TDI CCD全景式航空相机的像移补偿误差分析

基于TDI CCD的航空相机通常工作于推扫方式,介绍了一种新型TDI CCD全景式航空相机.与相同CCD片数的推扫式相机相比,其优点是扩大了摄影视场,但同时带来摆扫方向上的像移.针对这一问题,提出了一种真角度像移补偿方法,并通过实验验证了真角度像移补偿的正确性.以型号为CT-F3的TDI CCD相机为例,对前向像移补偿误差进行了分析,提出系统的性能指标:TDI CCD积分时间精度应大于5‰,扫描反射镜补偿精度应大于1%.     

星载TDI CCD动态成像全物理仿真系统设计

基于高精度卫星姿态控制仿真三轴气浮台,研制了高精度卫星姿态控制仿真子系统,用于为地面TDI CCD动态成像仿真系统提供真实的仿真环境。根据TDI CCD实际成像原理,采用软件模拟替代实际线阵相机的TDI电荷转移迭加过程,研制了基于面阵CCD的星载TDI CCD动态成像仿真系统。利用该系统,实现了最高指向控制精度为0.1°,姿态稳定度为0.01(°)/s的卫星姿态控制仿真实验,模拟了积分时间为0.1 s的TDI CCD相机4~16级动态成像过程。研究了卫星姿态对TDI CCD相机拍照的影响,分析了实际航天高性能TDI CCD相机成像建模理论。像移速度匹配误差为0,姿态稳定度大于0.01(°)/s的实验显示了物理仿真与数学仿真结果与理论分析基本一致,不仅验证了该平台物理仿真方案的正确性,也初步验证了航天CCD成像建模理论的正确性。     

姿态对地指向不断变化成像时的像移速度计算

基于线阵时间延迟积分(TDI)CCD推扫成像原理,分析了敏捷卫星在三轴姿态机动过程中动态成像的像移问题。由于姿态对地指向不断改变会导致像面空间方位不断改变,从而造成像移速度的改变,本文通过坐标变换法推导出了动态成像方式下的像移速度数学解析表达式,仿真得到了不同姿态机动角速度情况下的TDICCD积分时间数量级。数值仿真分析表明:当前50μs级的航天相机在700km的轨道高度可以实现以0.5(°)/s角速度上限进行动态推扫成像;当姿态机动角速度大于0.5(°)/s时,曝光时间越来越短,需要设计更高水平的相机。以上结论表明,对于不同角速度的动态成像任务,需要量化TDICCD积分时间数量级,实现在三轴姿态机动过程中开启光学有效载荷来完成推扫成像的动态成像。     

TDICCD相机的实验与研究

目前,CCD已被广泛地应用于各个领域。这里,我们介绍一种特殊的线阵CCD相机,它应用时间延迟积分(TDI)技术,可在低光照情况下,获得高灵敏度、高输出速率、高空间分辨率和大的动态范围。为了应用TDI方式及验证它的效果,我们使用加拿大DALSA公司生产的CT-E12048×96TDI线阵CCD相机,设计制作了一套完整的系统,并做了捕获运动图像的实验。该系统包括:相机、相机控制器、图像捕获器、微机和转台。实验结果表明:当CCD相机的行转移速率和物体的运动速率不同步时,不能够获得清晰的图像。而当我们使用相移补偿技术,使两个速率相匹配后,得到了非常清晰的图像。     

TDI CCD电荷转移对遥感相机成像质量的影响

由于多相位TDI CCD行间电荷转移引起的像移无法通过光、机、电等方法消除,本文研究了电荷转移对遥感相机成像质量的影响.首先,介绍了推扫式遥感相机的工作原理与前向像移补偿方法.接着根据TDI CCD行间电荷的转移方式,利用脉冲传递函数建立了电荷转移速度模型,并对TDI CCD电荷转移速度与景物像点移动速度进行了比较分析...     

