[发明专利]航天三线阵CCD相机镜头间6自由度变化在轨监测方法

说明书

技术领域

本发明属于航天卫星摄影测量技术领域，涉及一种对航天三线阵CCD相机镜头间的6自由度变化进行在轨监测的方法。

背景技术

航天三线阵CCD相机镜头间的相对位置关系是一个重要参量。镜头间相对6自由度变化包括3个平动自由度和3个转动自由度，需要分别测量。目前航天三线阵CCD相机镜头间的相对位置关系只能通过卫星发射前在地面实验室精确检定来确定，但是在卫星发射上天后，随着卫星在轨飞行期间由于失重、温度变化等影响，将导致航天三线阵CCD相机镜头间相对位置关系产生变化，由此导致相机内方位元素发生变化，从而影响最终的航天卫星摄影测量精度。航天三线阵CCD的每一对镜头间均可能发生多自由度变化，进而导致镜头间相对位置关系发生变化。因此，相机镜头间位置变化的监测是一个多自由度测量问题。

目前，国内外进行多自由度测量的方法不少，归纳起来主要有两种：第一种是将单一激光束分为多束或直接采用多光源作为测量基准，采用多个光电接收器来接收产生各维信息的电信号。例如北京交通大学的冯其波等人提出了四自由度光学测量系统。该系统由两部分组成，固定部分主要由激光二极管、单模光纤、透镜、PBS、平面镜和两个探测器组成；可动部分包括1/4波片、分束镜和角锥棱镜。分束镜把光分成两部分，一部分被位置敏感元件接收，实现偏摆角和倾斜角的测量。另一部分被角锥棱镜反射，最后被四象限探测器接收，实现运动平台x，y方向的测量，具体可参见文献Cuifang Kuang，et al.Afour-degree-of-freedom laser measurement system(FDMS)using asingle-mode fiber-coupled laser module〔J〕.Sensors and ActuatorsA，2005，125(1)：100-108；第二种是对置于被测物体上的特制模型采用视觉检测技术来获得模型上特征点的视觉信号，而后经一定算法获得被测物体各自由度的信息。例如美国国家宇航局研制的用于测量大间隙磁场悬挂系统中圆柱形模型位置姿态的光学测量系统(OMS)，使用多个线阵CCD对模型表面上相关的发光二极管(LED)目标进行扫描，以获得各特征点的位置坐标，再通过计算求得模型几何中心的位置姿态。OMS使用16个线阵CCD和8个LED目标，以保证在模型全量程运动范围内至少对6个LED目标的测量分辨力达到0.1个像素。每2个CCD为1个传感单元，互相垂直放置，分别产生2个方向的位移信息，其作用相当于1个面阵CCD，具体可参见文献Sharon S W，James IC，Kevin J S，Walter C D.Optical position measurement for a large gapmagnetic suspension system[M].Hampton，Virginia，1994.1-53。这些方法均比较复杂，受太空工作条件、相机结构和卫星载荷等限制，难以满足航天三线阵CCD相机镜头间相对位置关系变化在轨动态监测的要求。目前所采用的解决以上问题的方法是利用地面控制点反算间接得到镜头间相对位置关系的变化，地面控制点的三维尺寸经过精确测定，将航天相机对该控制点测绘结果与实际尺寸相比对，推算出实际的镜头夹角等参数，由此得到相对位置变化。但此方法过程非常繁杂，耗时很长，适用于相机镜头间夹角精度的定期检查，不能进行实时监测，更无法满足全球性无地面控制点的卫星摄影测量要求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种操作简便、测量精度高的航天三线阵CCD相机镜头间6自由度变化在轨监测方法。

本发明的技术解决方案是：航天三线阵CCD相机镜头间6自由度变化在轨监测方法，步骤如下：

(1)在相机镜头A上刚性固定激光发射接收装置，所述激光发射接收装置包括激光光源、光纤耦合器、激光准直器、半透半反镜和第一面阵CCD，光纤耦合器对激光光源发出的激光进行三路分光，三路分光再分别经过激光准直器得到准直输出激光；

(2)在相机镜头B上刚性固定激光反射接收装置，所述激光反射接收装置包括平面反射镜、第二面阵CCD和第三面阵CCD；

(3)调整半透半反镜、平面反射镜、第一面阵CCD、第二面阵CCD和第三面阵CCD的位置，保证第二面阵CCD和第三面阵CCD在同一平面内，同时使得三路准直输出激光中的一路激光穿过半透半反镜到达平面反射镜，而后经平面反射镜反射回半透半反镜并经半透半反镜反射至第一面阵CCD上，另外两路激光分别射向第二面阵CCD和第三面阵CCD，两路激光的反向延长线应交于一点；