行光管焦距的比值。由公式（2）计算可得，平行光管分划板安装误差引起的航天CCD相机焦面位置标定误差小于0.004mm。

通过MTF最佳位置确定航天CCD相机焦面位置这一做法原则上是不存在误差的，但是实际标定过程中，航天CCD相机的调焦机构只能以其最小调焦分辨率为单位进行离散的焦面位置调整，因此该过程将引入一个量值不超过最小调焦分辨率的焦面位置标定误差。通常调焦机构的最小调焦分辨率设计值可达到0.000 5mm，在考虑空回现象的存在时，实际运行精度可优于0.002mm。综上所述，新方法对航天CCD相机焦面位置的地面标定精度可优于0.006mm。

2.2 已有标定方法的标定精度分析

已有标定方法的标定误差同样由平行光管分划板安装误差和航天CCD相机焦面标定误差2部分构成，不同的是已有标定方法主要依靠人眼的主观判断进行操作，其标定误差更难以定量描述定量控制，标定的重复性也难以保障。由于自准直法和五棱镜法对平行光管分划板的极限安装精度可以定量计算，因此本文仅对这一部分误差进行分析计算，而这也足以对新安装方法和已有安装方法的优劣作出比较。

依据光学测量的相关知识，利用自准直法以消视差为准标定平行光管焦面时，其极限安装精度［5］为

式中：δ为人眼的对准误差；Γ为平行光管与自准直目镜组成的自准直望远镜的视放大率；D为平行光管的通光孔径；De为眼瞳直径；f为平行光管焦距。

利用五棱镜法进行平行光管焦面标定时，其极限安装精度为

式中：δ为人眼的对准误差；Γ为接收五棱镜出射光束的前置镜（望远系统）的视放大率；D为平行光管的通光孔径；Dw为五棱镜通光孔径；f为平行光管焦距。

由公式（2）、（3）、（4）计算可得：用自准直法和五棱镜法标定平行光管，其分划板标定误差引起的航天CCD相机焦面标定误差不小于0.02mm和0.05mm。

3 实践工作

在某航天型号项目中，需要对焦距6m、口径600mm的CCD相机进行无穷远焦面标定，标定精度要求达到±0.025mm。标定选用试验室现有的最大平行光管，即口径1 000mm，焦距20m的平行光管。

标定工作的具体实施步骤如下：

1）选择标定方法。由上文的分析计算已知，应用口径1 000mm、焦距20m的平行光管，已有标定方法的极限标定精度仍无法满足焦距6m、口径600mm的某型航天CCD相机的焦面标定精度要求，因此标定工作采用新标定方法方法；

2）确定标定各环节标定公差。依据图7所示的主要误差来源分布，确定标定各环节标定公差分配如图8所示。

图8 标定公差分配图Fig.8 Diagram of calibration tolerance allocation

3）设置试验环境：标定工作在尺寸为Φ4.3m×9.2m的真空罐内进行，真空罐内温度为20℃，气压为（1.3×10-3）Pa，罐内光学平台各向固有振动频率小于2Hz，平行光管与真空罐通过法兰密闭连接，两者具有相同的温度、真空度和振动特性；

4）按流程依次完成平行光管分划板安装、航天CCD相机焦面粗标定和精标定工作。

4 结论

本文所介绍的航天CCD相机焦面位置地面标定方法是一种全新的焦面位置标定方法，该方法可以定量地控制各标定环节的误差，从而使最终的标定结果具有更高标定精度和标定重复性。以口径1m、焦距20m的平行光管标定口径600mm、焦距6m的航天CCD相机为例，新标定方法的标定精度优于0.006mm，是已有标定方法标定精度的5倍至10倍，能够满足现阶段所有航天CCD相机的焦面位置的标定精度要求。而若要达到与已有标定方法相同的标定精度，新方法对平行光管焦距的需求比以往降低50%以上，可以大大地节约标定成本。

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