三线阵测绘相机热光学试验交会角测试系统

对三线阵测绘相机热光学试验交会角测试系统进行了研究,设计了试验测试系统,研究了交会角的测量方法,提出空间交会角测量方法即定量检测法。详细地阐述了针对测绘相机热光学试验热真空试验设备和光学测量场等测试系统要求,特别是平行光管的改造和特种分划板的要求。同时,描述了三线阵测绘相机热光学试验前的需准备工作。利用Labview软件编制数据采集系统,采用定量测量法对三线阵测绘相机交会角进行了测量。结果表明,测试相机在工况转变后交会角的变化在1″的范围内。综合来看,该测量方法可以准确得到相机交会角的变化量,测量数据对三线阵立体测绘相机在轨测量及地面影像分析提供了可靠的分析依据     

测绘相机的温度适应性

分析了温度对三线阵测绘相机传递函数和交会角的影响,通过热光学计算确定了测绘相机的热控指标.首先,在设定测绘相机热载荷状态的基础上,用有限元方法分析了温度场及热弹性变形;利用Zernike多项式进行波面拟合,代入光学软件考察温度对光学系统传递函数的影响,得到测绘相机光学传递函数在假定温度场作用下的下降系数.然后,进行了测绘基座的热尺寸稳定性分析.并在此基础上考察了温度对测绘相机交会角的影响.实验显示,上述分析避免了热控设计的过设计或设计不足,为制定合理的热控设计指标提供了数据依据.     

空间相机中的偏流角控制

像移补偿技术是高分辨力空间相机的移补偿技术是高分辨力空间相机的关键技术.由于偏流角的存在,使得像移速度在像面坐标系存在两个分量:前向像移速度和横向像移速度,偏流角控制本质上是消除横向像移速度,因此,偏流角控制是空间相机像移补偿的一部分.不同类型的空间相机有不同的像移补偿措施,也就有不同的偏流角控制方法,本文对像移补偿方法中的偏流角控制及作用进行分析,并且介绍和分析了采用TDICCD器件的图像传输型空间相机的偏流角控制的方法.     

星敏感器和遥感相机主光轴交联角的在轨检校

为了提高遥感影像产品的定位精度,研究了星敏感器主光轴和遥感相机主光轴交联角的在轨检校方法。利用高分辨率卫星遥感影像的严格成像模型,将改进的非直接求解模型引入到遥感相机安装误差的标定中,提出一种对遥感相机内外方位元素进行统一检校的方法,实现了星上姿态确定系统和遥感相机之间系统误差的精确补偿。对来自遥感卫星的整轨遥感图像进行处理,利用最优化模型确定遥感相机和星敏感器姿态关系矩阵,进而检校出交联角。最后,利用单像对地目标定位原理,对检校精度进行了验证。实验结果表明,校正后地面点经纬度方向平面位置RMS误差分别为9.31 m和9.28 m,显示通过内外方位元素统一检校,遥感图像的定位精度得到显著提高。     

空间相机在轨成像模式的建立

提出空间相机在轨成像模式的概念,研究了建立空间相机成像模式的方法。首先,根据太阳高角和地物反射率,使用MODTRAN软件计算相机入瞳前的辐射亮度,分析相机的辐射定标数据,包括每种成像模式的响应度、辐射亮度范围,积分时间关系等。然后,分析相机测摆成像与平飞成像时的积分时间关系,获得相机在各侧摆角下,每种成像模式的辐射亮度范围。最后,依据成像模式的辐射亮度范围和各太阳高角下景物的辐射亮度范围,建立了太阳高角和相机侧摆角组合下的成像模式表。空间相机成像时,依据成像模式表查找对应的成像模式,即可按该模式成像。该方法已多次应用于遥感相机成像实验中,获得了较好的成像效果,图像质量的满意度由65%提高到99.9%。结果表明:依据该方法建立的空间相机成像模式,获得图像效果较好,图像既包含全部景物信息又具有丰富的图像层次。     

三线阵立体测绘相机热控系统的设计

为了保证测绘相机的正常工作和测绘精度,针对测绘相机的特点设计了热控系统,并对该系统进行了热平衡试验验证。首先,对测绘相机所处的热环境进行了分析,对测绘相机窗口的外热流进行了计算。然后,对测绘相机的各个部分进行了热设计;采用被动热控措施控制相机的温度水平,降低测绘相机系统对外部热环境变化的灵敏度;采取主动热控措施进行温差补偿,减小相机的轴向和对径温差。最后,根据测绘相机的热环境和各种工作模式设计了3种极端试验工况,进行了热平衡试验。试验结果表明,在热控系统工作的情况下,测绘相机系统在各种工况下温度波动在(18±2)℃之内,且轴向温差4℃,径向温差0.5℃,测绘基座的温度在(18±3)℃之内。得到的结果能够满足测绘相机系统的需求。     

