用于航天立体摄影测量的光学系统设计

　　0　引言

　　航天立体摄影测量相机是装载于卫星上,直接实现卫星在轨运行要完成特定任务的光学仪器.它的作用就是要直接实现卫星承担的特定任务.卫星的性质、功能和用途主要是由有效载荷决定的.它是卫星的核心部分,是决定卫星性能水平的重要因素.减小有效载荷质量对于提高性能价格比是十分重要的,而且卫星由于其设备在轨道上运行中的不可维修性,对高可靠性和长寿命也有较高的要求[1].

　　为此,本文充分考虑了空间环境适应性以及卫星对光学有效载荷的要求,在三线阵CCD航天摄影测量相机的原理基础上[2],采用一种新型的立体成像方案,达到传统三线阵CCD测量系统的探测效果.

　　1　工作原理

　　采用一台大面阵CCD器件加广角摄影物镜,达到普通三线阵CCD相机的作用,其原理见图1.

　　该系统实际上是一种改进的三线阵CCD相机.面阵CCD只采用中心与两端的三行CCD像元作为有效像元(如图1),此三行像元的作用相当于普通三线阵CCD.即这三行像元实质上具有一定交会角的前视、正视和后视的三个线阵CCD.大面积CCD以线阵CCD自推扫模式成像.该方案总体结构简单紧凑、体积小、重量轻.与三块线阵CCD拼接相比,单块CCD器件不但简化了焦平面机构,而且容易配准.工程实施性、结构安装可靠性以及对航天环境的适应性都较好[327].

　　2　光组结构分析

　　由以上的方案原理介绍可以看出,简化了结构及重量后,对光学系统的要求提高了.需要大视场角的光学系统才能满足成一定交会角的前视、正视和后视像的要求.根据总体系统参量的要求,可以确定相机光学系统的主要光学参量为f′=23.3 mm;2ω=37.8°;F/数=F/5;光谱适应范围为0.5~0.75μm[6].

　　对于这样的光学系统来说,它是一个应用在0.5~0.75μm的光谱范围的短焦距、中等相对孔径、大视场的光学系统,应用折射式光学系统较为简单合理[7].

　　除了要满足光学系统的主要技术参量外,在实际应用中还有以下几个约束条件需要在设计时考虑.一是由于是大视场系统,视场边缘点的光照度E′m与中心视场点光照度E′A是按的因子降低,即

　　式中ω为视场角.当视场很大时,边缘光照度降低相当严重·对于本系统来说,当ω=20°时,边缘光照度只有中心视场光照度的0.77,所以光学系统最好能满足像方远心或准远心,不但可以使像面照度均匀,而且可以提高立体测绘时的定位准确度.二是后工作距要求,因为系统焦距比较短,而从结构设计出发,需为CCD芯片的安装、加固、调整留有一定的空间尺寸,因此要求后工作距不小于10 mm.