提高多相机视场组合精度的调节措施

张则梅 刘四伟 吴杰

摘 要：为满足多相机组合视场的精度调节要求，通过有倾角的过渡环对相机的视场进行初步补偿。然后，利用三点决定一面的原理，在相机视场内设置三个激光点，通过激光跟踪仪测量出三个点的坐标，从而结算出相机视场与水平面之间的实际夹角。最后，通过在过渡环安装螺钉处垫装相应厚度的垫片，将相机视场精确修正到可接受的水平范围内。

关键词：相机；视场；组合精度；激光跟踪仪

1 前言

为满足精确、全面成像的市场要求，越来越多行业采用多相机组合形式对所需范围进行拍照成像。为保证成像清晰、且在规定的成像范围内，要求各相机的单台安装高度、视场夹角、组合安装高度等需满足较高的精度要求。同时，由于各相机自身机械加工精度、视场角度、安装精度等条件的限制及误差累计，使得各相机之间存在一定差异，需要在装配过程中根据实测精度进行实时调整。本文以4台相机的组合方式为例，对组合式相机精度的调节措施进行描述。

2 组合相机视场调节研究背景

如下图所示，4台相机主体呈内敛式安装在一块结构板上，相邻两台相机主体光轴夹角为 27.8°。由于4台相机探测器输出线阵偏场使用，导致相机视轴与光轴不重合，而是存在1.8276°的夹角。为保证不同入射角下相机视场不偏出需求范围，在相机安装时需要对相机主体的视角进行补偿，从而保证相机主体视轴与安装基体（旋转体）旋转轴垂直。由于存在一定程度的安装误差，每台相机视场的实际仰角存在不同程度的偏差。因此，还需对每台相机安装后的视场实际仰角进行测量，进而实施精确补偿。

3 相机视场测试调节原理

相机视场测试调节利用三点决定一面的原理，即在每台相机视场内设置P1、P2、P3三个激光点，其中P2和P3所在的垂面与基体Y轴所在垂面平行。若测得这三个点的坐标，求得L12、L23、L13、h2、h3五个参量，即可计算得到相机视场面与水平面的夹角θ，以及此两面交线与基体+Y轴夹角ψ。

已知载荷视场面与水平面的关系后，可在有倾角过渡环下端选择合适的2个位置进行螺钉垫片补偿，并可计算所需垫片的厚度d2和d3。

4相机视场调节方法研究

4.1 采用过渡环初步调节

引入上法兰倾斜角度为1.82°的过渡环，将其垫装在星体与转台之间，对相机视角进行初步补偿，如下图所示。

为提高测试精度，需要获知采用有倾角的过渡环补偿后，相机视场面与水平面的倾角是多少。正式测试时，根据测量结果，再在过渡环底部选定螺钉位置，利用垫片进行角度二次补偿，使相机视场面最终与水平面平行。

4.2 相机视角精确补偿

调节相机视场必须要测量相机的视场，而相机的视场无法直接测量，因此需要借用激光器照射成像工装上，使相机对激光照射点成像，微调激光照射点位置，使得激光点成像灰度值为最大值。此时，激光照射点即为相机视场中的一点，在该点处粘贴靶标，使用两台经纬仪建立MetroIn工业三坐标测量系统，测量靶标即可测出相机的视场。

（1）调整安装基体转台水平

将激光跟踪仪调水平，并且进行水平校准，调整基体转台撑脚，将转台调水平。

（2）安装倾斜过度环，并调整方位

使用激光跟踪仪1.5英寸靶球测量墙，并拟合墙平面。使用激光跟踪仪配件T-Probe+0.1mm测针，测量过度环Z向刻线，并拟合出过渡环Z向，使用激光跟踪仪SA软件，可得到过度环Z向在水平面上的投影与墙面的夹角α。转台旋转α角，使Z向在水平面内的投影与墙面垂直。

（3）使用两台经纬仪建立MetroIn工业三坐标测量系统

两台经纬仪均在建立系统前均须精确调水平，建立的MetroIn工业三坐标测量系统的测量坐标系是经纬仪1互瞄向经纬仪2的方向在经纬仪1水平度盘内的投影线为X轴，Y轴在水平面内垂直X轴，以右手准直确定为Z轴，坐标系原點为经纬仪1的坐标系原点。

（4）近场P1位置测量：

A.在近场放置成像工装，利用激光器在预估相机观测区域内、成像工装上，照射激光垂线（激光水平仪输出）；

B.观测遥感判断软件成像曲线图峰值位置，调整激光垂线位置，使得峰值出现在相机视场中心位置附近，即获知成像工装上视场中心对应区域；

C.采用激光器照射成像工装上视场中心区域，使相机对激光照射点成像，微调激光照射点位置，使得激光点成像灰度值为最大值。此时，激光照射点即P1位置；

D.在P1点位置粘贴靶标，使用MetroIn工业三坐标测量系统测量P1点坐标值。

（5）远场-Y侧P2位置测量：

A.撤出近场工装，采用激光水平仪在平行于安装基体对地面墙面照射激光垂线；

B.观测遥感相机判断软件成像曲线图峰值位置，调整激光水平仪，使得峰值出现在视场-Y侧边缘附近（判断软件微光通道右侧，高亮通道左侧）；

C.采用激光器照射成像视场-Y侧边缘区域，使相机对激光照射点成像，微调激光照射点位置，使得激光点成像灰度值为最大值。此时，激光照射点即P2位置；

D.在P2点位置粘贴靶标，使用MetroIn工业三坐标测量系统测量P2点坐标值。

（6）远场+Y侧P3位置测量与P2相同，得到P3点坐标值；

（7）根据P1、P2、P3解算L12、L23、L13、h2、h3五个参量，并解算出相机视场面与水平面的夹角θ，以及此两面交线与基体+Y轴夹角ψ；

（8）根据θ和ψ，在过渡环底部选定需要加垫片的2个螺孔位置，从而可解算垫片d2和d3高度；

（9）加垫片后安装基体至过渡环，按a）～e）步骤复测相机视场面水否水平；若水平则完成视场倾角的补偿，若仍不水平则根据重新测量的结果；

（10）一个相机完成视场预测后，在基体转台法兰面下部粘贴棱镜，并使用经纬仪测量并记录棱镜两相邻镜面的俯仰角，用于转台姿态的复位。

4 结论

多相机市场组合精度的研究经历了原理构想、理论分析、现场测量调整等过程。在相机视场的调节中，以理论研究为基础，分析影响测量及调整的因素，通过激光跟踪仪与经纬仪联合使用，成功完成了相机视场的测量与调整。该相机视场调节措施已在多次使用过程中得到了验证，满足各项性能指标。

参考文献：

[1] 于成浩，柯明，赵振堂 提高激光跟踪仪测量精度的措施 [J].2007，32（2），54-56

[2] 周俊. 电子经纬仪的误差修正和模型仿真 [D]. 南京航空航天大学. 2005

[3] 金志皓. 光学坐标测量靶标标定研究及软件设计 [D]. 天津大学. 2007

[4] 张博，彭军.激光跟踪仪测量系统[J].计量技术，2006，26（4）

作者简介：

张则梅，女，（1985-），工学硕士，八院卫星装备研究所，主任工艺师（高级工程师），飞行器设计专业.