книги из ГПНТБ / Кучко А.С. Аэрофотография. Основы и метрология

§14. Аэрофотоустановки

Аэ р о ф о т о у с т а н о в к о й (АФУ) называется часть аэрофото­ аппарата, предназначенная для крепления аэрофотокамеры на ле­ тательном аппарате, ориентирования аэрофотокамеры в простран­ стве в заданном положении и для ее виброизоляции.

Аэрофотоустановка при помощи основания 20 (см. рис. 14) кре­ пится к корпусу летательного аппарата обычно в трех или четырех точках. Так как основание аэрофотоустановки жестко связано с кор­ пусом летательного аппарата, то оно вместе с ним совершает коле­ бательные движения. Для изоляции аэрофотокамеры от влияния этих колебаний служат амортизаторы. Наличие установочных (подъемных) винтов 21 и 22 позволяет придать аэрофотокамере за­ данное положение.

В зависимости от углов наклона получаемых аэроснимков раз­ личают следующие основные типы аэрофотоустановок:

1)плановые с ручной стабилизацией, когда аэрофотокамера приводится в заданное, почти отвесное положение вручную при по­ мощи установочных винтов; при этом углы наклона аэроснимков не превышают 3°;

2)перспективные аэрофотоустановки, обеспечивающие отклоне­ ние оптической оси аэрофотокамеры от вертикали на любые углы, обычно в диапазоне 40—85°.

В зависимости от способа крепления аэрофотокамеры разли­ чают неподвижные и подвижные аэрофотоустановки.

аппарата. Неподвижные аэрофотоустановки создаются однокамер­ ные, двухкамерные и трехкамерные. Кроме того, для решения спе­ циальных задач, например многозонального фотографирования,

карданные и качающие. В карданных аэрофотоустановках аэрофо­ токамера крепится в кардановом подвесе, дающем возможность на­ клонять камеру вокруг осей х и у, причем имеется возможность разворачивать аэрофотокамеру вокруг оси 2 . Карданные аэрофото­ установки являются, как правило, плановыми и используются в то­ пографических аэрофотоаппаратах. Качающие аэрофотоустановки обеспечивают наклоны (качание) аэрофотокамеры на заданные углы. Качание аэрофотокамеры производится автоматически, как правило, в направлении, перпендикулярном линии полета летатель­ ного аппарата, чем обеспечивается большая полоса аэрофотографи­ рования при одном заходе летательного аппарата на мар­ шрут.

Качающие аэрофотоустановки могут давать два или три фикси­ рованных положения оптической оси аэрофотокамеры; соответст­ венно различают двухтактные или трехтактные аэрофотоустановки.

60

В ряде случаев для большего увеличения полосы фотографиро­ вания используют комплект из двух качающих аэрофотоустановок

Особое место занимают гиростабилизирующие аэрофотоуста­ новки, предназначенные для уменьшения углов наклона аэросним­ ков. Среднее значение углов наклона аэроснимков, полученных с использованием гиростабилизирующих аэрофотоустановок, не

преобразователей (потенциометры, вращающиеся трансформаторы) 2, силовые моторы 3 и блок коррекции 4. В этих установках исполь­ зуется свойство гироскопа сохранять в пространстве (относительно ми­ ровой системы координат) положе­ ние оси ротора. При воздействии на гироскоп внешнего момента, стремя­ щегося наклонить ось гироскопа, на­ пример на угол + а , возникает пре­ цессия гироскопа. При этом в блоке преобразователей возникает элект­ рический ток, напряжение которого

пропорционально углу прецессии, а следовательно, моменту внеш­ ней силы. Это напряжение питает силовые электромоторы, создаю­ щие момент, по величине равный моменту внешней силы, но проти­ воположного направления (—а). В результате положение оси ротора гироскопа относительно вертикали не изменяется. Неизмен­ ное положение оси ротора относительно отвесной линии обеспечива­ ется при помощи блока коррекции, чувствительным элементом (датчиком направления отвесной линии) которого является тот или иной тип маятника или уровня. В блоке коррекции вырабатываются электрические сигналы, позволяющие компенсировать видимый уход оси гироскопа, обусловленный суточным вращением Земли, переме­ щением летательного аппарата, разбалансировкой системы, трением в опорах, люфтами и другими причинами. В ряде гиростабилизи­ рующих установок блок коррекции имеет счетно-решающее устрой­ ство, автоматически компенсирующее влияние суточного вращения Земли и перемещения летательного аппарата.

