星载相机的像移补偿实现

针对搭载在太阳同步轨道卫星上的画幅式遥感相机在成像过程中的目标图像存在相对移动的情况,设计了一套机械像移补偿机构.通过在遥感相机成像过程中获取像移速度,在理论上构建了基于太阳同步轨道卫星遥感特点的像移参数计算模型.根据成像特点,该像移补偿机构采用伺服电机驱动滚珠丝杠的方式实现二维补偿操作.最后,对实际遥感情况进行了数据...     

低轨凝视卫星动态跟踪对成像的影响分析

为实现凝视卫星动态跟踪清晰成像,建立了卫星对地实时跟踪成像的数学模型,推导了卫星凝视跟踪成像时本体坐标系相对轨道坐标系的姿态角和角速度的变化,设计了物像位置与速度矢量映射算法,搭建了焦平面像点与地面景物点位置与速度变化的一一对应关系,结合蒙特卡洛方法统计分析了动态跟踪成像过程中卫星的姿态变化及姿态动态跟踪精度对成像的影响。最后,利用CMOS相机和小卫星姿态控制系统全物理仿真平台对凝视成像进行了仿真分析。结果表明:卫星凝视成像过程中,像面存在卫星姿态变化及姿态动态跟踪精度引起的像在探测元上的驻留时间小于探测器的积分时间,分析及仿真得出,为满足驻留时间大于或等于积分时间的要求,仿真平台动态跟踪精度优于0.002(°)/s时,可实现500 km凝视卫星2 m分辨率动态跟踪清晰成像。     

大视场空间相机侧摆成像时几何参数分析

为了提高大视场空间相机物距、投射角、地面像元分辨率、幅宽等几何参数的计算精度,研究了星下点成像与侧摆成像时上述几何参数的精确计算方法。在全面考虑地球曲率和投射角的基础上,建立了相应的几何模型,改进了大视场空间相机几何参数计算方法。根据仿真分析,对于轨道高度650 km、半视场40的空间相机,当侧摆20时,垂直线阵方向像元分辨率的最大值是最小值的2.31倍,是传统计算方法的1.78倍;平行线阵方向像元分辨率的最大值是最小值的7.16倍,是传统计算方法的4.29倍;幅宽是传统计算方法的1.33倍。因此,传统计算方法存在较大的误差,提出的精确计算方法对于提高大视场空间相机成像质量具有重要意义。     

线推扫式高光谱相机侧扫成像几何校正

线阵高光谱相机侧扫成像可以有效解决卫星遥感影像无法获取建筑物立面光谱数据等问题。阐述了课题组集成开发的线推扫式高光谱遥感监测系统组成部分及关键技术指标等;根据地面侧扫成像特点,详细推导了适合于线推扫式相机地面侧扫成像几何校正模型;给出了地理参考影像格网划分和重采样方法,并对数据采集过程可能出现的漏采现象提出解决方案。通过大量地面模拟实验,验证了线阵影像几何畸变校正算法的有效性及鲁棒性,为同类产品的地面应用提供参考。     

星载遥感相机像移分析

随着航天遥感技术的不断发展,遥感相机对地分辨率不断提高。在空间遥感成像过程中,由于成像载体与地面目标之间存在相对运动,导致目标图像在成像介质上产生像移,使遥感图像模糊不清,所以像移补偿成为提高成像质量和相机分辨率不可缺少的环节。通过建立计算遥感像移的数学模型,对各种因素产生的像移影响进行定量分析。结果表明:对星载遥感相机进行像移补偿时,可以忽略由于卫星姿态改变等随机因素产生的像移,而主要补偿因卫星沿轨道运动和地球自转造成的像移。最后,通过对实例的仿真验算,提出了一套针对星载遥感相机的机械式像移补偿方案。     

对地面某区域某时段连续覆盖的卫星轨道计算

为了对地面某一区域在未来某一时段连续覆盖,需要对在轨卫星变轨,并计算变轨后的卫星轨道参数。基于在轨卫星部分轨道参数(椭圆轨道a,i,e,圆轨道a,i)和t时刻星下点的位置坐标及卫星的地面高度,计算卫星的6个轨道参数,从而得到t时刻对星下点位置为中心的区域覆盖所需要的卫星轨道参数。利用t时刻卫星在J2000.0平天球坐标系3个坐标轴的位置与速度分量计算其卫星轨道参数。用STK卫星工具箱软件6.0高精确度轨道产生器仿真,输入所得的t时刻卫星轨道参数,运行STK 6.0得到的星下点位置与事先设置的星下点相距6.63 m,完全满足卫星对地面覆盖的需要。欲对该区域在t时刻以后的一段时间连续覆盖,所需要的卫星轨道参数可按共地面轨迹计算;通过STK 6.0高精确度轨道产生器对计算得到的卫星轨道参数进行仿真,验证了计算结果的正确性。     

