测绘用离轴三反光学系统技术_郭疆
1007-4619 (2012) 增刊-0017-05Journal of Remote Sensing 遥感学报
收稿日期：2012-08-01；修订日期：2012-11-20基金项目：国家自然科学资金(No.60507003)第一作者简介：郭疆(1976— )，男，副研究员，主要从事空间遥感成像技术的研究。E-mail: guojiang001@yahoo.com.cn。
测绘用离轴三反光学系统技术郭疆1，刘金国1，王国良1，朱磊1，龚大鹏1, 2，齐洪宇1, 21．中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033;2．中国科学院大学，北京 100049
摘 要：离轴三反光学系统可以同时兼顾长焦距与大视场，可以优化为零畸变、低场曲的光学系统，很好地满足了测绘对光学系统的要求，被公认为航天遥感测绘相机的发展方向。本文阐述了航天测绘相机的现状和发展趋势，对离轴三反光学系统应用于测绘的相机内方位元素定义、焦距计算公式的修正、调焦方式对主点位置精度的影响、系统畸变标定以及系统稳定性等问题进行讨论为中国自主获取高分辨率、高精度的测绘数据提供了技术参考。关键词：长焦距，离轴三反，光学系统，测绘相机中图分类号：TP73/V447.3 文献标志码：A
引用格式： 郭疆，刘金国，王国良，朱磊，龚大鹏，齐洪宇．2012．测绘用离轴三反光学系统技术．遥感学报，16(增刊): 17-21
Guo J, Liu J G, Wang G L, Zhu L, Gong D P and Qi H Y. 2012. Technology of off-axis TMA aerospace mapping camera. Journal of Remote Sensing, 16(增刊): 17–21
1 引 言随着地理信息系统软件技术的不断完善和成熟，制约中国地球空间信息产业发展的瓶颈是基础地理数据获取问题。中国数据产业的生产和需求之间存在着较大矛盾，加之国民经济和社会发展迅速，交通和城市建设等地理要素变化很快，加大了测绘对地理信息更新速度的要求，而数据资源获取速度太慢，制约了地理信息的更新速度。为满足地理信息技术快速发展的需求，迫切需要高分辨率的航天遥感测绘相机去获取大比例尺地图。同时宽视场有利于减少图像的整合处理量，提高测绘精度，缩短重访周期，增强卫星的实时性，也成为航天测绘相机的需求之一。离轴三反光学系统易于设计成长焦距兼大视场，较同轴光学系统有更多的可优化变量，可以很好的解决镜头畸变和场曲等问题，很好地满足了测绘相机对光学系统的要求，是航天遥感测绘相机的发展方向和趋势(姜会林，1982；Juranek 等，1998；Korsch，1987；潘君骅，1988)。例如，美国的Quickbird-2、印度的CARTOSAT-I相机和日本的ALOS-PRISM相机均为离轴三反光学系统。日本计划在2015年发射的ALOS3，地面像元分辨率为0.8 m，幅宽为50 km，也采用离轴三反光学系统。从以上信息可以看出高分辨率、宽幅、低畸变和平视场是大比例尺航天遥感测绘相机的需求(张科科 等，2008)，而采用离轴三反光学系统遥感测绘相机是未来发展趋势。目前，中国离轴三反测绘相机还是空白，而离轴三反测绘相机又有别于同轴系统(常军和姜会林，2003；伍和云和王培纲，2006)，需要对离轴三反光学系统应用于测绘的相关理论和模型进行研究，为中国遥感测绘的快速发展打下基础。
2 离轴三反测绘相机需注意的问题经典测绘数学模型(王任享，2006；王之卓，2007)中，相机模型均按同轴系统进行处理，而离轴三反光学系统由于视场的偏置，其像面不在光轴上，如图1所示，因此航天测绘在采用离轴三反光学系统时，需对测绘模型和公式进行相应的修正，以保证测绘应用的要求。18Journal of Remote Sensing 遥感学报 2012, 16(增刊)图1 离轴三反光学系统示意图像面光轴
