小型面阵航空相机系统的像移补偿

设计了一种小型面阵航空相机系统.该系统采用大面阵CMOS图像传感器作为成像器件,通过反射镜扫描进行像移补偿的方法,实现无人机飞行状态时清晰地数字成像.实验室前向像移补偿实验结果表明,该系统对于前向像移进行了较好的补偿,达到指标要求,成像清晰.     

像移补偿技术综述

航相机照相时不可避免的会产生像移,像移补偿是提高成像质量和相机分辨力必不可少的环节。首先通过分析像移的产生原因及对图像造成的影响阐述了像移补偿的必要性,然后介绍了目前国内外较多采用的像移补偿法原理及其应用范围,最后给出了一个应用多种像移补偿法相机的实例及像移补偿技术的发展趋势。     

弹载星敏感器像移模型及其仿真分析

星敏感器像移模型是星图运动补偿算法的关键技术,也是动态星模拟算法中的重要组成,它为高分辨率星敏感器的全链路运动模糊的建模仿真提供支撑。首先,借助正态分布的静态星像能量模型,引入星像移速度,得到匀速运动星像的能量分布函数。其次,为了获取星像移速度,研究了两种解算方法：（1） 基于坐标系转换的星像移模型;（2） 基于星光矢量旋转的像移几何模型。最后,建立仿真环境,通过调整积分时间、三个姿态角变化率、发射时间、地点、观星时弹体姿态角等输入参数,可以获取弹载星敏感器在轨运动时观测星像的重要仿真数据：如导航星信息,像移大小、方向,灰度分布,信噪比等。这对星图运动补偿算法的研究和评价都显得十分必要。     

陀螺去噪算法对航空相机像移补偿系统的影响

以某航空相机为研究对象,首先给出了像移与图像分辨率之间的关系,接着对TDI航空相机像移补偿系统工作原理进行了阐述,并以QRS14,ADIS16251陀螺为例分析了噪声对像移补偿系统的影响,然后分别阐迷了模拟滤波方法、经典的数字无限冲击响应与有限冲击响应滤波法以及小波去噪算法对陀螺相位的影响,给出了模拟滤波器零极点,数字器阶数与相位延迟之间的关系式,最后分析比较了各种滤波算法的优劣与使用条件.结果表明:正确选择陀螺滤波算法对航空相机像移补偿精度与系统稳定性具有重要影响.     

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。     

航空相机的像面旋转特性分析

航空相机利用45°反射镜绕光轴旋转对地物的扫描进行多航迹成像,45°反射镜绕光轴旋转时,物体反射像也将绕光轴进行旋转,造成像面信息无法配准,为此必须采取适当的措施来消除像旋转,保证相机成像质量。从产生像方旋转的原因出发,基于光学反射成像理论,通过实例分析,归纳总结出扫描反射镜、光学成像物镜、折返镜对航空相机像面旋转特性的作用和影响,给出判断像旋转方向的一般方法,并以此为补偿像方旋转的理论依据,提出了一种新型的补偿方法。通过地面试验,获得了完全消除像旋转的图像信息,结果表明：该方法的同步旋转误差造成的最大像移量小于1／3像元,能够获得良好的图像效果而没有模糊,验证了像方旋转理论的正确性,及其补偿方法的可行性和实用性。     

用于航空遥感的二维像移补偿镜的设计

在航空遥感中,由于振动、飞行器的运动及相机摆动等原因,相机在曝光时,被摄物影像与CCD之间存在着相对运动,带来了成像模糊及拖尾效应,此即像移.其存在对图像质量及精度都有很大影响,因此,怎样减少像移就成为提高遥感设备性能的重要手段。本文介绍了压电式二维像移补偿镜的工作原理,详细描述了其结构的设计以及功能的实现.设计了PZT压电陶瓷驱动补偿镜的柔性铰链平台,实现了补偿镜对CCD成像像移的二维补偿,并对像移补偿镜模型进行了性能分析,通过实验验证了像移补偿镜的性能.     

