长焦距大型CCD相机主点检测方法研究

    对于测绘用的长焦距大型CCD相机而言,主点是必不可少的内方位元素,其测量精度直接影响到相机的测绘精度。然而,由于受工作环境的影响,相机的CCD传感器在像平面内相对于镜头可能会发生微小的移动,相机主点位置也会随之发生相应的变化。因此,对于长焦距大型CCD相机主点检测技术的研究是非常有必要的。目前,检测此种相机主点的主要方法是利用地面控制点反算内方位元素[1],该方法利用摄影测量学的原理从软件入手避开了直接检测内方位元素的困难。模拟实验表明,该方法可以有效地克服内方位元素(如主点)的变化对摄影测量精度的影响,但当相机的测量区域离开地面控制点时,就无法再对主点位置进行检测。本文对长焦距大型CCD相机的物理结构进行分析,提出并设计了一种不依靠地面控制点进行相机主点检测的新方法。

    1测量原理及系统

    由长焦距大型CCD相机(以下简称相机)的主点标定方法[2]可知,相机的主点定义为镜头主轴与相机CCD的交点。相机所处的特殊环境会导致CCD在像平面内发生微小的平动,从而使相机的主点位置发生变化。根据以上主点的定义及其变化原因,本文建立了检测CCD相机主点变化系统的模型(以下只讨论由X方向平动造成的主点变化情况),如下所述:

    在相机CCD的两侧对称地预留2个机械空间,分别固定一个检测用小面阵CCD传感器,与相机的CCD共面(像平面),并在镜头筒壁的前端,沿直径方向对称地安装激光准直器。LD光源发出的激光经光纤耦合和准直后形成2条细光束,光束通过镜头相交后照射到2个小面阵CCD上,形成2个光斑。检测系统如图1所示。

    在像平面内建立坐标系,坐标原点为初始时通过专用设备标定的相机主点[2],X轴和Y轴方向如图1所示。由于镜头刚性很好,因此两条光线与镜头的主轴成固定的空间几何关系。如果两条光线相交与于镜头的主轴上,与主轴形成的夹角相等,并且光斑中心连线与X轴平行,则由主点的定义和几何关系可知主点的X坐标为:

    其中,x左为左检测CCD上光斑质心的X坐标,x右为右检测CCD上光斑质心的X坐标。在实验中,只能近似得到以上的几何关系,所以用以上公式求得的主点X坐标要加修正值C。当系统搭建好后,此修正值为常数,主点的X坐标公式应为:

    当相机的CCD发生X方向平动$x时,相机主点位置也会发生变化。由以上主点公式可知,此时相机的主点X坐标应为:

    此时要求的主点的X坐标的变化量为:

    由式(4)可知只要记录2个光斑的坐标变化量就可以得到主点位置的变化量。因为利用质心算法求出的是光斑质心在面阵CCD上的像素坐标,所以需要用像素坐标乘以像素尺寸才可以得出质心的物理坐标,进而得到主点位置的变化量。