航測飛機照相艙玻璃光學角偏差測量系統的設計與實現

鄒勇平, 曹宗偉， 杜沛遠

測繪信息技術總站， 陜西 西安， 710054

?

航測飛機照相艙玻璃光學角偏差測量系統的設計與實現

鄒勇平, 曹宗偉， 杜沛遠

測繪信息技術總站， 陜西 西安， 710054

航測飛機照相艙玻璃光學角偏差是對航測成果精度產生直接影響的重要參數指標。本文在相關測量技術研究的基礎上，結合光電測量技術的發展，設計研制了飛機照相艙玻璃光學角偏差測量系統；同時，利用該系統對某國產航測飛機照相艙玻璃進行了一系列實驗測量，為該型玻璃的國產化研制提供了計量保障。

飛機照相艙玻璃；光學角偏差；目標中心定位

1　引　言

近年來，筆者在航測作業中發現，某幾架航測飛機的作業成果經常出現航測精度不達標的情況。經過更換飛機、相機等方式排查后確認，是由于更換了未經檢測的航測機照相艙玻璃所致。氣密航測機照相艙玻璃由于耐壓與安全要求，一般由兩層光學平板玻璃通過粘接、拋光、鍍膜等工序復合而成。不僅單片玻璃的平整度存在差異，而且兩片玻璃之間的粘合層厚度也存在差異，因此會產生一定的楔度。地物反射光線透過照相艙玻璃時，由于玻璃的不平整和楔度，使像點偏離原有的成像位置，因此物方的位置關系在像方則得不到正確的映射，最終降低了航測成果的精度。

這個問題雖早有認識，但以前航測機均采用進口玻璃，雖未檢測，也沒出現明顯問題。隨著新的國產航測機的研制改裝，由于照相艙玻璃進口渠道不暢，只能國內研制；并且多鏡頭面陣拼接與線陣掃描數字相機已經取代了大口徑單鏡頭膠片相機，其子鏡頭往往與照相艙玻璃存在夾角，增加了玻璃對成果精度的負面影響；再加上航測成果精度的不斷提高，所以在玻璃研制過程中，不但要提出明確的指標要求(如：垂直入射光學角偏差小于10″)，而且要通過精確測量，嚴格控制玻璃質量。

在此之前，因為密閉艙航測機保有量小，且都使用進口玻璃，國內的測量精度停留在1′，所以其只能達到普通夾層玻璃而非航測作業玻璃的要求。為此，筆者在研究相關測量技術的基礎上，設計完成了飛機照相艙玻璃光學角偏差測量系統。該系統為國產某型航測機玻璃進行了多次測量，指導玻璃研制廠多次改進工藝，最終研制成功與進口玻璃同等水平的照相艙玻璃。

2　光學角偏差與垂直光學角偏差

2.1光學角偏差

光線透過照相艙玻璃折射時，受到玻璃楔度、內部勻質性和表面不平整度等因素的影響，偏離原來的光路而產生偏差。這種偏差包括光學角偏差σθ和光線橫向位移α[3](見圖1)。光線橫向位移沒有改變成像位置關系，不會影響航空遙感成果精度；而光學角偏差是透過照相艙玻璃后出射光線與入射光線產生的角度偏差，會造成成像位置關系的改變，進而影響到成果的精度，是我們研究的重點。

圖1　光學角偏差原理

圖1是光學角偏差原理圖，θ為照相艙玻璃具有的楔度角，光線自下而上以入射角φ進入照相艙玻璃，經折射(折射率為n)后出射角為φ2。光學角偏差σθ表征出射與入射光線的角度偏離。

(1)

此角度偏離對相機而言(焦距為f)造成的幾何位移δθ為：

(2)

2.2垂直光學角偏差

入射光線垂直于照相艙玻璃表面時，光學角

偏差稱為垂直光學角偏差。

垂直光學角偏差σ90為：σ90=φ2+θ-φ=(n-1)θ，

由此可以看出，垂直光學角偏差與楔度成正比例關系，而像點幾何位移還與航測相機的主距有關。理論上整塊玻璃的楔度角θ相同，可以通過垂直角偏差的測量而知，但實際上還存在玻璃表面不平整度和因復合膠粘帶來的內部勻質性差異。這樣造成了垂直光學角偏差的測量值為多種因素的綜合量。實際工作中，雖無需將其分離，但是要將整塊玻璃劃分多個區域多點測量，就可以表征玻璃的整體質量。

