针对大视场、高分辨率、低畸变和环境适应性要求高的三线阵航空测绘相机光学系统设计要求, 开展新型光学系统结构形式设计: 首先, 根据总体方案要求以及稳定平台安装特点, 确定了单镜头的技术方案; 接着, 分析计算了光学系统各项指标参数, 光学系统拉氏不变量达到9.5; 然后, 对比分析了非像方远心光路、像方远心光路和准像方远心光路的结构形式; 最后, 设计了一种航空环境适应性良好的双高斯复杂化失对称准像方远心光学系统结构形式。设计的光学系统成像质量好, 在全色谱段内的Nyquist频率为100 lp/mm, 全视场调制传递函数均优于0.36; 分别在R、G、B谱段的Nyquist频率为50 lp/mm, 全视场调制传递函数均优于0.6。光学系统全视场最大相对畸变优于0.1%, 在均匀温度0~40 ℃范围内, 全色谱段调制传递函数优于0.3。实验室鉴别率板测试结果表明, 相机静态分辨率达到102 lp/mm; 飞行验证试验结果表明, 相机摄影分辨率达到0.16 m@2 km航高。光学系统设计完全满足大视场三线阵航空测绘相机环境适应性和分辨率的要求。

为实现长焦航测相机内参数及畸变参数标定，提出利用室外检校场对相机进行标定的方法。介绍了该方法由初值到精确值的两步法的求解步骤、计算过程及实验过程。首先通过给定已知特征点位置信息以及不同角度不同位置下拍摄的影像，通过特征点提取及匹配，根据像点坐标与世界坐标的线性对应关系，基于直接线性变换算法建立约束方程求取相机参数初值，进而通过混合LMQN(Levenberg-Marquardt与Qusai-Newton)迭代优化加速求解精确值。与精密测角法比无需精密设备的操作及记录，只需不同位置不同姿态拍摄多张包含精确位置信息的检校场影像即可。最后进行标定实验并对结果分析，基于检校场的标定方法在参数解算中特征点最大投影误差为2.471 pixel，标定参数主点精度为9.7 μm (＜2 pixel)，主距精度为4.3 μm (＜1 pixel)，解算相机拍摄位置精度0.035 m，满足测绘应用的精度需求。

受现今轨道和姿态测量以及姿态控制精度的限制，与传统三线阵立体测绘相比，采用线面阵CCD阵列(LMCCD)测绘体制可提高全球无地面控制点立体测绘精度。详细介绍了LMCCD立体测绘体制下的传感器配置、时间延迟积分(TDI)工作方式及狭小空间线路板连接和LMCCD同步控制方法。经测试该相机能有效削减测轨、测姿误差，满足无地面控制点1:50 000比例尺地图应用要求，性能还可进一步改进提高。

对测绘一号卫星相机的各个光谱通道进行了光谱定标和辐射定标以验证其光谱辐射性能是否达到设计指标要求.进行光谱定标时,利用单色仪分光谱扫描波长提供准直单色辐射照明,同时同步采集定标图像数据;然后将图像灰度值与已经过校准的参考标准探测器的输出进行比对和数据处理,得到相机各个谱段的相对光谱响应函数曲线,从而进一步获得各项光谱特性参量.辐射定标时,采用近距离面源法充满相机的孔径和视场进行端对端的绝对和相对辐射定标.星上内定标则采用经老炼和筛选过的发光二极管(LED)作为星上定标光源,对焦平面阵列探测器及其成像电路的状态和辐射响应性能变化进行在轨监测,在必要的情况下予以校正.定标结果显示:测绘一号卫星相机的各项光谱和辐射性能均达到了设计指标要求,经过相对辐射校正后响应非均匀性由1.93%下降到0.22%,相机全色谱段信噪比超过90倍,多光谱各通道信噪比优于180倍;发射后在轨星上内定标数据与发射前实验室测试结果的比对显示相机的辐射响应性能未发生明显变化,暂时无须校正.

针对三线阵立体测绘相机CCD成像靶面偏离最佳像面位置, 影响成像质量的问题, 根据光学系统的设计参量, 计算测绘相机的调焦准确度, 分析像方远心光路对测绘相机调焦准确度及调焦对测绘准确度的影响.结果表明, 光学系统的调焦范围为±2 mm；当采用像方远心光路, 在允许离焦的范围内进行调焦时, 产生的投影畸变可忽略不计.调焦后光学系统的成像质量、畸变要求满足高测绘准确度要求.

根据深空探测任务中对着陆器相机要求宽探测范围的需求，设计了一种对焦结构可见/近红外相机光学系统.系统采用准远心光学结构，由前固定组和后对焦组组成，前固定组属于一个无焦系统，后对焦组放于固定组后，当对远近目标成像时，移动对焦组可在像面上获得清晰成像，并且不同距离的目标对焦过程中，系统的焦距不发生改变.实验测得系统焦距为50 mm，F数为8，谱段范围为400~1 000 nm，能实现探测范围从0.8 m到无穷远目标的清晰成像; 成像质量高，光学传递函数接近衍射极限，畸变优于1%.对光学系统的公差进行了分析，表明该光学系统公差在现有加工水平下均能保证良好的成像性能，具有工程可实现性.研究表明该光学系统可应用于月球、火星、小行星等深空探测中着陆器的中等焦距的立体测绘相机.

对离轴三反测绘相机的像移模型进行了必要的修正以获得高的测绘精度。对两线阵离轴三反航天测绘相机进行建模, 推导了考虑地球曲率的斜视和后视相机的像移速度和偏流角计算公式。以交会角为25°的离轴三反航天测绘相机为例, 分析了斜视相机以正视为准调整行周期和偏流角, 以及兼顾正视、斜视相机调整偏流角时, 像移速度匹配残差和偏流角调整残差对图像质量的影响。分析结果表明, 以调制传递函数下降5%为约束,当积分级数大于5时, 应分别调整斜视和正视相机的行周期; 按正视相机调整斜视相机的偏流角时, 积分级数应取71以内; 若兼顾正视、斜视相机调整偏流角, 当积分级数为96时, 对正视、斜视相机的成像质量无本质影响。

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。

测绘相机几何标定在航空测绘中具有重要作用。具有测绘功能的相机在使用前 必须经过标定。分析了测绘相机几何标定的基本原理和方法，然后对精密测角算法、改进精 密测角算法、三维试验场标定法、张正友标定法、径向排列约束(Radial Alignment Constraint, RAC)标定法以及自标定方法进行了具体分析，并 给出了各种标定方法的精度对比及评价分析，从而为处于不同环境条件下的航空测绘相机的几何标定提供参考。