线激光辅助面阵CCD光学成像弹丸位置解算模型北大核心CSCD

针对典型光电测试系统光幕结构复杂、测量精度低的问题,本文提出一种线激光辅助面阵CCD光学成像方法测量弹丸的位置信息;通过分析弹丸穿过激光光幕在面阵CCD上的成像原理,给出弹丸成像所占面阵CCD像元位置信息与弹丸空间位置的关联函数,结合线阵列光电探测器接收弹丸过幕信号的编码点位置,构建弹丸空间位置解算模型;根据仿真分析,在1 m×1 m探测区域内x,y坐标最大误差均小于3.5 mm;通过与木板靶测试进行对比实验,验证了激光辅助面阵CCD光学成像测量弹丸位置信息的科学性和正确性。     

低照度宽幅航空相机系统设计

为了满足低照度环境下航空影像信息快速获取的需求,对一种低照度宽幅成像系统进行了研究。基于相机摆扫成像的工作模式,明确了采用大相对孔径低畸变的光学系统,配合真空制冷的低噪声高灵敏度CMOS探测器成像,并通过高速振镜进行扫描像移补偿的技术路线。详细阐述了相机机械构型的设计思路,总结了一套可工程应用的低照度成像能力计算方法。研究了振镜补偿像移的基本原理,并对相机主体框架进行了仿真分析计算。依据该设计和研究结果,完成了低照度宽幅航空相机的加工装配。该相机具有0.1 m （航高1 km）地面像元分辨率, 成像照度适应范围为10~100000 lx,并且在速高比≤0.04时,可实现3倍航高的大收容宽度。系统的成像质量优良,实测镜头在77 lp/mm时,中心视场传递函数大于0.45。实验室和外场飞行试验所获取的图像清晰,对比度和分辨率高,可以满足使用需求。同时,该相机实际包络尺寸为190 mm×140 mm×140 mm,质量仅为2800 g,具有轻小型的特点。     

轻小型空间遥感相机精密调焦机构设计与试验

空间遥感相机在发射过程中及其在轨运行时,由于大气压力、温度、力学环境等的变化,导致焦面离焦。为了满足成像质量要求,相机在空间投入使用之前必须对偏离的焦面进行校正。针对轻小型空间相机的使用特性及要求,设计了一套调焦范围3 mm的像面移动式调焦机构,质量仅为3.25 kg。利用蜗杆传动的自锁性,防止焦面组件在外力作用下发生窜动。选用微型精密级直线滚动导轨保证CMOS靶面的直线性精度。同时利用光电编码器（16位）实时反馈靶面的位置信息,以保证其定位精度。对调焦机构进行了理论分析、动力学分析及试验验证、精度测试及分析、焦面标定试验等。试验结果表明:调焦机构的一阶固有频率为182.7 Hz,可以有效地避免共振现象;CMOS靶面的直线性精度优于20,定位精度优于4.2 m,满足调焦精度要求;焦面标定试验验证了调焦机构设计的有效性,满足了空间遥感相机的成像质量要求。     

一种机载红外光谱相机的角位置误差补偿技术

机载红外多光谱扫描仪采用摆扫扫描成像机制,解决了红外光谱相机的光谱分辨率、高空间分辨率和大成像幅宽之间的矛盾,可实现下视和远距离侧视成像。为了实现采集图像无缝拼接的像元级对准,需保证红外光谱仪的角位置信息准确。本文针对机载扫描成像光谱仪的几何定位问题进行分析,指出角位置误差是影响相机几何定位的主要因素,进而采用一种角位置误差的长短周期双重补偿方法,对角位置误差进行补偿。地面测试结果表明,补偿后相机角位置精度提高10倍,且经环境试验验证,角位置误差仍保持稳定。由机载挂飞试验结果表明,后图像相对几何精度优于一个像元（10）,满足图像拼接的几何定位需求。     

