大視場反射式自由曲面空間相機(jī)畸變標(biāo)定方法
【專利摘要】大視場反射式自由曲面空間相機(jī)的畸變標(biāo)定方法屬于光學(xué)檢測與光學(xué)測量【技術(shù)領(lǐng)域】，該方法利用三臺經(jīng)緯儀建立測量坐標(biāo)系，通過基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換標(biāo)定出光學(xué)系統(tǒng)全視場內(nèi)各計量標(biāo)記點的方位角、俯仰角，再通過數(shù)據(jù)擬合方法實現(xiàn)視場角為76度的反射式自由曲面光學(xué)系統(tǒng)在分散裝調(diào)狀態(tài)下二維畸變分布的標(biāo)定。本發(fā)明實現(xiàn)了復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)散擺條件下的保精度畸變測量，降低了研制成本，縮短了研制周期；經(jīng)試驗結(jié)果驗證上述測量及數(shù)據(jù)解算方法的精度與準(zhǔn)確性均滿足研制需求。
【專利說明】大視場反射式自由曲面空間相機(jī)畸變標(biāo)定方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)檢測與光學(xué)測量【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種大視場反射式自由曲面 空間相機(jī)的畸變標(biāo)定方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 用于地面農(nóng)作物普查的空間遙感器需要具備較大的視場角，才可以實現(xiàn)衛(wèi)星一次 過頂對應(yīng)的地面刈副寬度滿足農(nóng)作物長勢等觀測數(shù)據(jù)量需求。為此，遙感器的主要光學(xué)載 荷--甚寬覆蓋多光譜空間相機(jī)（以下簡稱空間相機(jī)）采用多個反射式自由曲面光學(xué)元件 構(gòu)成光學(xué)系統(tǒng)，可以達(dá)到76°的視場角，但由此引起的畸變在成像方向上高達(dá)10% (理論 值）。上述畸變會引起圖像失真與扭曲，造成視場中央與視場邊緣推掃速度產(chǎn)生差異，并且 導(dǎo)致遙感器成像過程中各視場的相移補償存在誤差，進(jìn)而引起圖像分辨率下降以及光譜通 道配準(zhǔn)誤差。可以說，對于推掃成像的多光譜空間相機(jī)，較大的畸變會引起主要光學(xué)指標(biāo)的 全面下降。為此需要在空間相機(jī)裝調(diào)過程中對全視場畸變進(jìn)行精密標(biāo)定，擬合出像面各點 的畸變分布，為進(jìn)一步精密裝調(diào)及畸變矯正提供必要的測量數(shù)據(jù)。
[0003] 目前，實驗室內(nèi)常用的畸變標(biāo)定方法包括精密測角法、三維空間試驗場標(biāo)定法、基 于徑向約束的兩步標(biāo)定法、同一標(biāo)定物多角度成像法、基于光學(xué)衍射元件的標(biāo)定方法及自 標(biāo)定方法等?，F(xiàn)有方法在進(jìn)行大視場多光譜反射式自由曲面光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)過程中畸變標(biāo)定 時存在的不足與缺點如下：
[0004] (1)多光譜相機(jī)采用推掃成像方式，而三維空間試驗場標(biāo)定法、基于徑向約束的兩 步標(biāo)定法（RAC)、同一標(biāo)定物多角度成像法等只適用于面陣探測器凝視成像系統(tǒng)的畸變標(biāo) 定，因此難以應(yīng)用于推掃成像系統(tǒng)裝調(diào)階段的畸變標(biāo)定。
[0005] (2)基于光學(xué)衍射元件的標(biāo)定方法需要口徑覆蓋待測光學(xué)系統(tǒng)的大尺寸衍射光學(xué) 元件以提供不同角度的入射光線，而待測系統(tǒng)有效口徑超過750_，目前難以加工出適合的 衍射元件。
[0006] (3)常規(guī)精密測角標(biāo)定方法使用轉(zhuǎn)臺、平行光管及標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定物實現(xiàn)畸變精密測量， 但對于76°視場的空間相機(jī)，需要研制口徑超過1500mm的平行光管才可以在轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)過 程中覆蓋全部視場角，其研制成本與難度難以承受。
