影响TDICCD相机成像质量的因素分析

在高分辨率TDICCD相机的成像过程中,偏流角和速高比的变化都会影响相机的成像质量。根据卫星的运动状态,分别推导了偏流角和速高比的表达式,并分析了由其引起的附加像移。结合实际的卫星轨道参数,详细计算了偏流角和速高比随纬度的变换规律以及它们在不同积分级数下引起的像移对相机像质的影响程度,给出了像移调制传递函数大于0.95时允许的最大偏流角和相机侧摆角度。结果表明,随着积分级数的增加,由偏流角和侧摆引起的像移对相机像质的影响越来越大,当积分级数N=32、MTF_(像移)>0.95时,允许的最大偏流角和侧摆角度分别为0.62°和29.5°.     

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。     

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。     

遥感TDICCD相机侧摆成像及定位精度优化

为了满足空间遥感TDICCD相机侧摆成像时对图像定位精度的要求,提出了一种侧摆成像时图像定位精度优化方法。首先,根据遥感TDICCD相机的工作原理计算了星下点成像和侧摆成像2种模式下的行周期值。然后,在分析了侧摆成像会导致一段时间内出现定位误差太大的原因的基础上,介绍了利用记录3种信息:行周期信号上升沿时刻、行同步信号上升沿时刻和二者之间时间差来对图像进行定位的方法。最后,计算了提出方案的定位误差。实验结果表明,在一次成像过程中,产生的定位误差小于地面像元分辨率大小,能满足系统对于图像定位精度的要求。     

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.     

基于地球椭球的离轴式双线阵相机像移补偿

离轴反射式双线阵立体测绘相机的视轴和光轴分离,由于地球为椭球体,视轴和光轴对应的地物点的距离随星下点与升交点的地心角而变化。而成像传感器与光轴垂直,对视轴对应的地物点成像,这些因素导致离轴反射式双线阵立体测绘相机的像移速度和偏流角随离轴角等变化。在对离轴反射式空间相机的成像原理进行分析的基础上建立其等效简化模型,推导了基于地球椭球的离轴反射式双线阵立体测绘相机的像移速度和偏流角计算公式。并以某离轴反射式双线阵立体测绘相机为例,对正视相机和后视相机统一调整行周期与偏流角对成像质量的影响进行分析。分析结果表明,以调制传递函数下降不超过5%为约束,当积分级数大于4 时应分别调整正视相机和后视相机的行周期。统一调整偏流角时应以正视相机和后视相机偏流角的均值为准,积分级数应取89 以内。     

面向卫星动中成像模式的地面实验系统

动中成像模式可实现卫星在大角度快速机动过程中成像,满足遥感观测多样化、定制化、精细化需求。分析了动中成像地面实验系统的基本原理,并在实验室搭建了一套面向动中成像模式的地面实验验证系统。该系统采用高精度、高稳定的动态气浮靶标和基于外触发信号的相机积分时间调整方法。研究了成像质量和光强的关系以及成像质量和相机探测器积分级数、卫星机动角速度的关系,开展了自定义运动曲线的动中成像实验。结果表明,在相机探测器线性区内,不同机动角速度与探测器积分级数获取的图像动态调制传递函数(MTF)值的范围为0.0918~0.1054,满足工程应用(0.1附近)的要求,且MTF值与机动角速度、探测器级数无关。动中成像实验中系统运行稳定,动态MTF值在0.1015±0.0098之间。     

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。     

多通道TDICCD卫星遥感相机图像噪声分析与处理

为了解决多路时间延迟积分电荷耦合器件(TDICCD)拼接遥感相机成像的噪声问题,提高载荷焦面电箱的成像信噪比和成像质量,通过分析噪声现象,发现多路TDICCD成像噪声的主要原因有两个:一是多通道TDICCD未能实现同时刻开启成像,使得成像电路电源出现高频纹波噪声且多通道噪声相混叠,这样对各通道CCD模拟信号造成干扰;二是电路中的DC-DC电源开关噪声扰动影响了CCD有效视频信号的采集。从工程研制实际出发,采取CCD通道之间共用统一的系统时钟,相同系统复位等措施对多TDICCD成像电路系统进行改进,抑制通道间成像串扰的发生,通过对主要干扰源DC-DC电源进行滤波处理与TDICCD端多点接地等方式,抑制电源噪声对TDICCD成像的干扰。对改进后的多通道TDICCD成像电路系统进行成像和信噪比测试。实验结果表明,采取的措施有效地去除了TDICCD成像噪声,相机信噪比提高了2 dB,且外场成像质量高,可满足实际工程的需求。     

大视场TDICCD空间相机全通道高可靠快视系统

提出了一种适于大视场时间延迟积分电荷耦合器件 (TDICCD)空间相机的全通道高可靠快视系统。首先,建立TDICCD图像滚屏显示模型,能够有 效模拟TDICCD相机线阵输出的推扫过程,进而提出基于硬件的行频 自适应实时滚屏显示方法;然 后,针对高速图像数据缓存不可靠问题,提出易于硬件实现的(16,6)纠错编码算法; 最后,在某空间相机原理样机上进行了测试。结果表明,本系统的行频自适应范围为 0.52～7.68kHz,可对数据率 高达13.02Gbit/s的80通道12bit量化图像进 行实时滚屏拼接显示与缩略显示,图像细节表现能力强;加入(16,6)纠错编码算 法的SRAM缓存在1024Byte内可纠正82bit错误,提高了图像缓存的可靠性。系统工作稳定,可移植性强,已成 功应用于大视 场TDICCD空间相机的研制与检测中。     