离轴三反大视场空间相机像移速度场模型

大视场空间相机在轨成像期间,由于地球自转、卫星姿态机动和颤振等因素导致焦面像速场呈非线性各向异性分布。为此提出了一种新的基于刚体运动学的像移速度场建模方法,考虑离轴角参数,推导了离轴三反大视场空间相机的像速场解析式。以某大视场空间相机为例,分析了侧摆成像时同速与异速像移速度匹配模式对相机成像质量的影响。分析结果表明:以传函下降5%为约束,侧摆15成像时,当积分级数大于10级时应采用异速匹配模式,积分级数为32级时,异速匹配相比于同速匹配使焦面动态MTF从0.340 8提高到0.970 2。当积分级数确定为16级时,侧摆角在12.3以内时可采用同速匹配模式。在轨成像结果证明了像移速度场模型的准确性,可为大视场空间相机像移补偿提供可靠依据。     

超大幅宽低畸变成像系统设计与分析

针对光机扫描式超大幅宽对地观测面临的地面成像畸变导致的分辨率随扫描视场增大而急剧降低的问题,提出了一种变焦距摆扫配合可调狭缝光阑成像的方法,推导了其在超大幅宽成像过程中需满足的变焦扫描与光阑控制关系式.理论分析表明:当系统光轴倾斜角度和狭缝大小与瞬时焦距满足对应关系时,可有效消除地面成像畸变,解决边缘分辨率急剧降低的问题,实现大幅宽扫描成像过程中地面分辨率始终与星下点分辨率保持一致.此外,设计了一套变焦摆扫成像系统,分析证明了该方法具有较大可行性,这对未来超大幅宽、高分辨率对地成像观测具有重要指导意义.     

星载SAR脉冲重复频率和幅宽冗余设计的仿真与研究

介绍了星载SAR(合成孔径雷达)PRF(脉冲重复频率)的设计方法,分析了影响PRF的因素,针对轨道高度突变、PRF如何变化而满足对同一波位连续成像的情况下给出了仿真。讨论了在观测幅宽冗余设计的前提下,当卫星轨道高度或姿态发生变化时,星载SAR波位设计可能受到的影响程度,通过仿真表明,观测幅宽冗余设计一定时,要求卫星的高度和视角突变不能超过一定的范围。     

基于速度矢量模型的圆轨道空间相机偏流角实时补偿

偏流角是影响线阵CCD 相机推扫成像性能的重要因素。为实现在轨有限计算资源环境下偏流角的快速计算,根据圆轨道卫星飞行与地物随地球自转的速度矢量运动关系,建立了适用于圆轨道正视与前后视成像的偏流角模型,给出卫星飞行过程中星下点相对地物的运动速度矢量作角向振动的数学表达式。根据该模型提出基于旋转CCD 方式的偏流实时补偿方案,并搭建偏流校正成像模拟平台进行了实验验证。仿真和实验表明,速度矢量模型具有更高的计算效率,计算精度和稳定性与坐标变换模型和轨道要素模型一致,能够将偏流导致的图像MTF 下降抑制到5%。该方案适用于 TDICCD 相机与三线阵CCD 立体测绘相机的偏流实时调整机构开发工作。     

空间高光谱成像仪的光学设计

空间高光谱成像仪是现代空间遥感器的新型载荷,设计的空间高光谱成像仪光学系统由前置望远系统和光谱成像系统两部分组成,对前置望远系统和光谱成像系统分别设计,再进行组合优化。前置望远系统采用离轴三反结构,在增大幅宽、提高成像质量的同时减小高光谱成像仪光学系统的畸变。为了保证光学系统结构的紧凑,前置望远系统采用视场分离的方式设计,进一步提高了光学系统的分辨率。凸面光栅是现代光栅刻划技术的最新成果,光谱成像系统采用次镜为凸面光栅的Offner光栅光谱仪,实现了光谱成像系统的高分辨率与小型化。组合优化后的高光谱成像仪光学系统幅宽大、体积小、成像质量好、光谱分辨率高、光谱通道数多,全视场全谱段MTF在Nyquist频率下高于0.7,成像弥散圆80%的能量集中在15 m范围内,小于探测器18 m的像元尺寸,均高于系统技术指标要求。     