[0007] (4)精密測角法需要將光學(xué)系統(tǒng)放置在高精度轉(zhuǎn)臺上以提供標(biāo)準(zhǔn)角度，但高性能、 復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)集成裝調(diào)過程是在光學(xué)平臺上借助大量的輔助裝調(diào)設(shè)備分散完成的，上述輔 助裝調(diào)設(shè)備連同光學(xué)平臺的尺寸與重量過大難以放置在轉(zhuǎn)臺上進(jìn)行畸變標(biāo)定。
[0008] (5)對于由反射式自由曲面光學(xué)兀件構(gòu)成的成像系統(tǒng)，其畸變分布規(guī)律并不完全 符合最小二乘規(guī)律等現(xiàn)有的畸變擬合先驗法則，難以采用目前的畸變擬合方法解算全視場 內(nèi)各點的畸變值。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 為了解決上述大視場多光譜空間相機(jī)在光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)過程中難以進(jìn)行畸變標(biāo)定 的技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種大視場反射式自由曲面空間相機(jī)畸變標(biāo)定方法，其采用三臺 經(jīng)緯儀建立坐標(biāo)系，通過基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換的方法，在保證現(xiàn)有標(biāo)定精度的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)自由曲面光 學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)過程中的畸變標(biāo)定。此外該方法通過與光學(xué)設(shè)計仿真模擬的光束出射二維偏角 的逐點比對計算，結(jié)合多項式擬合算法，可計算畸變分布函數(shù)中多項式系數(shù)，最終得到光學(xué) 系統(tǒng)全視場各點的畸變值。通過應(yīng)用該方法得到的畸變標(biāo)定數(shù)據(jù)對圖像進(jìn)行矯正，驗證了 該方法的有效性以及畸變標(biāo)定精度。
[0010] 本發(fā)明解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案如下：
[0011] 大視場反射式自由曲面空間相機(jī)畸變標(biāo)定方法，包括如下步驟：
[0012] 步驟一：調(diào)整網(wǎng)格分劃板的位置，使其位于待測光學(xué)系統(tǒng)的焦平面內(nèi)，且網(wǎng)格分劃 板的法線方向與待測光學(xué)系統(tǒng)的光軸平行，網(wǎng)格分劃板的網(wǎng)格線絕對水平；
[0013] 步驟二：將測量經(jīng)緯儀調(diào)平，并校準(zhǔn)其光學(xué)內(nèi)調(diào)焦系統(tǒng)至無窮遠(yuǎn)的位置固定不 變；
[0014] 步驟三：調(diào)整第一基準(zhǔn)經(jīng)緯儀和第二基準(zhǔn)經(jīng)緯儀的位置，使測量經(jīng)緯儀在可以照 準(zhǔn)待測光學(xué)系統(tǒng)全部視場的前提下，仍然能夠分別與第一基準(zhǔn)經(jīng)緯儀、第二基準(zhǔn)經(jīng)緯儀實 現(xiàn)互瞄；將第一基準(zhǔn)經(jīng)緯儀和第二基準(zhǔn)經(jīng)緯儀調(diào)平，分別校準(zhǔn)無窮遠(yuǎn)位置，并在任意方向?qū)?兩個基準(zhǔn)經(jīng)緯儀的方位角清零；然后根據(jù)測量方向選取第一基準(zhǔn)經(jīng)緯儀或第二基準(zhǔn)經(jīng)緯儀 與測量經(jīng)緯儀互瞄對方的自準(zhǔn)直十字絲，并記錄各基準(zhǔn)經(jīng)緯儀對應(yīng)的方位角和俯仰角；
[0015] 步驟四：使用測量經(jīng)緯儀逐一照準(zhǔn)網(wǎng)格分劃板上的各條網(wǎng)格線交匯點，并記錄測 量經(jīng)緯儀對應(yīng)的方位角、俯仰角；
[0016] 步驟五：將測量經(jīng)緯儀沿待測光學(xué)系統(tǒng)的線視場方向平移，每次平移后重新調(diào)平 測量經(jīng)緯儀；平移到每個位置后，使用測量經(jīng)緯儀依照步驟三中的方法再次與第一基準(zhǔn)經(jīng) 緯儀或第二基準(zhǔn)經(jīng)緯儀進(jìn)行互瞄，可以得到轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系的方位角ω'和俯仰角Θ ':

【權(quán)利要求】