面阵CCD航测相机像移补偿技术研究

航空相机在拍照瞬间由于飞机的飞行运动和姿态变化而产生像移,要提高照相分辨率必须通过像移补偿来实现。采用在相机与飞机间增设三轴稳定平台的机械式像移补偿法来补偿姿态像移和前向像移,三轴稳定平台的三轴按照与飞机姿态变化角速率相等、方向相反进行旋转补偿姿态像移,三轴稳定平台的俯仰轴以飞行方向反方向、角速率等于速高比旋转补偿前向像移,并采用坐标变换法计算像移补偿后的残差,通过分析面阵CCD相机像面各点在进行像移补偿后的像移残差均小于1/3像元,符合成像要求。     

航空相机扫描像移片上补偿技术

查打一体化是当前航空相机的一个主要发展方向,其中一项关键技术为扫描像移的动态、高精度补偿.基于面阵探测器的时间延迟积分(TDI)扫描像移补偿方式相比于光机式的像移补偿方式具有天然的优势,然而当前的面阵探测器TDI像移补偿精度是像素级的,进一步提高查打一体化相机分辨率遇到了瓶颈.针对于此本文首先介绍了查打一体化航空相机工作原理,然后针对帧转移CCD的特性建立了电荷行间转移的数学模型与电荷转移像移的调制传递函数模型,在此基础上提出了一种查打一体化航空相机扫描像移的片上补偿方法,采用该方法可将西相位面阵TDI CCD的像移补偿精度提高至1/2φ像元.最后搭建了实验平台并给出了二、三、四相位面阵TDI CCD电荷转移像移对遥感图像质量的影响,同时也证明了提出的方法能够显著提高图像质量.     

面阵CCD航测相机前向像移补偿技术研究

航空相机在拍照瞬间由于飞机的飞行运动和姿态变化而产生像移,要提高照相分辨率必须进行像移补偿。文章介绍了两种面阵CCD航测相机前向像移补方法,即旋转俯仰轴补偿法和面阵CCD TDI功能补偿法,计算了两种方法的像移残差及误差精度,给出了旋转俯仰轴方法的适用范围,对比了两种方法的优劣,通过实验室拍摄验证了方法的有效性。     

一种基于CCD多电极结构的电子像移补偿方法

利用CCD光注入方程对基于时间延迟积分(TDI)方式的传统CCD电子像移补偿方法进行了分析,得出该方法中曝光期间电荷包以行为步长进行转移所造成的非连续性使补偿图像达不到图像清晰度要求的结论.提出了一种利用CCD自身多电极结构进行电子像移补偿的方法,通过修改CCD驱动时序使曝光期间电荷包以CCD电极宽度为步长进行移动,使电荷包移动的非连续性达到最小值,从而最大限度地减小电荷包移动和像移之间的非同步效应,使补偿图像的清晰度显著提高.仿真和实拍结果表明该方法能对前向像移进行很好的补偿.     

国外传输型航空相机的发展现状与展望

航空相机是获取地面信息的重要技术手段之一,传输型航空相机是目前国外航空相机发展的主流。本文从传输型航空相机实际应用的角度出发,分析了目前国外的线阵、面阵、红外与双波段航空相机的发展现状与技术特点,并对国外航空相机的发展趋势进行了总结与展望。     

面阵航空相机的图像稳定技术研究

航空相机是对地勘查测量获取信息的重要设备,通常采用前向飞行结合翼展方向摆扫的方式来扩大航空相机视场。着眼于扩大视场带来的运动像移问题,进一步严格推导了飞行和翼展两个方向的像移补偿公式,提出了实用性较强的像移补偿方案。基于MATLAB/Simulink环境对像移补偿系统数学建模进行仿真验证,仿真结果证明了该补偿方案的可实现性。在硬件实验中采用FPGA芯片作为核心芯片,实现了设计方案中像移补偿的功能。实验和仿真结果曲线实现了较好的吻合,像移补偿效果图进一步证明了像移补偿是提高航空成像质量和分辨率必不可少的环节。     