2.1 内方位元素定义经典测绘模型中的相机的内方位元素包括相机的主距和主点坐标，其中主点定义为CCD线阵所在直线与垂直于该直线且过投影中心的直线的交点，主距定义为镜头投影中心到主点之间的距离。而离轴三反光学系统由于视场偏置，主点无法在像面上找到。根据测绘基本原理和测绘实际应用的需求对离轴三反光学系统的主点主距进行定义，有利于明确相机研制时相机的标定项目和标定内容，也有利于从系统的角度，分解各个环节的研究内容和精度指标，从而保证测绘精度。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吴国栋研究员将离轴三反相机主点定义为过投影中心的直线与TDICCD方向垂直交点，主距定义为镜头投影中心到主点之间的距离。对于单个相机中的两行CCD作为两台相互独立且有着固定几何关系的相机来进行标定，这样每行TDICCD都有自己的主点和主距(吴国栋，2008，2012)。相机的主点主距如图2所示。
图2 相机的主点主距示意图f4Zf3f2
f1
321
45
67
8(0,y2)(0,y1)
(0,y3)(0,y4)
YX
2.2 焦距计算公式的修正在航天遥感测绘中三镜头三线阵测绘相机原理图如图3所示，正视相机垂直于地面摄影成像，前后视相机分别与正视相机成一定的交会角(韩旭 等，2009；张影，2006；田铁印 等，2009；王智 等，2010)，3个相机镜头的CCD线阵方向与飞行方向垂直。飞行期间，各CCD线阵依据推扫原理，以同步扫描周期对地面进行推扫成像，得到同一地面不同透视中心的3个重叠航线影像，其中任意两组影像都可以构成具有航向重叠的空中立体像对(王任享，2006)。
图3 三镜头三线阵摄影测绘模型简图CCD相机镜头
飞行方向地面按照经典摄影测量的数学模型(王任享，2006；王之卓，2007)，相机各镜头的焦距按下列公式计算：正视相机： (1)斜视相机： (2)式中，a为CCD的像元尺寸，H为轨道高度，GSD为地面像元分辨率，α为相机交会角。在采用离轴三反相机进行航天遥感测绘的应用时，需对测绘模型和公式进行必要的修正，以保证测绘的精度。离轴三反两线阵测绘相机的成像的简化模型如图4所示，图中α为相机交会角，β为正视相机离轴角，γ为斜视相机离轴角，H为轨道高度。正视相机与斜视相机CCD像元尺寸为α，地面像元分辨率为GSD。正视相机焦距与斜视相机焦距分别为f1、f2。
定义f1′、f2′为正视相机视距和斜视相机视距，f1、f2为前后视相机的焦距；定义u1、u2为正视相机物距和斜视相机物距，R为地球曲率半径。19郭疆 等：测绘用离轴三反光学系统技术
图4 考虑地球曲率的两线阵摄影测绘模型简图正视相机视轴正视相机光轴斜视相机视轴
斜视相机光轴H
RR
CCD
RR
αγβ
通过推导，可得正视相机焦距计算公式： (3)斜视相机焦距计算公式为：
(4)当不考虑地球曲率时，所计算出的斜视相机焦距与考虑地球曲率时的计算值有一定的偏差，并且轨道高度越高偏差越大。在700 km轨道高度、5°离轴角时斜视相机焦距计算相对偏差达到0.8%，从而对测绘的精度产生一定的影响。不考虑地球曲率时正视相机的焦距计算值与考虑地球曲率时的计算值偏差很小，因此正视相机的焦距计算依然可以采用经典计算公式。
2.3 调焦对主点位置精度的影响一般情况下，在离轴光学系统中加入一个平面反射镜，一方面折转光路，缩短光学系统长度，另一方面通过该平面反射镜的前后移动，可以调整像平面在焦平面的成像位置，达到调焦的目的，这个平面反射镜通常被称作调焦镜。由于离轴三反光学系统有离轴角，在调焦镜前后运动时主光线会在像面上沿子午面移动，即会导致主点位置的变化。离轴三反光学系统调焦镜调焦的原理图如图5所示。
图5 调焦镜调焦的原理图焦平面调焦镜SSα°ΔX
图5中主点位置的变化量，S为调焦量，α为倾斜角。调焦镜的倾斜角约为5°，一次调焦量一般为1/4半焦深，即S=F2λ
。相机相对孔径为
1∶9，CCD像元尺寸为7 μm，由此计算出一次调焦量主点位移ΔX=8.84 μm。在一次调焦后，主点位移量为1.26个像元，远大于测绘相机主点几何标定精度0.2像元。因此，在离轴三反测绘相机的设计过程中应充分考虑调焦机构位置对相机主点的影响(郭疆，2011)。另外，调焦机构导轨在运动时，机构的直线运动误差也会导致主点位置的偏差，与调焦镜调焦引起的主点位置变化相比，调焦机构的直线度误差对相机主点位置的影响较小，是可以接受的。因此，在离轴三反测绘相机设计时不应采用调焦镜调焦，调焦机构的运动方向应和主光线方向一致，调焦机构的运动直线度要足够高，否则在相机调焦和相机标定时会引入较大的主点位置精度误差。