1.大視場反射式自由曲面空間相機(jī)畸變標(biāo)定方法，其特征在于，該方法包括如下步 驟： 步驟一：調(diào)整網(wǎng)格分劃板（4)的位置，使其位于待測光學(xué)系統(tǒng)（7)的焦平面內(nèi)，且網(wǎng)格 分劃板（4)的法線方向與待測光學(xué)系統(tǒng)（7)的光軸平行，網(wǎng)格分劃板（4)的網(wǎng)格線絕對水 平； 步驟二：將測量經(jīng)緯儀（1)調(diào)平，并校準(zhǔn)其光學(xué)內(nèi)調(diào)焦系統(tǒng)至無窮遠(yuǎn)的位置固定不變； 步驟三：調(diào)整第一基準(zhǔn)經(jīng)緯儀（3)和第二基準(zhǔn)經(jīng)緯儀（6)的位置，使測量經(jīng)緯儀（1)在 可以照準(zhǔn)待測光學(xué)系統(tǒng)（7)全部視場的前提下，仍然能夠分別與第一基準(zhǔn)經(jīng)緯儀（3)、第二 基準(zhǔn)經(jīng)緯儀（6)實現(xiàn)互瞄；將第一基準(zhǔn)經(jīng)緯儀（3)和第二基準(zhǔn)經(jīng)緯儀（6)調(diào)平，分別校準(zhǔn)無 窮遠(yuǎn)位置，并在任意方向?qū)蓚€基準(zhǔn)經(jīng)緯儀的方位角清零；然后根據(jù)測量方向選取第一基 準(zhǔn)經(jīng)緯儀（3)或第二基準(zhǔn)經(jīng)緯儀（6)與測量經(jīng)緯儀（1)互瞄對方的自準(zhǔn)直十字絲，并記錄 各基準(zhǔn)經(jīng)緯儀對應(yīng)的方位角和俯仰角； 步驟四：使用測量經(jīng)緯儀（1)照準(zhǔn)網(wǎng)格分劃板（4)上的各條網(wǎng)格線的一系列交匯點 (8)，并記錄測量經(jīng)緯儀（1)對應(yīng)的方位角、俯仰角； 步驟五：將測量經(jīng)緯儀（1)沿待測光學(xué)系統(tǒng)（7)的線視場方向平移，每次平移后重新調(diào) 平測量經(jīng)緯儀（1);平移到每個位置后，使用測量經(jīng)緯儀（1)依照步驟三中的方法再次與第 一基準(zhǔn)經(jīng)緯儀（3)或第二基準(zhǔn)經(jīng)緯儀（6)進(jìn)行互瞄，可以得到轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系的方位角ω '和 俯仰角Θ ':
其中，α為在測量位置Ν進(jìn)行第Ν次互瞄時，測量經(jīng)緯儀（1)相對于網(wǎng)格分劃板（4) 上最后一個網(wǎng)格線交匯點（8)與測量位置Ν之間的方位夾角為第二基準(zhǔn)經(jīng)緯儀（6)相 對于清零方向旋轉(zhuǎn)的方位角；β為測量經(jīng)緯儀（1)移至測量位置N+1并重新調(diào)平后，測量 經(jīng)緯儀（1)對測量位置Ν最后一個網(wǎng)格線交匯點（8)的方位角與再次互瞄后的方位角的夾 角；Φ 2為第二基準(zhǔn)經(jīng)緯儀（6)與測量經(jīng)緯儀（1)位于測量位置Ν+1再次互瞄后相對于清零 方向旋轉(zhuǎn)的方位角；以及，Π i為測量經(jīng)緯儀（1)在測量位置Ν對網(wǎng)格分劃板（4)上最后一 個網(wǎng)格線交匯點（8)的俯仰角；η2為測量經(jīng)緯儀（1)在測量位置N+1照準(zhǔn)測量位置N最后 一個網(wǎng)格線交匯點（8)的俯仰角； 步驟六：根據(jù)步驟五的測量原理，將測量經(jīng)緯儀（1)沿待測光學(xué)系統(tǒng)（7)的線視場方 向移動，順次照準(zhǔn)網(wǎng)格分劃板（4)上各條網(wǎng)格線的一系列交匯點（8)，并記錄測量經(jīng)緯儀 (1)對應(yīng)的方位角和俯仰角；在每次移動測量經(jīng)緯儀（1)后，依照步驟五中的方法與第一基 準(zhǔn)經(jīng)緯儀（3)或第二基準(zhǔn)經(jīng)緯儀（6)建立位置轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)，得到轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系的俯仰角和方位 角； 步驟七：根據(jù)步驟六得到的測量數(shù)據(jù)，依據(jù)內(nèi)方位元素計算公式，得到待測光學(xué)系統(tǒng) (7)的主點坐標(biāo)（X。，yQ)和主距（fx，fy)，過程如下： 步驟7.1、通過計量得到網(wǎng)格分劃板（4)上各條網(wǎng)格線交匯點⑶對應(yīng)的坐標(biāo)為：
，其中（Xi，yk)表示第i行網(wǎng)格線與第k列網(wǎng)格線交匯點的 坐標(biāo)的理論值； 步驟7. 2、采用步驟六中的標(biāo)定方法，并結(jié)合步驟五中的各轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系， 可測試并計算得到各網(wǎng)格線交匯點（8)對應(yīng)出射光束的方位角和俯仰角為：