3　垂直光學角偏差的測量系統

傳統的光學角偏差測量方法主要有投影線法和準直望遠鏡法。投影線法采用帶網格板的幻燈投影儀和坐標紙屏幕，以放置玻璃前后投影線偏離的距離，測算光學角偏差，測量精度為角分級；準直望遠鏡法采用平行光管和望遠鏡，測量放置玻璃前后望遠鏡中心刻線偏離平行光管中心的角度，其測量精度雖可達角秒級，但要靠人工觀測，效率低，同時存在人眼對點、讀數的誤差，已不適應當前高精度測量的要求[4]。

3.1測量原理

針對傳統測量方法的不足，本文提出了一種利用數字相機完成自動測量的光學角偏差測量思路。該方法的原理與準直望遠鏡法類似(見圖2)，采用數字相機代替人眼觀測讀數，實現了標志圖像的自動采集與定位，提高了測量精度和工作效率，較好地解決了飛機照相艙玻璃的高精度計量測試的難題。

1-光源，2-聚光透鏡，3-目標板，4-平行光管物鏡，5-被測件，6-數字相機物鏡，7-數字相機靶面圖2　光學角偏差測量光路

如圖2所示，從平行光系統出射的平行光線入射照相艙玻璃，產生角偏差σ，折射后的光線經定焦鏡頭匯聚在數字量測相機焦平面的CCD上。根據成像原理得到如下關系式：

tanσ=d/f

(3)

式中， f為相機主距， d為光路中相同目標安置與

不安置照相艙玻璃時不同成像點之間的位移。

3.2系統組成與工作方法

照相艙玻璃垂直入射光學角偏差測量系統(見圖3)主要包括：氣浮隔振平臺、平行光管、數字相機及多功能支架、照相艙玻璃支架、計算機及系統測量軟件等。

圖3　光學角偏差測量系統工作示意

測量分為三步：首先，將平行光管(含星點板)作為目標發生器，發出的平行光成像于數字相機CCD靶面，通過亞像素細分算法計算星點像中心位置；其次，將照相艙玻璃放置于數字相機與平行光管之間，星點像發生偏移后再次計算出光斑像中心位置；最后，計算星點像的中心坐標差值，并根據式(3)解算光學角偏差。

以上是單點垂直入射光學角偏差的測量方法。為了表征整塊玻璃的質量，需要將照相艙玻璃劃分為若干區域，對每個區域分別測量，最后再根據具體需求，計算得到綜合表征值或分區表征值。

3.3誤差分析

星點像中心坐標定位是垂直光學角偏差測量系統的主要誤差來源。坐標定位誤差包括隨機誤差和系統誤差。系統誤差對安置玻璃前、后時的星點像定位影響保持不變，在計算安置玻璃前、后星點中心坐標差值時予以消除。隨機誤差的影響是隨機變化的，因此，星點像中心坐標定位隨機誤差需要重點考慮。

本文采用橢圓擬合算法確定星點像中心坐標。首先提取星點像邊緣上的點集坐標，然后采用最小二乘擬合方法求出橢圓的五個參數，最后根據該參數計算出橢圓的中心坐標，確定星點像中心坐標[5]。由于僅邊緣像素參與計算，因此橢圓擬合法通常需要星點像尺寸足夠大，這樣可降低對光學系統穩定性的要求。為了驗證星點像中心定位算法的精度及可靠性，文中進行了多次重復實驗。實驗結果見表1。

表1橢圓擬合法星點像中心坐標定位實驗結果

X坐標(像素)Y坐標(像素)12690.6289061780.42424322690.6735841780.407642……92690.6735841780.407642102690.7248541780.419849標準偏差0.020.017極差0.10.06

隨機誤差表征測量值的離散程度，可以用標準偏差和極差(極大值與極小值的差值)表示。由表1可知，星點像中心定位坐標x和y分量的標準偏差分別為0.02像素和0.017像素，極差分別為0.1像素和0.06像素[6]。從測量可靠性考慮，以極差表征星點像定位的精度，其值為0.1像素。