В зависимости от вида соединения гироскопа с аэрофотокамерой различают два типа гиростабилизирующих аэрофотоустановок: си­ ловые, когда гироскоп и аэрофотокамера связаны при помощи про­ странственных рычагов, и индикаторные, где между гироскопом и аэрофотокамерой имеется электрическая связь как элемент следя­ щей системы.

К силовым гиростабилизирующим аэрофотоустановкам отно­ сятся разработанные в ЦНИИГАиК установки Н-55, ГСУ-М и др. [3, 76,91].

61

§15. Командный прибор аэрофотоаппарата

ифотоотсек

и контроля за работой основных узлов и механизмов аэрофотоап­ парата, а также для синхронизации их работы с дополнительными частями аэрофотосъемочного комплекта: статоскопом, радиовысото­ мером, радиотехнической станцией.

Командный прибор определяет тип аэрофотоаппарата в зависи­ мости от степени автоматизации. Автоматический аэрофотоаппарат работает автономно по заданной программе, без участия оператора. Полуавтоматический аэрофотоаппарат работает по заданной про­ грамме, в которой предусмотрено участие оператора. В этих аэро­ фотоаппаратах автоматически выполняются все процессы, состав­ ляющие цикл работы аэрофотоаппарата. Однако интервал между экспозициями, а также требуемая выдержка определяются операто­ ром и устанавливаются на командном приборе. Оператор ориенти­ рует аэрофотокамеру по маршруту.

в летательном аппарате. Различают три типа фотоотсеков: не имею­ щие герметизации; с частичной герметизацией, в которых сохраня­ ется постоянство температуры, а давление воздуха не регулируется; герметизированные, где температура и давление воздуха постоянны. Герметизированные фотоотсеки называются ф о т о к о н т е й н е ­ р а м и . Каждый фотоотсек имеет защитное стекло — фотолюк-ил­ люминатор 17 (см. рис. 14).

Г л а в а IV

ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА АЭРОФОТОАППАРАТА

И МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ КАЧЕСТВО ОПТИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

§ 16. Оптические характеристики аэрофотообъективов

Основными оптическими характеристиками объективов явля­ ются: фокусное расстояние, относительное отверстие и размеры поля зрения и поля изображения. Эти характеристики относятся также к габаритным, определяющим «оптические габариты» объектива.

62

причем знаменатель относительного отверстия п0 принято называть числом диафрагмы (диафрагмой).

отфокусированы на бесконечность, величина апертурного угла для центра поля зрения определяется формулой

(действующей) диафрагмой, которая больше других ограничивает диаметры осевого и наклонного пучков, пропускаемых объективом. Апертурная диафрагма располагается обычно между линзами объ­ ектива; практически 1/я0=С 1/0,6.

В аэрофотоаппаратах применяются как постоянные, так и пере­ менные диафрагмы; последние позволяют изменять поперечное сечение пучков, проходящих через объектив.

63

В аэрофотоаппаратах используются объективы с фокусными расстояниями от 36 мм до нескольких метров и с апертурными уг­ лами от 0,2 до 0,005.

Фокусное расстояние объектива и его относительное отверстие играют большую роль в практике аэрофотографирования; от них зависят качество получаемого изображения и другие характери­ стики аэрофотоаппаратов. От фокусного расстояния объектива за­ висит масштаб изображения.

Воспользовавшись формулой (72), введя масштаб изображения 1 : т как линейное увеличение, равное отношению размера изобра­

метная плоскость и плоскость изображения параллельны, действует формула (68).

Формула (72) показывает, что фокусное расстояние аэрофото­ объектива, применяемого в различных условиях, является величи­ ной переменной, так как относительный показатель преломления

пи радиусы кривизны линз зависят от длины волны светового по­

тока, строящего оптическое изображение, температуры и давления воздуха.

Вследствие непостоянства фокусного расстояния объектива эта величина описывается тремя понятиями:

1)номинальное, или расчетное, фокусное расстояние;

2)фактическое фокусное расстояние, соответствующее стан­

дартным температурным и барометрическим условиям (обычно t = = 20°С, Р= 101 325 Па) и заданной спектральной зоной; значение фактического фокусного расстояния отличается от расчетного не бо­ лее чем на 1,5%;

3) фактическое мгновенное фокусное расстояние, соответствую­ щее изменившимся температурным, барометрическим и спектраль­ ным условиям.

