CMOS图像传感器中卷帘式快门特性及其应用

结合CMOS图像传感器研究了CMOS图像传感器卷帘式快门的具体应用.介绍了卷帘式快门的特点和工作原理,分析了具有卷帘式快门的CMOS图像传感器的成像特性,并对其进行了成像实验.探讨了一种利用卷帘式快门相机拍摄的单精度视图来计算高速物体在三维空间中的位姿和速度的新方法.最后,提出了一个运动目标的透视投影模型,讨论了估计目标位姿和速度的方法.实验结果表明:具有卷帘式快门的CMOS图像传感器对运动物体成像时会产生一定程度的畸变,畸变的程度与积分时间等传感器参数的设置有关.在误差最小化的情况下得到了运动物体的位姿和速度参数,计算误差在2.5%以内,测量精度为0.01 rad/s.对实验结果的分析证明了方法的可行性.这种计算方法能够使得低价格、低耗能的CMOS相机转化为一种新的速度传感器.     

卷帘快门sCMOS相机对空间碎片观测的影响研究

同每个像素曝光开始及结束时间相同的传统科学级CCD相机相比,近年来出现的卷帘快门(rolling shutter)sCMOS相机工作时每个像素的曝光开始及结束时间不同,曝光时间相同,因此需要评估sCMOS相机像素之间曝光开始及结束时间不同对空间碎片测量精度的影响。首先测试了卷帘快门sCMOS相机的工作时序和最大延迟时间,并得出曝光不同步的改正公式,再以激光卫星为目标,测试了两种典型观测模式下空间碎片的天文定位精度,并对应用曝光不同步改正前后结果进行对比。测试结果表明sCMOS相机卷帘快门的工作时序与理论一致,边缘曝光延迟最大10ms;实测表明恒星位置内符合精度优于2arcsec,目标天文定位精度优于3arcsec。sCMOS相机能够用于空间碎片观测,能够实现较高的位置测量精度。     

基于自适应惯导辅助特征匹配的视觉SLAM算法

为提高视觉同步定位与建图系统的定位、建图精度,克服传统算法中特征匹配搜索半径为固定值导致视觉里程计在高动态运动时特征误匹配率高的问题,本文提出一种搜索半径自适应的惯导辅助图像特征匹配方法。该方法首先对双目相机左右两帧图像进行特征提取与匹配,并获取地图点三维坐标,然后通过预积分惯性测量单元的量测值预测相机位姿,再根据误差传播定律计算预测位姿的协方差,最后利用预测位姿将地图点投影至图像得到对应像素坐标,从而根据像素坐标中误差确定地图点最有可能出现的区域半径。实验结果表明,该方法可有效缩小特征匹配的搜索半径,显著提高图像特征匹配的准确度,使跟踪线程位姿精度提高约38.09%,系统整体位姿精度提高约16.38%。该方法可为每个特征点提供自适应区域约束,提高特征点匹配的准确度,进而提升系统位姿估计精度,构建更高精度的稠密地图。     

基于星图识别的空间目标快速天文定位

本文提出了一种基于星图识别的快速定位算法用于加快空间目标的定位速度和提高定位精度。首先,采集当前图像的拍摄时刻和编码器角度值,运用天文定位三角形建立的地平坐标系与地惯坐标系的转换关系,计算设备视轴在地惯坐标系中的指向;然后,由视轴指向所在的天区,提取出该天区所有的导航星与特征库;结合有初始指向的局部星图识别建立图像中背景恒星星像与导航星的对应关系。最后,根据小孔成像原理,通过已识别的背景参考恒星以角距离匹配的方式对空间目标进行相对定位。对4°×4°视场、分辨率为1 024×1 024的实际图像的试验结果表明,因定位过程中引入了天文定位三角形模型和星图识别,大大加快了空间目标的定位速度,初始定位速度平均约为400ms;又因采用相对定位的方式排除了影响定位精度的因素,空间目标的定位精度优于2″。     

空间相机地面实时动态集成测试技术

为了确保空间相机在轨长期、可靠工作,依据空间相机的系统结构和原理,提出了一种空间相机地面实时动态集成测试方法.采用自开发的星上载荷控制系统仿真设备、动态成像目标生成及模拟系统、主控系统仿真测试设备、CCD成像系统仿真测试设备、编码器仿真测试设备、热控仿真测试设备、电源监控系统和图像快视及数据记录系统等作为单元测试设备,...     