4　實驗與分析

某新型航測機照相艙玻璃國產化研制之初，生產廠家將國產玻璃初步樣品送至我單位進行測試，多點垂直光學角偏差算術平均值為77.1″，遠遠超出10″的要求。我們反饋了測試結果,該廠根據我們的測量結果和提議，采用分區域玻璃研磨和鍍膜等工藝。隨后對改進后的玻璃進行測試，將該玻璃按5行、5列均勻分成25個區域，對其每個區域中心進行多次測量，測量結果的算術平均數在相應區位列出，測試結果見圖4。

圖4　改進型玻璃分區測試結果(單位：″)

垂直光學角偏差最大值為24.4″，最小值為0.5″，平均值為10.9″，中心區域光學角偏差為8.1″，右上區域垂直光學角偏差明顯大于其它區域，雖然較初次產品有了較大的改進和提升，但一致性差還不能滿足要求。我們再將測試結果予以反饋，研制廠家又改進了整體研磨工序，第三次送至我單位測試，測試結果見圖5。

圖5　二次改進后的玻璃分區測試結果(單位：″)

垂直光學角偏差最大值為13.4″，最小值為1.0″，中心區域值為11.5″，平均值為7.6″，較第一次改進型玻璃又有較大提升，基本滿足新型航測機照相艙玻璃垂直光學角偏差10″精度的要求，證明了當前研制方法和工藝實施的可行性。

5　實驗驗證

為了進一步驗證該方法的精度，本文還采用航攝相機畸變測量儀標準裝置，對編號為15620120711Y8C610LSxxx的照相艙玻璃引起航測相機鏡頭參數的變化量進行測量。該方法考慮垂直和傾斜多種入射光線的綜合結果，以單一主點偏差或由此換算的角偏差表征整塊玻璃質量情況。方法為：在畸變測量儀光路系統中不放置玻璃和放置玻璃兩種情況下，對航攝相機鏡頭進行校準(結果見表4)， 再根據像主點變化量與鏡頭焦距，測得主光軸角度偏移量。

表4　采用航攝相機畸變測量儀標準裝置測量結果(單位μm)

這兩種方法各具優勢：相機畸變測量法具有貼近應用實況、單一數值表征簡單的優點；飛機照相艙玻璃光學角偏差測量系統由于可以對整塊玻璃分區測量，因此對指導玻璃二次加工優勢明顯。

6　結　論

綜上所述，基于數字相機的照相艙玻璃光學角偏差測量系統，將平行光管作為目標發生器，用面陣數字測量相機作為目標測量裝置，具有測量精度高、范圍廣、速度快、自動化程度高的優勢，可以滿足照相艙玻璃光學角偏差的測量要求。該系統已應用于國產某型航測飛機照相艙玻璃研制、定型和生產，有力支持企業提高產品質量，替代進口，實現相關玻璃的國產化研制，綜合效益明顯。

[1]國防科學技術工業委員會.GJB503-1988 飛機夾層玻璃通用試驗方法[S].北京，1988.

[2]蔣文松，張慶令，蔡俊良等．攝影窗玻璃表面幾何特性對航攝儀幾何參數的影響[C].北京：中國感光學會第四次全國感光科學大會論文集，1994．

[3]蔣文松，張慶令，蔡俊良等.航攝儀幾何參數與檢定條件[C].綜合學術討論會論文集，鄭州，1991.

[4] 陳潔，李新，李興泉等．飛機透明件光學角偏差測試方法探討[J].甘肅聯合大學學報,2010,24 (3):40-44.

[5] 劉偉，鄒勇平，李星全等．數字相機檢定中的標志圖像識別與定位[C].武漢：全國測繪儀器綜合學術年會論文集，2012．

[6]王中宇，劉智敏，夏新濤等.測量誤差與不確定度評定[M].北京：科學出版社，2008.

Design and Development of the Optical Angular Deviation Measurement System for Aerial Surveying Camera Port Glass

Zou Yongping, Cao Zongwei, Du Peiyuan

Technical Division of Surveying and Mapping, Xi’an 710054, China

The optical angular deviation of aircraft camera port glass is an important parameter which can affect the precision of aerial survey results directly. Based on the research of relative measurement technology, and combined with the development of photoelectric measurement technology, a measurement system for optical angular deviation of photographic survey aircraft camera port glass is designed. A series of experiments on a domestic aerial surveying camera port glass are conducted with the measurement system, which provides support for domestic development of this kind of glass.

aircraft camera port glass; optical angular deviation; target center positioning

2015-12-04。

鄒勇平(1972—)，高級工程師，主要從事航空遙感裝備測試與校準方面的研究。

P223

A