Последнее понятие фокусного расстояния объектива — наиболее типичное для аэрофотографии. При юстировке аэрофотоаппарата стремятся совместить плоскость прикладной рамки аэрофотокамеры Р с фокальной плоскостью Р', определяемой фактическим мгновен­ ным фокусным расстоянием. Невыполнение этого условия вызывает нерезкость изображения, величина которой, если исходить из гео­

64

Формула (79) получена после дифференцирования равенства (72) по входящим переменным. Для частного случая, когда Д/-1= Д г2 = = 0, напишем

(80)

пс/в 1

В л и я н и е д л и н ы в о л н ы на п о л о ж е н и е п л о с к о с т и и з о б р а ж е н и я Af'x зависит от величины хроматической аберра­

ции объективов, которая исправ­ ляется в процессе их ахроматизации. Положение изображений, об­ разованных лучами различных длин волн, определяется кривой вторичного спектра (кривой оста­ точной хроматической аберра­ ции). На рис. 32 приведены кри­ вые вторичного спектра объекти­ вов, ахроматизированных для ли­ ний С' и С (монохроматические аберрации для длин волн, соот­ ветствующих этим фраунгоферовым линиям, устранены).

Выбор двух лучей, подлежа­ щих ахроматизации, определяет­ ся назначением объектива. У фо­ тографических объективов такие лучи имеют длину волны, соот­ ветствующую линиям G' и С.

Мерой вторичного спектра служит «стрела прогиба» Д/' кривой

вторичного спектра (кривая 1). У современных фотографических объективов, ахроматизированных в области спектра от G' до С [18,

с. 157],

= 1200 -

Если, например, f = 200 мм, то Д/' =0,17 мм.

Объективы, у которых величина вторичного спектра существенно уменьшена (кривая 2), называются п о л у а п о х р о м а т а м и ; объективы с исправленным вторичным спектром называются а п о ­

хр о м а т а м и .

Вкачестве примера апохромата можно указать на разработан­ ный отечественной промышленностью фотографический объектив

66

спектр имеют аэрофотообъективы Ламегон PI и Супер-Ламегон PI Народного предприятия Карл Цейсс, Иена (ГДР), корригирован­ ные для панхроматической и ближней инфракрасной зон спектра.

Хорошей ахроматизации добиваются при помощи флюорита и фтористого лития.

Б а р о т е р м о о п т и ч е с к а я р а с ф о к у с и р о в к а Af' мо­ жет быть оценена по формуле (80), если считать, что Аяс/в харак­

теризует изменение относительного показателя преломления вслед­ ствие изменения давления и температуры воздуха. Приняв во вни­ мание формулу (37), напишем в принятых обозначениях прибли­ женное равенство для оценки баротермооптической расфокусировки аэрофотообъектива

Строгие формулы, определяющие баротермооптическую расфоку­ сировку оптических систем, приводятся в курсах оптики [18,

с. 276—279].

При оценке влияния температуры линз на величину фокусного расстояния объектива (термооптические аберрации) следует иметь в виду равномерное и неравномерное распределение температуры внутри линз (случай возникновения температурного градиента).

Для первого случая [73, с. 276]

где At —t— to— разность температур;

at — коэффициент расширения материала линзы;

Для частного случая применения наиболее употребительных сор­

Для того чтобы плоскость прикладной рамки совпадала с пло­ скостью изображения, положение которой изменилось на величину А /', материал корпуса аэрофотокамеры подбирают такой, чтобы

С

коэффициент расширения а г = 46-10-7. В этом случае фокусное рас­ стояние камеры как элемент внутреннего ориентирования изменя­ ется на величину Af= Af'

Температурный градиент возникает тогда, когда температура оправы линз (корпуса) и стекла неодинакова. Неравномерный

нагрев оптической детали приводит к изменению формы оптиче­ ской детали, что вызывает отклонение луча на некоторый угол, и появлению градиента показателя преломления в материале де­ тали, что вызывает искривление траектории луча и отклонение хода луча.