2.4 系统畸变标定测绘相机的关键几何参数是内方位元素和畸变，其标定精度影响相机的测绘精度，故相机使用前必须对内方位元素和畸变进行精密标定(杨秉新，1998；刘金国，1994)。目前精密测角法是测绘相机内方位元素实验室标定采用的一种经典方法，然而，由于经典的标定理论模型是建立在同轴光学系统上的，而离轴三反光学系统视场偏置，像面不在轴上，需要对内方位元素的定义、标定理论模型做相应的改动，从而实现离轴三反TDICCD相机内方位元素和畸变的标定。吴国栋(2008，2012)明确了离轴三反时间延迟积分CCD相机内方位元素和畸变的含义，提出了一种
空间相机共轴三反红外光学系统设计
空间相机共轴三反红外光学系统设计
袁涛;熊衍建;吴晗平
【期刊名称】《光电技术应用》
【年(卷),期】2011(026)002
【摘要】针对空间光学系统长焦距、大视场、轻质量、小外形尺寸、大相对孔径、高成像质量的特点和发展趋势,利用ZE-MAX求解并优化空间相机共轴三反光学系统的结构参数,设计出了焦距为5 000mm,F数为10的共轴三反射光学系统.设计结果表明:该系统视场角达8°,空间频率为50 lp/mm,调制传递函数值均大于0.4,接近衍射极限,满足高分辨率空间相机不同的使用要求.该设计对空间相机红外光学系统结构选型、设计与制造具有一定的理论指导作用和意义.
【总页数】6页(P21-26)
【作者】袁涛;熊衍建;吴晗平
【作者单位】武汉工程大学理学院,湖北,武汉,430205;湘潭大学材料与光电物理学院,湖南,湘潭,411105;武汉工程大学光电子系统技术研究所,湖北,武汉,430205;武汉工程大学理学院,湖北,武汉,430205;湘潭大学材料与光电物理学院,湖南,湘
潭,411105;武汉工程大学光电子系统技术研究所,湖北,武汉,430205
【正文语种】中文
【中图分类】TB851
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用于高光谱成像仪的大视场离轴三反系统设计
Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｄｅ ｆｅ ｄ ｏ ｉ ｗ ｆ － ｘ ｓ ｔ ｅ ・ ｉ ｒ ｒ ｓ ｓ ｅ ｓｇ ｆ ｗｉ ｌ ｆ ｖ ｅ ｏ ａ ｉ ｈｒ ｅ ｍ ｒ ｏ ｙ ｔ ｍ ｉ
薛 庆 生
（ 国科 学院 长春 光 学精 密机械 与物理 研 究所 ， 中 吉林 长春 １ ０３ ） ３０ ３ 摘 要 ：大视 场、 高分辨 力星 栽 高光谱 成像 仪 已成 为空 间遥感 的迫切 需求 ， 求其望 远 系统在 宽视 场 要 内具有 高 空间分辨 力 。 共轴 三反 系统 的几何 光 学成像 理论基 础上 ， 究 了用 于高光谱 成像仪 的 大视 在 研 场 离轴 三反 消像散 （ ＭＡ 望远 系统 的设 计 问题 ， 制 了初 始结 构计 算程 序 ， 用视 场 离轴方 式 ， 计 Ｔ ） 编 采 设
ｒ ｍ ｏｅ ｅ ｓｎ ｓ ｓｅ ，ｏ ｉｈ ｈ ｔｌｓ ｏ ｅ ｙ ｔ ｍ ｒ ｑ ｉｅ ｈｇ ｓ ａ ａ ｒ ｓ ｌ ｔｏ ｉ ｗ ｉｅ ｉｅ ｄ ｆ ｅ ｔ ｓ ｎ ｉ ｇ ｙ ｔｍ ｆ ｗｈ ｃ ｔｅ ｅ ｅ ｃ ｐ ｓ ｓｅ ｅ ｕｒ ｓ ｉ ｈ ｐ ｔ ｌ ｅ ｏｕ ｎ ｎ ｉ ｉ ｄ ｆ ｌ ｏ
第 ４ 卷 第 ４期 ｌ
ＶＯ ． ｏ． １４ｌＮ ４
红 外 与 激 光 工 程
Ｉ ｆ ａ ｅ ｎ ｓ ｒＥ ｇ ｎ ｅ ｉ ｇ ｎ ｒ ｒ ｄ ａ ｄ Ｌａ ｅ ｎ ｉ ｅ ｒｎ
２１ ０ ２年 ４月
Ａｐｒ２ ２ ．０１
用 于高 光 谱成 像 仪 的大 视 场 离 轴 三 反 系统设 计
空间遥感测绘光学系统研究综述
高新技术2017年2期︱1︱空间遥感测绘光学系统研究综述张 鹏重庆市勘测院，重庆 401121摘要：遥感技术和测绘相结合，是未来一段时间内我国地质测绘技术发展的主要趋势之一。
科学技术的发展，提升了光学荷载分辨率，让分辨率不断提升。
遥感测绘在我国许多行业中都有应用，而且应用效果比较理想。