基于数字域TDI算法改进面阵CMOS图像传感器功能

为使面阵CMOS图像传感器具有TDI成像功能,研究了TDICCD的工作原理,提出了一种基于数字域的TDI算法,并讨论了如何利用FPGA实现该算法。该算法可在不改变CMOS器件构造的前提下,使其具有时间延迟积分功能。通过举例法推导出面阵CMOS图像传感器数字域TDI计算公式,并在此基础上优化了算法结构,优化后可以节省(m-1)(m-2)/2行内存空间。最后以航天相机为背景,讨论了地面像元分辨力、行转移时间与CMOS帧频的关系,通过一个算例计算出不同分辨力和积分级数条件下对CMOS帧频的要求。计算结果表明,帧频大于648frame/s的1280×1024CMOS,可以满足600km轨道高度下地面像元分辨力为1m的96级积分成像要求。     

椭圆轨道TDI CCD相机像移匹配计算与成像验证

针对椭圆轨道卫星地心距和前进速度时刻变化对航天时间延迟积分(TDI)CCD相机成像的影响,提出了一种矢量映射分析方法来计算椭圆轨道时变的像移速度矢量。通过建立不同的坐标系,将椭圆轨道卫星在轨运行速度和地物随地球自转的线速度映射至TDI CCD相机像面坐标系。以某临界回归椭圆轨道为例,计算了影响航天TDI CCD相机成像的像移速度矢量和数据读出频率。最后,利用小卫星姿态控制系统半物理仿真平台和TDI CCD原理样机对提出的像移速度矢量映射分析方法进行了实验验证。结果表明:临界回归椭圆轨道一个周期内,参数按照等比缩放原则配置时,对应的偏流角、像移速度矢量和靶标移动速度分别为-3.76~3.22(°)、0.1673~0.72mm/s和19.12~82.24pixel/s,获取的图像能够满足1~2peixl的目标分辨率。实验结果说明,用提出的方法计算像移速度矢量结果准确,可为椭圆轨道航天TDI CCD相机成像匹配提供可靠依据。     

外同步式时间延迟积分CCD传感器模拟装置

由于时间延迟积分(TDI) CCD传感器在调试阶段易损坏,本文提出了一种基于外同步信号驱动原理的TDI CCD传感器模拟装置.该模拟装置实际尺寸可以达到长100 mm,宽45 mm,与实际TDI CCD传感器的物理尺寸相当,可根据实际光照度大小精确地模拟TDI CCD传感器像元感光程度.该装置可以模拟TDI CCD传感器输入引脚的阻容特性并能合成完整的TDI CCD视频输出信号,实现TDI CCD传感器的16、32、48或64级积分级数控制的功能.该装置还可以模拟CCD驱动信号和输出视频信号的温度延时特性,延时时间在0.5～12.5 ns间可调,从而方便了信号采样电路对采样时刻的调试.     

空间相机地心距误差修正

为了修正时间延迟积分(TDI) CCD空间相机像移补偿计算中的地心距误差,减小其对像移速度相对误差的影响,推导出了星下点成像的像移速度计算模型.通过该模型分析了地心距误差对像移速度相对误差的影响.根据地心距误差的来源,分两步修正了地心距误差:采用WGS-84(World Geodetic System)模型修正地球的偏心率引起的地心距误差;采用地球海拔高度数据源(USGS DEM)制作电子高程图,修正了地球表面海拔高度不同引起的地心距误差.推导出了地心距误差修正后的空间相机星下点成像的像移速度模型.修正后模型计算以及分析结果表明:WGS-84模型和电子高程图对地心距误差的修正消除像移速度相对误差最大分别为2.85％和1.76％.地心距误差的修正极大地减小了前向(沿TDI CCD积分方向的)匹配误差,提高了TDI CCD空间相机成像质量.     

空间遥感相机TDI CCD积分级数和增益的优化设置

为了提高空间TDI CCD遥感相机的成像质量,研究了相机TDI CCD积分级数和增益的优化设置方法.分别讨论了信噪比(SNR)和调制传递函数(MTF)与积分级数的关系,指出增加积分级数能解决光能量不足问题并有效提高SNR,但同时会引起系统MTF下降;增加增益也可解决光能量不足问题,但不能改变系统的SNR和MTF,因此优...     

