Numerical and experimental methods for the calibration of electronic instrumentation on BepiColombo Mission

The SIMBIO-SYS instrument suite of the BepiColombo ESA mission to Mercury is equipped with the Stereo Imaging Channel (STC) stereo telescope, based on an innovative and compact design, in which two independent optical channels oriented at ±20° with respect to Nadir collect light on a common detector. The stereo acquisition mode is based on the push frame concept, which has never been adopted on space missions before. To demonstrate and characterize the capability of the instrument to reconstruct a tridimensional surface with the desired accuracy by means of the stereo push-frame concept, an innovative experimental setup has been realized. The problem of working at an essentially infinite object distance over hundreds km baselines has been overcome by means of a simple collimator lens and two precision rotation stages, scaling down the stereo reconstruction problem in terms of baseline and accuracy requirements. The stereo validation has been performed by comparing the shape of a target object accurately measured by laser scanning, with the shape reconstructed by applying classical stereo algorithms to the acquired image pairs. The reconstruction of depth information from stereo images of an observed surface requires the characterization of the imaging system in terms of camera calibration process. The particular application required a preliminary analysis of the most suited camera model by verifying the calibration procedure performance. To this end, an innovative method has been developed for the simulation of the calibration data and for the evaluation of calibration algorithms. A preliminary test of the stereo validation procedure has been performed with an evaluation model of STC. The obtained results show the goodness of this innovative technique, that will be applied also for validating the stereo capabilities of STC flight model.

La suite di strumenti SIMBIO-SYS, a bordo della missione ESA BepiColombo per l’esplorazione del pianeta Mercurio, sarà equipaggiata con un canale per ricostruzione stereo denominato Stereo Imaging Channel (STC). Il telescopio è caratterizzato da un design compatto e innovativo in cui due sotto-canali, orientati a ±20°rispetto a Nadir, convogliano la luce catturata su di un unico sensore. L’acquisizione delle immagini avverrà in modalità push-frame, mai impiegata finora nell’ambito di missioni spaziali. La necessità di verificare e caratterizzare prima del lancio le capacità dello strumento di effettuare una ricostruzione tridimensionale della superficie del pianeta con l’accuratezza richiesta ha portato alla progettazione e allo sviluppo di un apparato e di un metodo sperimentale innovativo. La baseline dello strumento è stata riprodotta in scala in laboratorio introducendo alcuni semplici componenti, tra cui: una lente, che funge da collimatore, e due rotatori ad alta precisione. L’impiego di un collimatore, oltre a comportare una riduzione della distanza di osservazione da alcune centinaia di chilometri a circa un metro, implica un adeguamento dei requisiti in termini di risoluzione e accuratezza della ricostruzione. L’apparato opto-meccanico realizzato ha consentito l’acquisizione in laboratorio di immagini stereoscopiche di una superficie di prova: l’attività di validazione stereo si è svolta mettendo a confronto una mappa tridimensionale di riferimento dell’oggetto, prodotta da un laser scanner sufficientemente accurato, col modello ottenuto applicando tecniche di ricostruzione stereo a coppie di immagini del campione stesso. La ricostruzione di informazione circa la profondità della superficie osservata a partire da coppie stereo di immagini richiede che il sistema venga caratterizzato tramite una procedura di calibrazione. Vista la particolare applicazione, è stato sviluppato un metodo grazie al quale è stato possibile simulare i dati di calibrazione, con lo scopo di valutare l’efficacia e l’accuratezza di tecniche di calibrazione classiche applicate al particolare caso di studio. E’ stato effettuato un test preliminare applicando il setup e la procedura di validazione stereo a un modello funzionale di STC: i risultati ottenuti hanno dimostrato l’efficacia dell’apparato per la validazione stereo, che verrà applicato al modello di volo dello strumento.