以当前空间遥感测绘光学系统发展情况为基础，结合近年来的工作经验，对空间遥感测绘光学系统进行研究。
关键词：空间遥感；光学系统；研究 中图分类号：P237 文献标识码：B 文章编号：1006-8465（2017）02-0001-01引言 近年来科学技术发展速度较快，自然环境也在不断变化当中，所以人们开始越来越重视自然资源与太空资源开发、利用。
遥感技术可以更加全面、更加快速的对资源分布情况进行勘测，并给出开发所必要的数据等。
航天遥感，是利用飞船或者卫星等航天设备，从宇宙的角度来对地球表面进行观测，视角比较宽广。
高分辨率的光学遥感技术可以在地理测绘中使用、在土地规划中使用、在气象观测中使用。
想要全面提升摇杆测绘质量，首先要做的就是提升光学相机在光学层面上的性能。
因为遥感测绘所用的光学系统，必须高分辨率、高成像率，避免出现畸变等问题。
分辨率一般都由光学系统焦距以及光学系统尺寸这两个因素来决定。
成像的质量会受到光学系统所传递函数的影响， 所以必须要保证设备有上述各个方面的优点，才能保证工作质量，下文将对相关问题进行研究。
1 遥感测绘光学系统特点阐述 从上世纪90年代开始，许多发达国家已经开始陆续发射遥感测绘卫星，并且稳定运行了许多年。
国内在该方面的起步时间比较晚，但是在近年来也逐渐的发射了几颗遥感测绘卫星。
随着科学技术的不断发展，全球范围内的遥感测绘开始朝着下述几个方向发展。
从传统的单线阵到如今的多线阵，从低分辨率到如今的高分辨率，从小幅宽到如今的大幅宽，还增加了部分控制点，提升了遥感卫星运行的稳定性。
空间遥感测绘所用光学系统，一般都会采取小幅度移动的方式来调焦。
空间相机共轴三反红外光学系统设计
同的使用要求。该设计对空间相机红外光学系统结构选型、设计与制造具有一定的理论指导作用和意义。
关键词：空间相机；共轴三反；长焦距；宽视场；光学系统设计
中图分类号：TB851
文献标识码：A
文章编号：1673-1255（2011）02-0021-06
Design of Coaxial Three-mirror Infrared Optical System for Space Camera
序号
1 2 3 4 5 6 7 8
三镜面型（主镜、 次镜、三镜）
CV CV CV CV CV CX CV CX CV CV CX CX CX CV CV CX CV CX CX CX CV CX CX CX
结构特点
不满足匹兹万条件 三镜为凸镜 合理结构
不满足匹兹万条件 合理结构
三镜为凸镜 镜片口径过大 不满足匹兹万条件
表 1 三反镜面形形式及结构特点
1 光学系统方案选择
在光学设计中对于长焦距高分辨率成像系统， 若采用折射式，则存在结构尺寸大和二级光谱等问 题；若采用折反式光学系统如施密特-卡塞格林系 统，存在体积质量大，口径受限等问题，这些问题都 对长焦距高分辨率成像系统的应用产生一定的限 制。反射式光学系统的铝或介质膜的反射层，在很 宽的波段范围内有很高的反射率，能量损失少，而 折射元件一方面有可能通过材料内部吸收降低透 过 率 ，另 一 方 面 容 易 产 生 鬼 像（冷 反 射）的 问 题 [1]。 冷反射现象是热成像系统所特有的一种图像异 态 ，指 的是被制冷的探测器从透镜组光学表面的反 射中看到自己。反射式系统不产生色差，孔径可以 做得较大，宜于轻量化，在抗热性能方面有较强的 优势[2，3]，而且可以通过非球面来校正像差，使结构 简单、像质优良[4，5]。因此反射式光学系统在空间 光学领域得到了广泛应用。例如，美国的锁眼（KH） 系列军事照相探测卫星的光学系统采用类似卡塞 格林系统的二反射镜系统。二反射镜系统由于可 优 化 的 变量少，所以不能满足大视场、大相对孔径 的 要 求 [6]。 人 们 又 引 入 了 三 反 射 镜 系 统（TMA）。 相 对 于 二 反 系 统 ，三 反 消 像 差 系 统 可 以 满 足 消 像 差、平像场，有利于实现高分辨率和系统透过率，是 适合航天应用需求的反射式光学系统。近年来，国 内外开始在对地卫星探测光学系统中使用三反消 像散系统，如 HIRIS[7]、COIS[8]、Hyperion[9]等，其中 一个具有代表性的系统是数字地球公司快鸟卫星 上的 BHRC60 相机。