行间转移面阵CCD的TDI工作方式研究

本文对行间转移面阵CCD在和目标具有相对运动时的工作方式进行了研究,针对行间转移CCD存在的填充因子和量子效率低,在和目标具有相对运动条件下成像会曝光量不足,图像质量和信噪比低的问题,提出采用TDI工作方式来解决,并且进行了实现,获得了很好的效果。     

推扫型TDI CCD光学遥感器动态成像研究

针对基于推扫技术的TDI CCD空间光学遥感器动态成像试验,研制了一套检测系统。在系统中,设计了模拟卫星推扫的双支承U型结构精密转台。搭载遥感器,以角速度0.555°/s在±5°的范围内转动时,转台稳速控制精度达到0.3%。设计了一种奈奎斯特频率靶标,在每组矩形垂直靶条间加入公差为a/n的等差级数间隔靶条,解决了遥感器推扫时CCD像元与垂直靶条像匹配不确定性问题,使配准简化,提高了测量结果的准确性。试验结果表明:遥感器获得了垂 直、水平及45°方向的0视场,±0.86视场奈奎斯特频率靶条像,验证了采用推扫技术的TDI CCD遥感器所具有的高品质。     

Design and implementation of high speed TDI CCD timing-driven circuits

The time delay integration charge coupled device (TDI CCD) is the key component in remote sensing systems.The paper analyzes thc structure and the working principles of the device according to a custom...     

空间光学遥感器的多光谱TDI CCD信号检测及仿真

为了实现采用高性能多光谱TDI CCD 对空间光学遥感系统的合理设计及应用,提出了对CCD控制信号的高速并行实时检测方法和视频图像连续输出的仿真设计方案。利用CCD行读出及转移的200µs周期,对48路控制CCD驱动信号和31路直流偏置信号进行并行实时逻辑分析及检测。同时,把预制的CCD模拟图像,从磁盘阵列经PCI-X及LVDS总线高速传输到由FPGA、D/A、放大和滤波电路组成的视频图像生成系统,实现可连续、实时输出各种模拟测试图像。实验结果表明,可同时输出3路6MHz频率的彩色图像和8路12MHz频率的全色图像象素信号波形。象素信号基准电压8V;振荡幅值0～1.7V。有效采样时间和信号稳定度均满足成像电路的仿真测试要求。     

高信噪比星载CCD成像电路系统

为获得高信噪比的航天遥感图像,针对CCD成像系统链路分析了影响图像信噪比的主要因素。结合CCD成像系统的响应模型,明确了系统信噪比的表达式,并摆脱了具体CCD型号的束缚,提出了一种"总-分-总"的高信噪比成像电路系统通用设计方法。描述了系统从顶层总体设计、底层各电路模块设计以及全系统联试的完整研制方法。将该方法应用于吉林一号卫星高分辨率多光谱CCD成像电路系统的设计中,并对成像系统进行了辐射定标试验,获得了高信噪比的图像数据。结果显示:在灰度为80%饱和输出时,获得的全色图像信噪比达到了53.9dB,多光谱图像的最高信噪比达到了56.3dB,且图像数据经融合后色彩真实、绚丽。本文的CCD成像电路系统设计方法能够为其他航天遥感载荷的电路系统设计提供参考。     

CCD图像灰度与照度的转换标定方法

本文提出了一种基于CCD摄像机利用图像灰度获得实际照度的新方法,该方法适用于摄像机的任意曝光和增益参数,且考虑了摄像机安装位置和角度对测量的影响。CCD摄像机照度测量法的实际应用主要涉及两个过程:一是标定过程,即应用CCD摄像机进行照度测量前,标定CCD图像灰度与照度之间的转换参数和转换模型;二是照度测量过程,即通过CCD摄像机拍摄图像,将图像灰度代入已定的转换模型,获得测量对象的照度值。其中,灰度与照度转换模型的标定是利用CCD摄像机实现照度测量的基础和关键,文中主要讨论了该模型的推导过程以及标定方法。具体为:首先通过理论推导获得图像灰度与CCD传感器感应的相对辐照度的关系,然后借助以均匀光源搭建的实验系统标定CCD传感器相对辐照度与物面实际照度之间的关系,进而获得图像灰度与物面实际照度的转换关系。在转换过程中讨论了曝光时间、增益以及CCD相机与照度测量点之间的距离和角度对转换模型的影响,为CCD摄像机照度测量法的实际应用奠定了基础。实验结果表明本测量及标定方法适用于摄像机任意曝光和增益条件,经过本方法标定后,应用CCD摄像机进行照度测量,测量结果的相对误差在4.5%以内。