高分辨率大面阵微型相机设计

小型化相机是支持低成本微型飞行器或微小卫星对地观测等多项应用的关键设备,由此提出了一种高分辨率大面阵的小型化成像系统。首先预估了该成像系统用于目标观测的像元分辨率和幅宽。然后阐述了该系统的电子学方案,对其中的关键芯片OV14825的工作原理进行了介绍,并分析了基于FPGA的串行差分数据接收转发的软件设计。最后基于设计的相机样机开展了成像实验,在13m成像距离条件下获取图像分辨率优于0.5mm,而且图像细节丰富,层次分明,证明该方案切实可行。高分辨率大面阵微型相机具有很好的应用价值。     

航天TDI推扫式光学遥感器机动成像质量

从分辨率和辐亮度两个角度出发,对TDI推扫相机机动成像模式下的成像质量进行了分析。首先,提出了视轴追迹法分析计算TDI和线阵两个方向的分辨率,通过构建侧摆和星下点之间的坐标转换矩阵,得到不同机动角度下TDI和线阵方向的单位矢量,随后计算出这两个方向的单位矢量沿着视轴方向在地面的投影矢量,结合相机的参数和轨道高度、地球半径等计算出地面像元分辨率。同时根据卫星在地面的投影速率得到不同视场的积分时间,并分析以中心视场为积分时间基准下,边缘视场在不同TDI级数下的MTF退化情况。以某遥感型号为例进行了具体的分析计算,并根据MTF的退化情况对侧摆角度提出了要求,计算结果表明,边缘谱段在大侧摆下TDI级数为60时,MTF已下降为0,在轨使用时要慎重选用级数。然后,结合理论计算和在轨图像分析了了不同侧摆角度下大气对图像对比度的影响,通过分析表明侧摆会改变大气传输路径,从而影响目标的对比度,分析结果可以为后期的图像校正提供参考。     

基于笔形波束扫描雷达散射计的海洋表面流测量

为了研究利用雷达散射计进行海洋表面流直接测量的可行性,本文对传统雷达散射计系统参数进行了改进,推导了相关系数模型及去相关因素的表示形式,给出了相位误差模型,并建立了利用雷达散射计进行海洋表面流直接测量的端到端仿真模型.仿真结果表明,在风速大于5m/s的海况条件下,顺轨向和交轨向速度分量标准差可达0.1m/s以下.风速大于7m/s时,可用于海洋表面流反演的刈幅范围大于散射计刈幅宽度的40%.新型散射计的风单元传递误差无论是在低风速还是在高风速条件下均优于扇形波束扫描散射计的风单元传递误差.     

基于粒子滤波的空-地目标跟踪算法

针对空-地目标跟踪中目标大幅度变速运动而引 起的跟踪失败问题,基于Kristan等人提出的双步(TS)动态模型框架,对空-地目标跟 踪中目标运动特点进行分析与建模,改进TS模型中 的保守模型以适应加速运动,提出适于描述大幅度变速运动的加速度双步(TSA)动态模型作 为粒子滤波(PF)跟踪算法的动态模 型,实现对粒子状态的精确预测,进而达到使用较少粒子即可对目标鲁棒跟踪的目的。对空 -地目标跟踪的测试视频进行测 试,结果表明,本文算法可对大幅度变速运动目标稳定跟踪,正确跟踪率为92%,对目标 尺寸约为25pixel×30pixel时的处理帧率为29frame/s。本文算法具有较好的鲁棒性与实时性。     

基于同名点追踪的空间相机成像拼接配准模型

分析了已有图像配准算法在遥感图像拼接配准方面面临的问题。根据空间相机TDICCD交错拼接的成像特点,提出了一种基于同名点轨迹追踪的成像拼接配准模型。通过建立辅助空间坐标系下的中心投影共线方程,将像点、摄像中心、景物点建立严谨的数学关系,可精确实现对同名像点在像面上的轨迹追踪。结合TDICCD在像面上的位置约束,计算图像上同名像对的纵向偏差像元数和横向偏差像元数。最后结合相机在轨所成条带图像和卫星辅助数据进行分析,选取多组像点进行配准,同名像对配准误差小于1 pixel,经验证模型算法可行。相比传统的遥感图像配准算法,该方法不需要已知图像内容,为一种严格的几何意义上的配准,具有很强的适应性和预测性,已应用在型号相机的地面复算,易移植应用于其他类型空间相机的图像配准与拼接。