航天三线阵CCD相机镜头间6自由度变化在轨监测方法

摘要

航天三线阵CCD相机镜头间6自由度变化在轨监测方法，在相机镜头A上刚性固定激光发射接收装置，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，在相机镜头B上刚性固定激光反射接收装置，包括平面反射镜、第二面阵CCD和第三面阵CCD，光纤耦合器对激光光源发出的激光进行三路分光，而后分别经激光准直器准直输出，其中两路分别直接投射到激光反射接收装置的两个面阵CCD相机上，一路经平面镜反射到激光发射接收装置的单个面阵CCD相机上。通过面阵CCD上光斑位置的变化求解出航天相机镜头间的3个旋转自由度和3个平动自由度变化。本发明采用非接触测量方法，不改变航天相机结构，安装调整方便，结构紧凑，可在轨工作。

主权项

1.航天三线阵CCD相机镜头间6自由度变化在轨监测方法，其特征在于步骤如下：(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三个激光准直器得到三路准直输出激光；(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，另外两路准直输出激光分别射向第二面阵CCD和第三面阵CCD，该两路准直输出激光的反向延长线应交于一点；(4)通过第一面阵CCD上激光束的成像点在水平和垂直两个方向的位移变化可以确定相机镜头A相对于相机镜头B的两个转动自由度的变化量，方法为：采用公式和计算，式中Δz和Δx分别为第一面阵CCD上激光束的成像点在垂直和水平方向的位移，S为激光束从平面反射镜成像至第一面阵CCD上时经过的距离；(5)通过第二面阵CCD和第三面阵CCD上激光束的成像点的位移变化可以确定相机镜头A相对于相机镜头B的第三个转动自由度的变化量，方法为：采用公式θ_z＝arcsin((Δx_u-Δx_d)/D)计算，式中Δx_u和Δx_d分别为第二面阵CCD上激光束的成像点和第三面阵CCD上激光束的成像点的位移，D为第三转动自由度运动前第二面阵CCD上激光束的成像点和第三面阵CCD上激光束的成像点之间的距离；(6)利用步骤(4)和步骤(5)中得到的旋转角度，得到描述镜头间旋转变化的旋转矩阵R；$R=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\theta }_y\cos {\theta }_z& \cos {\theta }_x\sin {\theta }_z+\sin {\theta }_x\sin {\theta }_y\cos {\theta }_z& \sin {\theta }_x\sin {\theta }_z-\cos {\theta }_x\sin {\theta }_y\cos {\theta }_z\\ -\cos {\theta }_y\sin {\theta }_z& \cos {\theta }_x\cos {\theta }_z-\sin {\theta }_x\sin {\theta }_y\sin {\theta }_z& \sin {\theta }_x\cos {\theta }_z+\cos {\theta }_x\sin {\theta }_y\sin {\theta }_z\\ {\sin \theta }_y& -{\sin \theta }_x{\cos \theta }_y& \cos {\theta }_x\cos {\theta }_y\end{array}\right]$(7)利用步骤(6)中得到的旋转矩阵并结合第二面阵CCD和第三面阵CCD上光斑的位置坐标，基于坐标变换列解方程组，得到相机镜头A相对于相机镜头B的三个平动自由度的变化量，方法为：基于镜头间任意6自由度变化的坐标变化关系，根据旋转矩阵R、激光光斑在第二面阵CCD上的新位置坐标(X₁，Y₁)以及激光光斑在第三面阵CCD上的新位置坐标(X₂，Y₂)，联立获得方程组KT＝U，其中：$K=\left[\begin{array}{ccc}\frac{r_{11}{r}_{32}d-r_{11}{r}_{33}l+r_{13}{r}_{31}l-r_{12}{r}_{31}d}{-r_{32}d+r_{33}l}& \frac{{-r}_{12}{r}_{33}l+r_{13}{r}_{32}l}{-r_{32}d+r_{33}l}& \frac{-r_{12}{r}_{33}d+r_{13}{r}_{32}d}{-r_{32}d+r_{33}l}\\ \frac{r_{21}{r}_{32}d-r_{21}{r}_{33}l+r_{23}{r}_{31}l-r_{22}{r}_{32}d}{-r_{32}d+r_{33}l}& \frac{-r_{22}{r}_{33}l+r_{23}{r}_{32}l}{-r_{32}d+r_{33}l}& \frac{-r_{22}{r}_{33}d+r_{23}{r}_{32}d}{-r_{32}d+r_{33}l}\\ -\frac{r_{11}{r}_{32}d+r_{11}{r}_{33}l-r_{13}{r}_{31}l-r_{12}{r}_{31}d}{r_{32}d+r_{33}l}& -\frac{r_{12}{r}_{33}l-r_{13}{r}_{32}l}{r_{32}d+r_{33}l}& -\frac{{-r}_{12}{r}_{33}d+r_{13}{r}_{32}d}{r_{32}d+r_{33}l}\\ -\frac{r_{21}{r}_{32}d+r_{21}{r}_{33}l-r_{23}{r}_{31}l-r_{22}{r}_{31}d}{r_{32}d+r_{33}l}& -\frac{r_{22}{r}_{33}l-r_{23}{r}_{32}l}{r_{32}d+r_{33}l}& -\frac{-r_{22}{r}_{33}d+r_{23}{r}_{32}d}{r_{32}d+r_{33}l}\end{array}\right],$$T=\left[\begin{array}{c}{t}_x\\ t_y\\ t_z\end{array}\right],$$U=\left[\begin{array}{c}{X}_1-\frac{({-r}_{12}{r}_{33}+r_{13}{r}_{32})\mathrm{dr}}{-r_{32}d+r_{33}l}\\ Y_1-\frac{({-r}_{22}{r}_{33}+r_{23}{r}_{32})\mathrm{dr}}{-r_{32}d+r_{33}l}\\ X_2-\frac{({-r}_{13}{r}_{32}+r_{12}{r}_{33})\mathrm{dr}}{r_{32}d+r_{33}l}\\ Y_2-\frac{({-r}_{23}{r}_{32}+r_{22}{r}_{33})\mathrm{dr}}{r_{32}d+r_{33}l}\end{array}\right],$r_ij，i＝1，2，3，j＝1，2，3为旋转矩阵R中的元素，D为第三转动自由度运动前第二面阵CCD上激光束的成像点和第三面阵CCD上激光束的成像点之间的距离，l为入射至第二面阵CCD和第三面阵CCD的两入射光线的反向延长线交点与第二面阵CCD和第三面阵CCD像面的垂直距离，r为第三转动自由度运动前相机镜头A上的坐标系原点与所述反向延长线交点的距离，此方程组的解即为相机镜头A相对于相机镜头B的三个平动自由度的变化量(t_x，t_y，t_z)。