宽覆盖面阵CCD测绘相机标定方法

    引 言

    在大视场、高分辨率光电测量设备中，在一定的测量精度和测量视场的要求下，单片 CCD 器件仍不能够满足需求，为此，需要对多 CCD 器件进行拼接。本文阐述内容所涉及的宽覆盖面阵 CCD 测绘相机的要求单片 CCD 就无法满足，所以宽覆盖面阵测绘相机是以拼接 3 块面阵 CCD 为目标，采用外视场拼接的方案。每片 CCD 一个镜头，共计 3 个镜头。以一定的角度将三块面阵 CCD 拼接。

    在摄影测量系统中，如果知道面阵CCD摄影测量相机所摄数字影像的六个外方位元素( X , Y,Z,? ,ω,κ),即摄影中心在地面或地心坐标系中的位置和姿态角，同时知道面阵 CCD 相机的内方位元素，即相机的主距 f、主点坐标(x0, y0)和相机间的夹角 α，那么地面上任一物点 Pi(Xi, Yi, Zi)在三个相机坐标系中的像点坐标就可以完全确定了。

    反之，如果能够求出对应 Pi点的像点坐标，则可以计算出 Pi点的地面坐标(Xi, Yi, Zi)，这就是面阵 CCD相机进行立体摄影测量的基本原理。

    为了满足图像匹配等其它处理过程中的精度要求，对相机本身内方位元素的精度和稳定性要求很高，因为相机本身的精度是其它精度的基础。保证相机内方位元素的高精度高稳定性，要求有适应空间实验条件的光学系统的设计和高稳定性光机结构的设计和高精度光机装调。在保证这些条件的基础上，相机内方位元素和相机间夹角的实验室精密标定是保证相机内方位元素高精度的另一个重要手段。

    针对这种任务需求，对面阵 CCD 立体摄影测量相机样机进行标定。主要内容是标定相机的内方位元素和相机间夹角，即相机的主距 f、像主点坐标(x0, y0)和相机间的夹角。

    1 标定系统的组成

    面阵 CCD 相机在拼接的时候需要满足 8 个像素的搭接和相邻两相机间夹角为 5 度的要求，要想获得相机间夹角和搭接的像素数，必须有一基准设备保证提供角度基准。一种方法是依靠固定相机的转台的角度读出为基准，即利用转台的水平轴、垂直轴的角度输出为基准。另一种方法是依靠角度发生器的角度值为基准。角度发生器是专门研制的用于相机拼接的设备，是根据多平行光管法变化而来的。我们采用角度发生器的方案。

    整个标定系统由角度发生器、高精度分划板、照明组件、高稳定平台、图像采集系统、标定计算机、标定软件组成。

    角度发生器是由 3 个平行光管组成，光管之间有一定的夹角，这在装调角度发生器时利用高精度经纬仪进行测量调整，保证其角度值的精确性。在每个平行光管中，加装刻有 5×5 个正交十字丝的分划板，最外圈十字丝的位置要考虑相机间搭接，装调时要调整好其位置，每 25 个目标经过平行光管后成像在各自对应的相机的 CCD 像面上，并充满整个视场。分划板后加照明，为保证每个十字丝的照明稳定性，采用直流稳压电源供电。这样，每个平行光管就可以产生 25 束平行光。将角度发生器调水平，利用高精度经纬仪将各个光束的空间角度测出，作为角度的真值，对于每个十字丝目标，利用高精度经纬仪测量得到角度后，该标定设备就可以作为测量基准来标定相机。