一种基于非均匀目标的空间相机平场定标方法

平场定标是空间相机研制过程中必不可少的定标项目。目前,普遍使用均匀照明目标进行空间相机的平场定标,而该方法由于依赖于目标的均匀性,其应用存在一些缺陷。提出了一种基于非均匀目标的平场定标方法,摆脱了对目标均匀性的依赖,具有实际应用价值。首先,基于多幅非均匀目标图像像元灰度的相关性,建立了相机像面响应度分布计算模型;采用最小二乘迭代法对该模型进行了求解,并编写程序进行仿真验证,验证结果表明,在图像信噪比高于25dB的情况下该方法定标精度优于0.5%;最后,根据该方法的特点,给出了实际定标试验的操作流程。     

火星环绕器姿轨控制误差对高分相机像质的影响

火星环绕器绕火飞行,轨道是大椭圆轨道。高分相机是火星环绕器的有效载荷之一,在其轨道上对火拍摄,其成像质量除与自身参数相关外,还与姿轨控制误差有很大关系。为了实现对火星的高分辨率拍摄,本文对姿轨控制误差与相机成像质量的关系进行了研究。首先,分析了火星环绕器姿轨控制对高分相机像移的影响模型;然后,利用平行光管、动态目标模拟器搭建试验验证平台,通过地面测试设备仿真环绕器平台参数。设置动态目标模拟器产生速度随姿轨参数变化的动态目标,为相机提供拍摄目标。相机实时进行像移计算,并拍摄成像。试验结果表明,当测轨精度不大于1 km时,测速精度不大于1 m/s时,能保证相机动态MTF值下降不超过10%。采用高精度的姿轨控制可保证高分相机在轨成像质量的要求。     

高灵敏度EMCCD导航相机的设计

导航相机是深空探测领域中关键的导航敏感部件,本文通过提高导航相机的灵敏度来提高导航相机的综合性能,特别是提高时间分辨率,解决高动态条件下的目标探测问题。首先,根据导航相机的工作模式和EMCCD的性能特点,分析了影响导航相机成像质量的多个因素,建立了目标信噪比理论分析模型;然后,在理论计算基础上,重点研究EMCCD导航相机的样机设计技术,说明了EMCCD高频高幅驱动、模拟前端设计、TEC真空制冷、时序控制与数据处理等关键技术的实现方法;最后,介绍了相关实验工作,并分析实验数据。实验结果表明:样机最大目标信噪比在倍增增益M=10时达到68.6dB,在口径13mm条件下,可在积分时间1ms内实现对月球成像。基本满足深空探测导航相机高动态条件下短积分时间成像的要求。     

采用图像直方图特征函数的高速相机自动曝光方法

提出一种采用图像直方图特征(Histogram Feature,HF)函数的自动曝光方法,用于在背景光照快速、大范围变化的情况下对高速相机进行自动曝光控制。首先,采用多点测光对获取的图像进行兴趣区域(Region of Interests,ROIs)提取,以降低系统测光的计算量。然后,通过计算兴趣区域的HF函数选取大步长对曝光时间进行粗调。最后,通过模糊逻辑计算出曝光时间的精调步长并运用阈值限制实现变步长搜索最佳曝光时间,提高高速相机自动曝光的准确性及稳定性。实验结果表明:本文方法可以在2ms内完成一帧图像的亮度测量并对曝光时间进行调整,相较于基于平均亮度值的传统自动曝光方法,在0~110ms内,光源光照强度从760~23 100lux反复变化时,本文方法获得的图像信息熵比平均亮度值法的信息熵均值提高48.38%,方差降低62.13%,可以提供更好与更稳定的图片细节信息,为后续的自动调焦、图像识别以及目标跟踪提供参考。     