Изменение фокусного расстояния объектива вследствие темпера­ турного градиента, симметрично распределенного вокруг оптической оси, определится формулой, которая написана в тех же обозначе­

фотографировании объектов, расположенных на конечном расстоя­ нии L < оо. В этом случае плоскость прикладной рамки должна быть отодвинута от главной фокальной плоскости объектива на ве­ личину Af'L = S ' —

Расстояние S' от плоскости изображения до задней узловой точки объектива вычисляют по формуле (75). Расфокусировка по дальности Af' практически полностью устраняется фокусировкой

аэрофотоаппарата по фактическому удалению объектов фотографи­ рования.

Суммарное влияние рассмотренных факторов на фокусировку А/' определяется равенством

трудно видеть, что суммарная расфокусировка длиннофокусного аэрофотообъектива может оказаться весьма значительной. При окончательной оценке величины возможной расфокусировки, кроме величин, определяемых равенством (87), необходимо учитывать изменение плоскости резкого изображения, вызванное другими фак­ торами, которые рассмотрены в § 17, 21, 22.

Для компенсации температурной и барической расфокусировки длиннофокусных аэрофотообъективов применяются различные спо­ собы.

Для автоматической компенсации барических расфокусировок в некоторых аэрофотоаппаратах имеются специальные механизмы, являющиеся системой автоматического регулирования. Управление механизмом фокусировки осуществляется от датчика, чувствитель­ ным элементом которого являются анероидные коробки. Изменение упругих свойств анероидных коробок, возникающее вследствие из­ менения давления воздуха, преобразуются в электрические сигналы рассогласования, которые после усиления поступают в электродви­ гатель, обеспечивающий перемещение аэрофотообъектива (обычно

68

перемещается передняя линза) для совмещения фокальной плоско­ сти объектива с плоскостью прикладной рамки аэрофотокамеры.

Для автоматической компенсации влияния температуры на фо­ кусное расстояние в некоторых АФА корпус объектива связан ры­ чагами с корпусом камеры через инварную тягу, практически не из­ меняющую свою длину при изменении температуры. Поэтому отно­ сительное расстояние между объективом и плоскостью прикладной рамки остается неизменным.

При необходимости учесть изменение расстояния от АФА до объекта фотографирования в механизм дефокусировки вводят по­ правки. Влияние на фокусировку спектральной зоны фотографиро­ вания учитывается либо введением поправок в механизм дефокуси­ ровки, либо применением специальных корригирующих светофильт­ ров, либо используется оптическая система, специально рассчитан­ ная для фотографирования в заданной области спектра.

За последние годы разработаны так называемые нерасстраивающиеся аэрофотообъективы, например серийно выпускаемый те­ леобъектив «Ленинград» [18] и др. Нерасстраивающимся является такой объектив, у которого практически отсутствуют термооптиче­ ские аберрации. Причем выполнение этого условия достигается не выбором соответствующего материала и типа Конструкции опраз линз и корпуса объектива, при которых компенсируется рассчитан­ ное смещение изображения, что сопряжено с трудностями, а соот­ ветствующей коррекцией термооптической аберрации для задан­

ного интервала изменения температуры при оптическом расчете объектива.

Компенсация баротермооптических расфокусировок и расфоку­ сировки по дальности необходима для длиннофокусных аэрофото­ аппаратов.

Топографические короткофокусные аэрофотоаппараты имеют постоянную фокусировку, которая осуществляется с учетом исполь­ зуемого светофильтра. Для фокусировки аэрофотообъективов в аэрофотоаппаратах АФА-ТЭ применяется специальное приспособ­ ление, разработанное в ЦНИИГАиК [3].

При оценке влияния расфокусировки на качество изображения следует иметь в виду следующее.

Смещение плоскости изображения относительно главной фо­ кальной плоскости, осуществляемое для компенсации хроматиче­ ской, баротермооптнческой аберрации в соответствии с ожидае­ мыми условиями фотографирования, приведет к изменению фокус­ ного расстояния аэрофотокамеры как элемента внутреннего ориентирования, если последний определялся в других условиях. Величина этого изменения прямо пропорциональна фокусному рас­ стоянию и весьма существенна для длиннофокусных аэрофотоаппа­ ратов. Однако в ряде случаев, при обработке снимков на стереофотограмметрических приборах высокой точности, может возникнуть необходимость учета этих изменений при фокусном расстоянии объ­ ективов, равном 200 мм.

69