一种基于LSTM的弹丸长时间落点预测修正方法

针对炮位侦察校射雷达在弹丸上升段长时间预测落点偏差大的问题，文中提出了一种基于长短时记忆(LSTM)网络的弹丸长时间落点预测模型修正算法。针对训练样本少的问题，采用知识驱动和数据驱动相结合的双驱动方法，结合传统无迹卡尔曼滤波预测作为先验知识，利用LSTM网络对射向和侧向偏差量进行学习拟合构建误差模型，并利用误差模型对外推弹道进行射向和侧向修正。仿真验证表明：采用少量训练样本就可显著提升弹丸长时间落点预测的精度，落点预测射向精度提升55%,落点预测侧向精度提升85%～91%。     

基于图像的模拟相机标定方法的研究

从光学测量角度出发,结合计算机主动视觉中的相机标定方法及数字图像处理技术,提出了一种CCD摄像系统畸变校正方法.该法通过使用经纬仪,不需相机做任何运动就能实现全过程的标定.该方法在摄像机模型中全面考虑了镜头的径向畸变,利用图像中心附近点畸变量较小的性质,用中心附近点和全场视点对摄像机内部参数和像差修正参数进行标定,最后由最小二乘法得到摄像系统畸变模型的畸变系数,解决了CCD摄像系统的畸变校正问题.与传统的相机标定不同,畸变校正中仅标定数字图像中像素间距和相机焦距.该法运用了亚像素细分算法,提高了测试系统的精度,是一种简单、有效、实用的标定法.     

空间多光谱CCD相机调焦精度分析

调焦精度是保证多光谱CCD相机成像质量的关键技术之一,针对星载对地观测多光谱CCD相机大视场角、宽地面覆盖的离轴三返光学系统结构特点,设计实现了一种高精度调焦系统。首先以CCD多光谱相机感应谱段中最短波长计算出相机调焦需求精度10.00 m,根据多光谱CCD相机的光学系统特点,对比常用的传统航天相机的三种调焦方式,选择CCD焦平面调焦方式;然后提出采用以步进电机为动力源驱动高精度涡轮蜗杆副、齿轮副做旋转运动,通过超精密级滚珠丝杠将旋转运动转换为直线运动,并结合直线导轨约束运动形式,以14位绝对式编码器为位置检元件组成高精度调焦系统,经计算,调焦系统的理论灵敏度为0.12 m,该调焦系统具有结构简单紧凑、调焦灵敏度高的优点;最后通过实验测试,在2.2 mm调焦行程内实际调焦精度3.62 m（3）,调焦系统随相机经过力学环境实验、热真空环境实验后的复测调焦精度为3.64 m（3）。测试结果表明:所设计的调焦系统设计合理,结构可靠,调焦精度稳定性高,满足多光谱CCD相机成像清晰对调焦精度的要求。     

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。     

长焦面空间相机调焦机构分析与验证

为了补偿空间相机由于地面定标环境和在轨工作环境不同及发射时振动冲击引起的焦面离焦,保证空间相机在轨成像质量,设计了焦面调焦机构。首先,针对尺寸超长焦面,采用增设调焦内框来增加焦面基板刚度,通过蜗轮蜗杆传动驱动丝杠运动实现机构自锁。其次,利用有限元分析软件patran/nastran建立了调焦机构的有限元模型,用mpc模拟导轨连接,对调焦机构进行模态分析。最后,对调焦机构进行了力学试验验证和精度测试。试验及测试结果表明:设计的调焦机构动态刚度高,一阶计算模态为228.7Hz,而试验得到一阶模态为223.9Hz,两者相差2%;调焦灵敏度达0.25m,调焦精度达到6.3m,焦面基板两端同步误差达到4m,满足航天相机对调焦机构高分辨率、高精度、高可靠性的要求。     

传输型CCD相机综合像质评价方法的研究

介绍了以CCD探测器为图像栽体的CCD相机整机系统的综合像质评价方法.通过成像理论建模,分别对光学系统、CCD器件及相机整机系统进行调制传递函数分析.利用CCD器件的"离散采样"特性不满足线性空间不变性的条件,确定调制传递函数的使用限制条件.给出了CCD相机整机系统的调制传递函数测试方案和测试条件,完成了实验室整系统"调制传递函数"的检测试验,并对检测结果进行分析与评价,实现了CCD相机整机系统的像质评价.     