，其中（《ik，0ik)表示對應(yīng)第i行與第k列網(wǎng)格線交 匯點出射光束的方位角、俯仰角； 步驟7. 3、將上述得到的方位角和俯仰角對應(yīng)代入光學(xué)設(shè)計軟件中，根據(jù)待測光學(xué) 系統(tǒng)（7)的光學(xué)設(shè)計結(jié)果計算得到對應(yīng)| (c〇ik，Θ ik) |的一組網(wǎng)格線交匯點坐標(biāo)計算值 (X/，yk' )1，即對應(yīng)出射光束視場角的待測光學(xué)系統(tǒng)像面坐標(biāo)的計算值，根據(jù)此計算值 可以擬合出其對應(yīng)的坐標(biāo)原點（xiC/，y k(/ ); 步驟7. 4、根據(jù)網(wǎng)格線交匯點理論坐標(biāo)矩陣I (Xi，yk) I計算得到相應(yīng)的坐標(biāo)原點 (xiQ，yM)，計算實際坐標(biāo)原點（Xk/，ykc/ )與理論坐標(biāo)原點（xi(l，yk。）的差值即得到主點坐 標(biāo)（Χ〇，％)，進(jìn)而在光學(xué)設(shè)計軟件中計算得到相應(yīng)的主距（f x，fy); 步驟八：將步驟七計算得到的主點和主距，代入根據(jù)裝調(diào)后光學(xué)系統(tǒng)實際光路關(guān)系建 立的光學(xué)仿真模型中，仿真計算出光學(xué)系統(tǒng)上各條網(wǎng)格線交匯點對應(yīng)的出射光線的方位 角、俯仰角；再解算上述仿真數(shù)據(jù)與測量數(shù)據(jù)及畸變系數(shù)建立的超定方程組，可得到多項式 擬合的系數(shù)；將得到的系數(shù)代入畸變擬合計算公式中，計算待測光學(xué)系統(tǒng)（7)焦平面內(nèi)任 意坐標(biāo)位置的畸變值，過程如下： 步驟8. 1、待測光學(xué)系統(tǒng)（7)像面內(nèi)任一點畸變的數(shù)學(xué)模型為：
式中，V k2、k3及Pl、p2為待估算的畸變系數(shù)，X、y為像面內(nèi)任一點坐標(biāo)，X。、y Q為主點 坐標(biāo)； 步驟8. 2、根據(jù)步驟7. 1得到的網(wǎng)格線交匯點的有限個坐標(biāo)（Xi，yk)以及步驟7. 4得到 的主點坐標(biāo)和主距（fx，fy)，計算得到對應(yīng)的有限個網(wǎng)格線交匯點的畸變值：
(4) 步驟8. 3、聯(lián)立上述公式（3)和公式（4)建立超定方程組為： Οχ = Dix，Dy = Diy 求解上述超定方程組，計算得到畸變系數(shù)kp k2、k3及Pl和p2，再代入公式（3)可計算 出像面內(nèi)任一點的畸變值。
2.如權(quán)利要求1所述的大視場反射式自由曲面空間相機(jī)畸變標(biāo)定方法，其特征在于， 所述步驟一包括如下步驟： 步驟1.1、在測量經(jīng)緯儀（1)的位置放置配有平面標(biāo)準(zhǔn)鏡的光學(xué)干涉儀，使干涉儀、待 測光學(xué)系統(tǒng)（7)、網(wǎng)格分劃板（4)構(gòu)成準(zhǔn)直干涉光路； 步驟1. 2、分別在待測光學(xué)系統(tǒng)（7)的+1視場、0視場、-1視場內(nèi)，根據(jù)待測光學(xué)系統(tǒng) (7)的波相差利用多維調(diào)整機(jī)構(gòu)（5)調(diào)整網(wǎng)格分劃板（4)的位置，直至上述各視場的平均波 相差最小，則此時網(wǎng)格分劃板（4)位于待測光學(xué)系統(tǒng)（7)的焦平面內(nèi)； 步驟1. 3、將測量經(jīng)緯儀（1)放置在步驟1. 1所述的位置，并將其調(diào)平； 步驟1. 4、使用測量經(jīng)緯儀（1)分別在待測光學(xué)系統(tǒng)（7)的+1視場、0視場、-1視場 內(nèi)，分別照準(zhǔn)網(wǎng)格分劃板（4)的同一條橫向網(wǎng)格線，利用多維調(diào)整機(jī)構(gòu)（5)調(diào)整網(wǎng)格分劃板 (4)的滾轉(zhuǎn)角，直至測量經(jīng)緯儀（1)在照準(zhǔn)網(wǎng)格分劃板（4)的同一條橫向網(wǎng)格線時對應(yīng)的俯 仰角一致，則表明網(wǎng)格分劃板（4)對地調(diào)平，并且網(wǎng)格分劃板（4)法線方向與待測光學(xué)系統(tǒng) (7)的光軸平行，網(wǎng)格線絕對水平。
【文檔編號】G01C25/00GK104215261SQ201410427349
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年8月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月26日
【發(fā)明者】何煦, 張曉輝, 吳國棟, 曹智睿 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所