采用双三次插值的空间目标偏振成像

为了解决暗弱场景下空间目标与背景对比度过低,无法区分的问题,采用分焦面偏振成像系统分别对室外暗弱场景、室内空间模拟环境进行成像;为了弥补分焦面偏振成像系统图像分辨率下降的缺点,采用双三次插值算法进行上采样。通过分焦面偏振相机的一次曝光便可获得4个不同偏振角度下的光强图,进而解算出偏振度图像和偏振角图像,并与传统的光强图像进行对比;利用双三次插值算法对4幅光强图进行上采样提高图像分辨率,然后再解算出偏振度图像,与未通过上采样获得的偏振度图像进行对比。实验结果表明,偏振成像较之传统的光强成像,目标的对比度获得了提高,边缘信息、纹理信息得到了更好的展现,偏振度图像与光强图像相比,与对比度有关的EME指标至少提高了17%,双三次插值算法提高了成像分辨率。应用双三次插值算法的分焦面偏振成像系统,对暗弱场景下的空间目标的识别具有潜在的应用价值。     

半导体制冷型高帧频CMOS数字摄像机研究与成像噪声分析

为了提高高速CMOS图像传感器的成像质量,降低图像传感器暗电流和随机噪声,文章中介绍了采用半导体制冷的方法来设计高帧频CMOS数字摄像机成像系统,针对该相机系统设计出结构一体化的多级半导体制冷制冷器,实现制冷量可控。图像传感器制冷后的温度与环境温度的温差最大可达40度,暗电流固定模式噪声降低50%,瞬态随机噪声减少90%,图像信噪比提高6dB。该相机系统具有集成度高,结构紧凑,高分辨率高帧频,高信噪比,宽动态范围,成像质量好的特点。     

基于深空探测器的在轨天体合影成像及应用

提出了基于深空探测器对太空中的目标天体合影成像的新策略。首先,基于相机的性能参数建立视场模型,然后对天体和探测器轨道动力学模型、探测器姿态数据以及光照条件进行综合分析,最终确定了拍摄用相机以及成像时刻与成像姿态等成像策略。以探月三期月地高速再入返回飞行任务的设计为例,研究计算了对地月合影的拍摄相机、成像时刻与成像姿态,并利用在轨探测效果仿真系统进行了仿真验证。结果表明:该成像策略能够根据预定的天体合影的构图要求便捷地计算出拍摄条件,结果准确、角度偏差在1°范围内。该成像策略还成功应用于探月三期月地高速再入返回飞行器的实际任务中,在距离月球1.40×104 km和距离地球3.91×105 km处,获得了我国航天史上首张地月合影图像,为后续深空探测器在轨天体合影提供了参考依据。     

非合作航天器逆深度参数化姿态估计

为了实现对空间失效卫星、空间碎片等非合作目标,尤其是具有自旋运动特性的目标进行在轨服务或者离轨清除,需要精确完成追踪飞行器与目标飞行器之间的相对姿态测量。首先,以逆深度参数化表示相机在世界坐标系下的坐标值、高低角、方位角和深度信息,可以有效解决小视差情况下的单目视觉姿态估计。其次,建立了相机相对于非合作目标的运动模型和测量模型。最后,基于单点随机抽样和扩展卡尔曼滤波实现了相机和目标之间的相对运动姿态估计。实验结果表明:对于三轴稳定目标,接近过程中姿态测量精度约为0.5°;对于匀速慢旋目标,相对角度误差约为3.5%,平均角速度误差约为0.1°/s。可以满足工程上空间非合作目标相对姿态测量的使用需求。     

大视场空间相机的像移速度场模型及卫星三轴姿态稳定度分析

针对大视场空间相机的像移补偿,建立了基于坐标变换和姿态动力学的离轴三反大视场空间相机通用像移速度场模型。建模过程中考虑了离轴三反光学系统的离轴角对像移模型的影响,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3种典型成像姿态下焦面像移速度和偏流角的分布特点,研究了卫星姿态稳定度对相机成像质量的影响。分析表明,卫星三轴姿态稳定度的降低会导致相机焦面动态传递函数(MTF)下降,其中俯仰姿态稳定度对焦面动态MTF的影响最大;并且随着积分级数增加,下降会愈发明显。相机侧摆姿态成像时,对卫星姿态稳定度的要求更高。以传递函数下降5%为限,积分级数为96级的大视场空间相机,要求卫星姿态稳定度控制在0.001(°)/s以内。实验结果验证了文中对卫星姿态稳定度的分析,证明了像移速度场模型的准确性,为大视场空间相机像移补偿提供了可靠依据。     