一种基于平面标靶的线结构光视觉传感器标定方法

提出了一种适合于现场的线结构光视觉传感器标定 方法。建立了标定的数学模型,设计了一种平面点阵标靶,提出了坐标映射方法。根据结构 光条纹特征点的图像坐标和对应在标靶坐标系下的坐标,以及 相机内参,计算出标靶坐标系到摄像机坐标系的转移矩阵,再由转移矩阵得到特征点在摄像 机坐标系下的 坐标;在视场范围内,平面标靶按不同位姿摆放多次,获取投射在标靶上的所有特征点,对 这些特征点进 行平面拟合,得到结构光平面在摄像机坐标系下的方程。对标定的精度进行了验证,实验表 明,本文方法标定 过程简单,精度较高,适合于结构光传感器的现场标定。     

偏振成像仪用联轴器的设计与性能测试

联轴器是偏振成像仪转动部件的核心零件之一,在仪器中承担传递扭矩、保障转轮高精度运转的功能。仪器本身特性要求联轴器具有较小的变形反作用力、长寿命以及较高的传动精度。针对特性要求,首先设计了一款平行线切割式联轴器,并针对联轴器工作特性进行了相应的仿真分析;然后设计联轴器的相关性能验证实验,包括变形力测试、长寿命测试以及传动精度测试。测试结果显示; 在仪器装调误差范围内,联轴器变形力最大为10.75 N,满足仪器轴承固体润滑膜层使用要求; 40000次启停实验后传动能力无明显下降,且传动精度为4.684×10^-5,满足仪器寿命末期的力矩传递与运行精度要求,证明联轴器满足成像仪的寿命与性能要求。     

航天大视场遥感相机畸变测试方法

航天遥感相机的畸变作为相机的重要参数,其测试精度直接关系到相机获取图像后的图像处理精度。对于航天非测绘遥感相机,在设计之初往往对其光学系统的畸变设计要求没有测绘相机高,其光学系统的畸变一般会比较大,需要对此类遥感相机,特别是视场较大的遥感相机的畸变进行精确测试,为其在轨飞行检校提供比较精确的初始条件。文中在经典的精密测角方法的基础上,建立了针对大畸变航天遥感相机的数学模型,针对视场较大、弧形畸变较大的测试难点提出了合理可行的测试思路,完成了被测相机的高精度畸变测试,取得了理想的效果。实际测试结果表明:畸变测试精度优于1.8 m （1）,可以满足被测相机的高精度畸变测试需求,对航天非测绘大视场遥感相机畸变测试有参考借鉴意义。     

基于光电编码器的空间相机调焦控制系统设计

为了确保空间遥感相机的成像质量,设计了采用光电编码器的输出值作为线位移反馈量实现闭环控制的调焦控制系统.从保证航天航空设备安全性、可靠性、高精度、高抗干扰能力出发,介绍了反馈装置的选取原则,阐述了调焦控制系统的构成,给出了调焦控制系统的硬件及软件实现,并对调焦控制系统的精度进行了实验分析.本调焦控制系统在航天相机中的应用试验表明:应用光电编码器的角度量输出值作为反馈量形成闭环控制的调焦控制系统,减少了由于步进电机和机械传动结构本身造成的调焦误差,具有较高的调焦精度,满足总体设计的像平面位置控制精度为±2个光电编码器码值的要求.

Abstract：

In order to insure the imaging quality of space remote-sensing camera, put forward is the focusing control system which adopts the output value of photoelectric encoder as line displacement feedback to realize closed loop control. Based on the ensurence of safety, reliability, high precision and high resistance of the spaceborne equipments, selecting principles of feedback equipment are introduced; the composition of the focusing control system is expounded, and its hardware and software are presented, and the precision of this system is analyzed. This system has been applied in the some spaceborne camera, and the experiment shows that: as it decreases the focusing error caused by the step motor and mechanical transmission structure, this focusing control system owns a high focusing precision and satisfies the designed requirement that the control precision of image plane is 2 code value of photoelectric encoder.     