新型空间相机偏流角调整方法

针对目前国内光学成像侦察卫星成像模式单一、对曲线条带状目标侦察效率低下的现状,开展了以相机实时像移补偿技术为基础的一种新型空间相机偏流角调整方法的研究。介绍了新型空间相机偏流角调整方法的原理,并设计了一种可使空间相机实现实时像移补偿的偏流调整机构。区别于传统的TDI-CCD拼接后整体旋转调偏流方式,该机构实现了TDI-CCD分片旋转调偏流,以达到空间相机实时像移补偿的目的。最后,进行了偏流机构传动精度分析与测试,分析与测试结果均表明:所设计的偏流调整机构传动精度高,结构系统响应速度快,可满足相机敏捷成像侦查任务。     

姿态变化对航空推扫式成像的影响分析

航空推扫成像时,由载机的姿态变化产生的像移是影响光学成像质量的主要因素之一,可由稳定平台进行补偿。基于某机载成像光谱仪系统,首先利用齐次坐标变换法建立像移速度矢量的精确计算模型,分析了成像质量对飞行姿态精度的要求,从而选定稳定平台参数。接着,分析了姿态补偿残差对成像质量的影响,得出引起的相对像移速度偏差仅为10-1,为后续光谱定标和几何校正提供了参考。再次,研究了给定成像要求的飞行参数指标的分配问题,进行了像移速度误差分析。最后,开展了飞行成像试验。结果表明所选的PAV30稳定平台能够确保成像期间的姿态稳定,验证了上述分析正确合理。所提出的方法简单,易于实现,具有一定的工程应用价值。     

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。     

偏流角对空间相机影响研究

研究了卫星运行中偏流角对TDICCD相机像质的影响.根据卫星运动状态,推导了偏流角的具体变化形式,以及由其在穿航方向和沿航方向引起的相机像移和由此造成的像质退化调制传递函数(MTF).并针对高度为500km的圆形卫星轨道,定量计算了偏流角导致的像移对相机像质的影响程度.结果表明:偏流角在赤道附近最大,随着纬度的升高,偏流角呈非线性减小.并且,由它引起的像移在穿航方向对相机像质的影响远大于沿航方向.对于给定的轨道参数,偏流角最大值约为3.7°,当积分级数为32时,由其引起的像移调制传递函数接近于零,严重影响了相机的成像质量.为此,提出了使用二维摆镜和调整焦平面方向两种实时补偿偏流角影响的方法.     

一种斜视画幅遥感相机异速像移计算与补偿实现

以一种斜视胶片步进画幅相机为例,介绍了一种基于该相机的像移补偿策略及具体实现过程。画幅相机由于横向视场较大,使得每幅横向各个视场目标对应物距各异,最终导致目标像相对探测器产生了异速像移。对产生异速像移实质给出了数学推导,对偏流机构存在的必要性进行了分析,提出了一种利用两轴旋转扫描镜,同时结合旋转偏流机构和曝光帘缝的像移补偿方案。最后,在已知相机俯角和视场角等信息情况下,推导出了具体的像移补偿公式。     

增加航空摄影地面收容宽度方法研究

在实施大面积航空摄影时,常需要单航线飞行获取较大的地面收容宽度以提高效率,但单台航空相机的地面收容宽度是有限的。基于某项目的研制,为实现单航线摄影地面收容宽度不小于5.2 H(H为摄影高度)的指标,提出了采用多台短焦距相机组合使用的方式增加单航线摄影地面收容宽度。论述了采用双并列、三并列、四并列实现地面收容宽度指标的计算方法,通过计算前向像移速度差选择最优方案。该方法已在自然灾害监视及灾后重建普查方面得到广泛应用,文中论述的方法对推扫式航空相机、短焦距面阵CCD及胶片相机都是适用的。