介绍一种可以广泛应用的时间延迟积分(TDI)CCD拼接型焦面的精密定焦技术。首先, 在恒温、隔振条件下将满足拼接精度要求的TDICCD焦面组件粗装至相机相应的设计位置; 然后, 通过数据采集与处理系统获得相机成像的调制传递函数(MTF), 并通过调焦机构进行调焦, 测得每片TDICCD所成像的MTF调焦量曲线, 进而得到每片TDICCD的最佳像面位置; 最后, 根据8片TDICCD各自的最佳像面位置拟合出共同的相机最佳像面, 并依此确定焦面组件外接口的修调量, 完成相机焦面的精密定焦与装调。对定焦精度的分析表明, 定焦误差为9.1 μm, 与焦深的相对误差为4.4%。最终的MTF测试实验表明,8片TDICCD的MTF值比较平均, 符合相机光学镜头的MTF变化规律并且远远高于该相机全视场静态MTF≥0.2的技术指标要求。本文所介绍的大视场TDICCD遥感相机的精密定焦技术可以为同类遥感相机的研制提供借鉴。

考虑测绘相机调焦会影响相机的主点位置, 从而改变相机的内方位元素, 降低立体测绘精度, 故本文分析了空间相机常用的3种调焦方式(镜组调焦、平面反射镜调焦、焦面调焦)对测绘相机主点位置的影响。简要介绍3种调焦方式的工作原理, 研究了理想情况下3种调焦方式对主点位置的影响。在考虑系统装调误差的情况下, 建立了主点位置变化量与调焦量之间的数学模型, 通过实例计算得出焦面调焦易满足测绘相机主点定位精度＜0.2 pixel, 是最适合的调焦方式。最后, 以某一型号相机调焦机构为实验对象, 对平面反射镜方式对主点的位置变化进行了实验量测, 结果证明了提出的主点位置变化量理论计算公式的准确性和分析得到的不同调焦方式对主点位置影响的正确性, 该公式可以用于指导测绘相机调焦方式的选择, 以满足高精度测绘的需要。

针对采用焦平面CCD交错拼接方式的测绘相机会由于存在交会角而产生视场拼接漏缝问题, 本文在考虑交会角和相机无侧摆的前提下提出了一种焦平面CCD重叠像元数算法。首先, 根据测绘相机成像原理建立了前视相机成像模型, 分析了产生视场漏缝的原因。接着, 推导出在CCD数量为奇数和偶数两种不同拼接形式下的地面视场重叠及漏缝大小的数学表达式, 进而得到了不产生漏缝时CCD片间最小重叠像元数计算公式, 并对误差进行了分析。最后, 将该算法应用于工程算例, 并对比了地球曲率对计算结果的影响。通过算例得到了各CCD片间视场漏缝及最小重叠像元数, 其最大值分别为1 141.491 μm, 115个。应用本文方法可以近似计算应用交错拼接法的测绘相机焦平面前后排CCD的最小重叠像元数, 误差小于1 pixel。

在地面模拟了长焦距、宽视场离轴三反光学系统的在轨立体成像, 通过对图像的数据处理和分析, 验证了离轴三反测绘相机在轨立体成像的可行性。提出了长焦距离轴三反测绘相机外场立体成像的单点成像方法。在该方法中, 单台离轴三反相机通过旋转转台对靶标成像, 根据规划的相机交会角旋转靶标, 并精确测量出靶标的旋转角度, 通过靶标的旋转来模拟两线阵相机的相机夹角。在外场立体成像中, 根据轨道高度、外场立体成像的物距及理论设计需达到的高程精度和平面精度设计地面靶标。最后, 对成像方式进行处理, 验证了离轴三反测绘相机立体成像的可行性; 对提出的外方位元素、两相机最佳夹角的测量方法进行了精度分析。该单点成像方法具有实用价值, 可用于长焦距离轴三反测绘相机在轨立体成像的可行性验证。

为了精确计算离轴三反相机的焦距以保证其测绘精度，对经典测绘模型和相关公式进行了必要的修正。首先，重新定义了离轴三反测绘相机的交会角，并对经典焦距计算公式做了修正; 其次，分析了地球曲率对离轴三反测绘相机焦距计算的影响，进一步修正了焦距计算公式。实例计算表明：当要求地面像元分辨率为2 m，在CCD像元尺寸为8 μm，轨道高度为700 km，离轴角为7°条件下，应用经典计算公式得出的斜视相机焦距与应用修正后的计算公式所得出的斜视相机焦距相对偏差达到2.6%，说明对测绘精度影响很大。因此，在采用离轴三反相机进行摄影测量时，斜视相机焦距的计算应考虑离轴角后对经典公式进行必要的修正，而正视相机的焦距计算可以沿用经典计算公式。

针对测绘相机对相机成像质量和内方位元素稳定性的要求, 在分析3种调焦方式特点的基础上, 确定了符合离轴三反测绘相机需要的调焦方式。设计了滚珠丝杠驱动的直线导轨式调焦机构, 计算得到调焦机构的灵敏度为02 μm。对该调焦机构进行了精度检测和试验验证, 结果显示其指向精度＜2″,定位精度＜3 μm。得到的结果表明: 该空间调焦机构具有结构紧凑、刚度高、位移精度好等特点,能够满足离轴三反测绘相机的调焦要求。

针对离轴三反相机光学系统对机身结构的要求，采用碳纤维复合材料制备关键部件，设计了合适的相机机身结构。设计的离轴三反相机采用的复合材料占整机重量的32%。机身结构为非对称形，光学系统中主、次镜间距为850 mm，反射镜接口定位精度要求间隔为0.005 mm、偏心为0.005 mm、倾斜为5″。通过有限元软件对设计结果进行分析、优化和检验，完成了机身结构的优化设计。计算结果表明，该机身结构具有较好的刚度、较轻的重量，能够满足光学设计对间隔，偏心和倾斜的要求。对**完成的相机进行了力学环境试验和热真空试验，结果证明了该相机机身结构在力、热等环境条件下稳定性良好，其一阶谐振频率在120 Hz以上，相机调制传递函数在0.2以上，满足离轴三反空间相机各反射镜对空间位置精度和稳定性的要求。