GPS双目摄像机标定及空间坐标重建

为减轻双目摄像机标定过程中对高精度靶标的依赖,实现摄像机参数的精确标定,并对空间坐标进行高精度重建,提出一种GPS双目摄像机标定及空间坐标重建方法,采用GPS代替2D或3D靶标进行双目摄像机标定。将GPS的位置在视场中任意移动,由被标摄像机拍摄多组含有GPS的图像,利用空间三维坐标与图像二维坐标间的映射关系,结合摄像机成像模型和双目摄像机标定原理,标定出双目摄像机参数,并对空间坐标进行精确重建。通过空间重建坐标与GPS实际测量值之间的相对距离误差,对重建精度进行检验。实验证明,该方法能够克服双目摄像机标定过程中对高精度靶标的依赖,空间重建坐标具有较高的精度,相对距离误差从1.56%减小到0.52%。     

高精度智能相机光电跟踪控制系统的研制

主要研究空间光通信中光束抖动的跟踪控制,建立了以可开窗口高帧频CMOS相机和大规模FPGA芯片为核心的全功能camera link光束跟踪控制硬件平台.并在FPGA芯片中嵌入实现了全部跟踪控制算法,包括图像处理中将二元线性插值结合重心算法实现光斑的高精度定位,以及流水线并行运算的模糊增益自调整PID跟踪控制的状态机等.实验结果表明系统实时性强,算法的时间开销很小,光斑的定位精度高,跟踪带宽达到200 Hz以上,低频时跟踪精度约为2 μrad,实现了光束抖动的高带宽高精度的跟踪控制.     

航空光电成像平台角位置陀螺和角速率陀螺的稳定效果分析

研究了角速率陀螺稳定平台在目标跟踪时瞄准线始终围绕视场中心做约2 Hz晃动的现象,理论推导及数值分析认为引起这一现象的原因与光电稳定平台的静态力矩刚度为0、隔离度仅为71.4 dB有关。采用基于角位置陀螺的光电稳定平台,其静态力矩刚度为1 732 Nm,隔离度提高到126 dB,可以有效地消除这种晃动。     

高帧频CMOS相机对光通信精跟踪系统影响分析

分析了互补金属氧化物半导体(CMOS)相机作为机载光通信精跟踪系统的位置传感器的优势,采用基于CMOS相机与FPGA研制的精跟踪系统,可实现帧频8 800 Hz的图像采集、数据传输、实时图像处理、光斑质心计算以及伺服控制等功能,分析了CMOS相机的噪声、帧频以及光斑质心算法对精跟踪系统跟踪精度的影响,给出了对应的数值分析与实验结果。实验结果表明:CMOS相机噪声对光斑坐标x轴、y轴引起坐标的标准差分别为0.291 9像素,0.120 2像素;当相机帧频从2 200 Hz提高到8 800 Hz时跟踪标准差从1.8降低到0.5个像素;外场光斑质心算法偏差比理想高斯光斑计算结果大8.34-0.71像素。光斑中心算法对跟踪精度影响明显,设计更具针对性的自适应光斑中心算法可以大大改善精跟踪的效果。     

飞行器姿态对空间相机像移补偿的影响

为了实现高精度的像移补偿,通过分析飞行器姿态对像移补偿结果的影响,提出空间相机对飞行器姿态精度的要求。首先,根据调制传递函数对像移匹配特性的要求进行分析,确定允许的像移匹配误差。然后,用蒙特卡洛法（即统计试验法）对像移速度误差进行分析和计算。最后,确定满足空间相机像移补偿要求的姿态精度。通过计算得出,满足96级TDI-CCD像移匹配误差要求的飞行器指向精度应优于0.1°,姿态稳定度应优于0.005°/s。方法简单,易于实现,适用于空间相机像移补偿系统的研究。