三线阵立体测绘相机光学系统设计

　　1　引　言

　　目前许多国家在地球景物测绘中越来越重视中分辨率三线阵立体测绘相机的使用,由于它具有体积小、质量轻和功耗省等优点,已成为地外星球测绘测量的主要传感器。开展对三线阵立体测绘相机系统的研究,可为其在小卫星上的应用或对月进行传输型立体测绘奠定基础。80年代德国科学家首先研究并应用三线阵CCD相机进行立体测绘,至今,国外传输型立体测绘相机发展已经相当成熟。我国传输型立体测绘相机的研究工作虽然刚刚起步,但是已经成功发射的探索1号及嫦娥1号表明我国传输型立体测绘相机已经取得突破性进展[1]。

　　三线阵立体相机的光学系统决定了相机的外形尺寸和布局,因此综合考虑光学系统的结构对保证相机的小型化、轻量化及稳定性是十分必要的[2]。本文根据光学系统设计指标要求,分析、比较了折射式、反射式及折反射式等光学系统结构型式,综合考虑空间环境适应性、结构布局等因素,采用像方远心光路,设计了一种兼具匹兹瓦型与对称型优点的新型光学系统结构,该光学系统成像质量优良,满足实验室静态传递函数>0.2,相对畸变<3×的高质量指标要求。

　　2　三线阵CCD立体测绘相机工作原理

　　三线阵CCD立体测绘相机的光电扫描成像部分由光学系统焦面上的3个线阵CCD传感器组成,3个线阵CCD相互平行排列并与航天飞行器飞行方向垂直。当航天飞行器飞行时,每个CCD以一个同步的周期N连续扫描地面并产生3条相互交迭的条带图像,这3个CCD的成像角度不同。垂直对地成像的相机称为正视相机,向前倾斜成像的相机为前视相机,而向后倾斜成像的相机称为后视相机。前、后视相机具有一定的交会角。在测绘时,需要确定每个扫描时刻三线阵相机的外方位元素,即相机坐标系的原点在地球坐标系中的位置和姿态角,以及三线阵相机的内方位元素,即相机的主距、主点位置和交会角,从而可以确定地面上任一物点在3个不同时刻时在3条线阵CCD上的像点坐标;反之,如果能够求出对应的像点坐标,那么可以计算出地面上任一物点的坐标,这就是三线阵CCD相机进行立体测绘的原理[3]。如图1所示。

　　3　光学系统设计

　　3.1　光学系统参数的确定

　　3.1.1　焦距和视场

　　焦距是光学系统的重要参数,它不仅直接影响系统的性能,而且决定了相机的体积和质量。三线阵相机的CCD像元尺寸为6.5μm×6.5μm,CCD的像元尺寸确定后,它的大小与地面像元分辨率和轨道高度有关,焦距计算公式为:

　　f′=a×H/gs D

　　式中,f′为光学系统焦距,a为CCD像元尺寸,H为轨道高度,GSD为地面像元分辨率。