基于单目视觉和固定靶标的位姿测量系统

利用计算机视觉进行位姿测量的方法广泛应用于机器人系统、运动体控制系统和精密检测系统。研究和设计了一种基于固定靶标的单目视觉定位系统和方法,用最少硬件资源实现精密定位。首先,利用图像匹配的方法检测出平面靶标在图像中的坐标,图像匹配采用SIFT算法和映射匹配方法,之后利用固定靶标的特性求取中心点。实验利用多幅图像样本验证了图像匹配的准确性和鲁棒性。然后,针对呈矩形分布的PnP问题,提出了一种新的求解方法,以靶标控制点的图像坐标和空间坐标作为输入,得到了移动物体与摄像机的三维相对位姿。实验利用五维精密位移台移动目标物体并拍摄多副图像,结果表明位姿测量系统在800 mm范围内达到mm级精度,可以满足应用需求。     

异相差分滤波效应的航空相机图像检焦方法

针对航空相机焦面检测的问题,提出了一种基于异相差分滤波器的航空相机焦面检测方法。首先对空间滤波效应自动检焦原理进行介绍;其次使用异相差分检波算法设计异相差分滤波器消除空间滤波信号中的基频成分,增大信号信噪比与振幅,提高检焦精度,并对异相差分滤波器输出信号的频谱进行分析;最后设计成像实验,在5~53.2 mm/s之间根据典型速高比设置导轨移速,进行25次像面检测并选用传统图像检焦算子与差分滤波法的检焦效果进行比较。结果表明:差分滤波检焦法的场景适应性强、灵敏度高,且检焦系统最大误差为45.18 μm,小于光学系统的允许误差76.8 μm,满足工程需求。     

空间高分辨率光学系统几何畸变标定技术

遥感相机光学系统畸变系数作为影响相机在轨成像质量的关键因素,其检测精度一直以来都是遥感相机研制过程中的核心环节。传统的测角法主要依靠高精度二维转台,实现了光学系统视场角与像高之间的精准对应,该方法对测试设备和测试环境要求苛刻。随着相机焦距、口径和体积的增大,对于转台设备的尺寸与测量精度也日渐提升,单纯依靠提升测试设备性能无法满足后续各类高性能遥感相机的研制需求,尤其对于垂直装调类超大口径空间高分辨率光学系统,该方法不可行。在传统精密测角法的基础上,提出一种基于干涉原理的空间高分辨率光学系统几何畸变标定技术,相比于传统的精密测角法,该方法在同等测试精度的基础上,具备更广泛的适用性,其不再受限于测试设备的尺寸与精度限制,可同时满足各种类型遥感相机的畸变测试需求。文中详细介绍了该畸变测试方的基本原理、测试方法与误差链路,并对该畸变测试方法进行了应用验证,将结果与传统畸变测试方法进行对照,表明该方法的测试精度满足遥感相机的研制要求且适用范围更广,对航天长焦距大口径遥感相机研制及畸变测试有参考借鉴意义。     

图像配准在TDICCD拼接焦面精度检测中的应用

大视场遥感相机需要进行TDICCD拼接,对拼接焦面的精度要求非常苛刻,必须进行精确的精度检测以确保良好的成像质量。检测拼接焦面精度时,选取TDICCD封装中几何结构简单明显的标志图形作为模板,采用图像配准的方法进行标志图形定位,提出了最优步进两步模板匹配算法实现图像配准,得到各片TDICCD的拼接误差数据,所有配准过程耗时不超过350 ms。图像配准方法采用统一的客观模板检测多片小像元TDICCD的拼接焦面,检测结果表明该方法可将每一片TDICCD像元的位置定位精度提高30.6%。图像配准拼接精度检测避免了常规检测方法通过人眼观测读取数据所引入的主观误差,取得的检测结果更为精确,同时精度检测过程不需要人工干预,提高了拼接精度检测工作的效率。     

航空相机焦面信息检测技术研究

检测航空相机的焦面信息是保证航空相机拍摄出高质量图像的重要的前提条件.提出了一种焦面信息自动检测系统,叙述了系统的工作原理、组成和软件的设计.该系统采用光学准直系统产生焦面信息,利用CCD摄像头接收图像,采用最小二乘法的曲线拟合处理数据,从而使航空相机镜头焦距的测量精度达到0.1%,实际成像面位置的判断准确率达到100%.