太阳同步椭圆轨道偏流角分布规律与像质分析

提出一种根据轨道根数与TDICCD 成像原理模拟遥感器推扫成像过程,实现偏流角计算,并基于最终仿真图像的PSF 分布评价图像质量的方法,以截止频率MTF 为评价标准,研究太阳同步椭圆轨道的偏流角分布规律。结果表明:与常规圆轨道相比,近地点幅角为0的椭圆轨道在近地点一侧偏流角与轨道半长轴成线性关系,与轨道离心率成三次函数关系。使用KH-12 卫星采用的椭圆轨道参数进行成像仿真,以穿航MTF 下降5%为约束对成像质量进行分析,结果表明:相同推扫级次下,椭圆轨道近地点一侧的偏流角更小,成像质量更高。     

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。     

调制传递函数在遥感图像复原中的应用

针对空间推扫型全色TDICCD 相机在获取、传输和存储图像的过程中引入模糊和噪声导致图像质量下降的问题,提出了一种基于调制传递函数（MTF）的。感图像复原方法。文中的复原方法是通过图像的MTF 恢复出点扩展函数（PSF）,并将其作为退化函数进行图像复原。通过在MTF 提取前对局部图像用同态滤波算法进行增强处理,加强MTF 提取的抗噪声能力,并使用二次复原的方法避免直接加入增强滤波器导致的MTF 误差。使用均值、对比度及边缘强度等指标对。感图像复原结果进行评价。实验结果表明:复原后图像灰度均值提高45%,平均梯度和边缘强度分别是复原前的3.5和1.75 倍,各项评价指标均优于原始图像,并且MTF 所包含面积MTFA 明显增加,该图像复原算法对提高空间TDICCD 相机图像质量有一定的参考意义。     

SDRAM在大视场TDICCD空间相机中的应用

该文针对大视场空间相机中需要缓存的图像数据量大的问题,对高速大容量存储器SDRAM控制技术进行了研究。首先,说明了大视场空间相机中图像数据缓存的需要,根据CCD图像数据和图像缓存工作特点,提出了基于行使能和刷新操作驱动和基于仲裁策略的SDRAM控制器。然后,为了提高图像数据缓存可靠性,针对缓存小数据量场合,提出了(6,8)纠错算法,针对缓存大数据场合提出了RS(143,127)和RS(142,126)码纠错算法。最后,在XX-X空间多光谱相机样机的成像系统上进行了试验验证。实验结果表明:两种控制器工作频率能够达到131 MHz,正常工作时,行使能驱动控制器存取速度达到127.08 MBps,仲裁策略控制器存取速度达到139.788 MBps,两种纠错算法在507 B/row内可以纠正32 b错误。基本满足空间相机中的稳定可靠、高效率的缓存图像数据要求。     

基于大气MTF的退化图像复原

由于大气中气溶胶和湍流的存在,致使图像质量退化,依据退化的物理过程,建立了基于大气调制传递函数（modulation transfer function, MTF）的退化模型,从而进行图像复原。首先,利用图像拍摄时刻湍流和气溶胶的相关大气参数,估算出粗略的大气MTF;其次,采用一种指数调节MTF曲线的方法,指数因子通过迭代递归的方法确定,并以复原图像平均梯度最大为截止条件,从而得到更加精准的MTF曲线;最后,给出了实验结果,并对其进行定量评价,结果表明复原后的图像在视觉效果和定量指标上都有很大提高。     

紧凑型双视场可见光镜头设计

为使观瞄系统以简单、紧凑结构实现探测、识别目标功能,选用光学补偿法设计紧凑型双视场可见光镜头。首先,根据视场、作用距离指标完成相机选型和焦距计算,依据已选相机像元尺寸和最低照度计算F数,并分析双视场光学系统的特点;其次,对比常规的光阑位置固定方案与光阑位置切换方案,得出后者在实现光学总长、最大通光孔径、变焦行程有效压缩的同时,可以实现更大的相对孔径和更好的像质;最终,选用光阑位置切换方案设计了由11片透镜构成,光学总长为150 mm,最大通光孔径为Φ42 mm,变焦行程为35.97 mm的紧凑型双视场可见光镜头。该镜头短焦焦距为32 mm,F数为2.3,满足水平视场角不小于12°、探测距离不小于5 km的要求;长焦焦距为126 mm,F数为3,满足水平视场角不小于3°、畸变小于0.5%、识别距离不小于5 km的要求。设计结果表明,对于焦距32 mm和焦距126 mm,全视场调制传递函数（MTF ）均大于0.45,全视场点列图的均方根 （RMS）直径小于或接近4 μm,整体像质良好。公差分析结果表明,在135 cycles/mm处,全视场MTF大于0.3的概率达到90%以上。