基于自由曲面的紧凑型离轴三反无焦系统设计
基于自由曲面的紧凑型离轴三反无焦系统设计
闫钧华;胡子佳;朱德燕;陈阳;张寅;俞立谦
【期刊名称】《光子学报》
【年(卷),期】2022(51)5
【摘要】为了满足空间光学系统结构紧凑、尺寸小型化和高分辨率的要求,提出了一种紧凑型离轴三反无焦系统初始结构的设计方法,应用Zernike多项式自由曲面
对初始结构进行优化,分别完成了红外波段φ600 mm包络、入瞳口径为350 mm、压缩比为7倍的光阑离轴和视场离轴三反无焦光学系统的设计。
设计结果表明两
种光学系统各视场波像差均小于0.1λ(λ=3.7μm)。
公差分析表明光阑离轴三反无
焦系统波像差小于0.08λ的概率达到90%以上,视场离轴三反无焦系统波像差小于0.07λ的概率达到90%以上,说明了设计的有效性。
同时将光阑离轴和视场离轴两
种方式的光学系统进行对比,视场离轴三反无焦系统可以使结构更紧凑,波像差更小,分辨率更高。
本文提出的无焦系统初始结构的设计方法满足结构紧凑、高分辨率的实际应用需求。
【总页数】11页(P289-299)
【作者】闫钧华;胡子佳;朱德燕;陈阳;张寅;俞立谦
【作者单位】南京航空航天大学空间光电探测与感知工业和信息化部重点实验室【正文语种】中文
【中图分类】O435
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5.结构紧凑型大相对孔径离轴两反自由曲面望远光学系统设计
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长焦距离轴三反射式光学系统设计
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收稿 日期 ：２ １－１ －１ ０１ ０ ８
作者简介 ：王路 （９ ５ ，男 ，硕士研究生 ，主要从事光学系统设计方面的研 究，Ｅ １ ８ 一） —ｍａｌ ｉ ：ｗａｇｕ ７ ＠１３ｔ ｍ。 ｎ ｌ０ ９ ６ ． ｏ 通讯作者 ：王春艳 （９ １ ，女 ，博士 ，教授 ，主要从事光学设计和光电检测方 面的技术研究 。 １ ７ 一）
离轴三反消像散多光谱相机调焦系统设计
离轴三反消像散多光谱相机调焦系统设计吕世良;刘金国;贾平;徐东【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2013(021)008【摘要】空间环境的恶劣经常导致航天相机的成像平面偏离焦平面产生离焦,从而影响遥感成像质量.本文针对某航天离轴三反消像散多光谱相机设计了一种调焦系统对成像平面的离焦进行有效补偿.首先,分析了相机的离轴三反消像散光学系统和CCD焦平面的特点,确定调焦方式并阐述调焦系统工作原理.然后,介绍了调焦系统构成以及调焦控制器环境适应性、步进电机力矩选择、调焦传动机构的设计参数和位置编码器,推导出了调焦精度与调焦机构参数及编码器分辨率的关系,分析了调焦系统所能达到的调焦精度.最后,通过调焦系统测试了调焦行程内CCD焦平面直线位置与编码器码值的对应曲线.对闭环控制方式测试数据的计算分析显示,闭环调焦精度在3σ情况下为±3.11 μm,满足相机调焦控制精度±10μm的要求.【总页数】7页(P2154-2160)【作者】吕世良;刘金国;贾平;徐东【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;中国科学院大学,北京100039;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033【正文语种】中文【中图分类】TP732;TP391.4【相关文献】1.离轴三反空间相机调焦机构设计 [J], 杨会生;张银鹤;柴方茂;徐宏;李志来;关英俊2.离轴三反式多光谱相机的装调 [J], 梅贵;翟岩;苗健宇3.离轴三反测绘相机调焦机构的设计 [J], 邵明东;郭疆;孙继明4.消像散的自由曲面棱镜光谱仪光学系统设计 [J], 张佳伦;郑玉权;蔺超;纪振华5.10°远心离轴三反消像散望远系统的光学设计 [J], 李欢;向阳因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。