由热弹性分析探讨空间遥感相机结构形式

借助于计算机辅助工程分析手段,对空间遥感相机几种不同的次镜座形式、材料选择、约束方式进行了热弹性分析和比较,分别计算了各种结构形式下的位移、变形、应力及应变能分布,进而求得了影响光学元件的倾斜和平移的薄弱环节,找到了满意的结构形式。对改进相机的设计提供了有用的参考     

空间测绘相机的计算机辅助优化设计

阐述了设计灵敏度分析和优化技术在空间相机设计中的重要性,并介绍了设计灵敏度分析和优化设计的原理及方法在MSC/NASTRAN中的应用。本文在MSC/NASTRAN有限元分析的基础上以光机系统的要求为评价指标,对某空间测绘相机进行了设计灵敏度分析及优化设计,有效地改进了设计。     

空间相机偏流角的间歇式实时调整

空间相机摄像时对其偏流角进行实时调整,可以减小偏流角姿态变化对成像质量的影响,延长一次性连续摄像时间并使用较多的TDI积分级数进行摄像.本文对偏流角实时调整的需求进行了详细分析并给出了实时调整策略;然后,介绍了偏流角调整系统的构成及实时调整的工作原理;最后,提出了一种间歇式实时调整方案并进行了实验.实验结果表明:摄像过程中偏流角偏差值可以调整在4.2′以内,调整后误差≤72.17″,一次调整时间＜1 s,偏流角调整过程中图像的调制传递函数(MTF)值为99.67%.提出的间歇式实时调整方法可满足摄像过程中对偏流角实时且长时间调整,且对图像无本质影响的要求.     

一种空间相机偏流角间歇式实时调整方法

摄像时对偏流角实时调整,可以减小空间相机因偏航角姿态变化对成像质量的影响,可以延长一次性连续摄像时间并可以使用较多的TDI积分级数进行摄像。首先,对偏流角实时调整的需求进行详细分析并给出实时调整策略;然后,介绍了偏流调整系统的构成及实时调整的工作原理;最后,提出一种间歇式实时调整方案并进行了实现。实验结果表明：摄像过程中偏流角偏差值可以调整在4.2′以内,调整后误差不大于72.17″,一次调整时间小于1s,偏流角调整过程中图像的MTF值为99.67％。提出的间歇式实时调整方法满足摄像过程中,偏流角实时、长时间调整对图像无本质影响的要求。     

离轴三反航天测绘相机焦距的计算

为了精确计算离轴三反相机的焦距以保证其测绘精度,对经典测绘模型和相关公式进行了必要的修正。首先,重新定义了离轴三反测绘相机的交会角,并对经典焦距计算公式做了修正;其次,分析了地球曲率对离轴三反测绘相机焦距计算的影响,进一步修正了焦距计算公式。实例计算表明:当要求地面像元分辨率为2m,在CCD像元尺寸为8μm,轨道高度为700km,离轴角为7°条件下,应用经典计算公式得出的斜视相机焦距与应用修正后的计算公式所得出的斜视相机焦距相对偏差达到2.6%,说明对测绘精度影响很大。因此,在采用离轴三反相机进行摄影测量时,斜视相机焦距的计算应考虑离轴角后对经典公式进行必要的修正,而正视相机的焦距计算可以沿用经典计算公式。     

Calculation of focal length for off-axis TMA aerospace mapping camera

为了精确计算离轴三反相机的焦距以保证其测绘精度,对经典测绘模型和相关公式进行了必要的修正.首先,重新定义了离轴三反测绘相机的交会角,并对经典焦距计算公式做了修正;其次,分析了地球曲率对离轴三反测绘相机焦距计算的影响,进一步修正了焦距计算公式.实例计算表明:当要求地面像元分辨率为2 m,在CCD像元尺寸为8μm,轨道高度为700 km,离轴角为7°条件下,应用经典计算公式得出的斜视相机焦距与应用修正后的计算公式所得出的斜视相机焦距相对偏差达到2.6％,说明对测绘精度影响很大.因此,在采用离轴三反相机进行摄影测量时,斜视相机焦距的计算应考虑离轴角后对经典公式进行必要的修正,而正视相机的焦距计算可以沿用经典计算公式.     

传输型立体测绘相机的调焦机构设计

提高立体测绘相机地面像元分辨率和地面目标的定位精度,相机需设计调焦环节用以补偿CCD靶面的离焦量.本文根据立体测绘相机光学结构的特点以及相机的焦深,设计了一种基于凸轮导向的调焦机构.在设计中采用了可靠性设计和消空回措施,以保证结构的强度和刚度以及调焦精度.对传动误差的分析及精度验证试验表明:该调焦机构的传动误差为±1.71 μm;CCD靶面的直线性精度在X方向为11.2″、Y方向为11.8″;在调焦行程内CCD靶面绕光轴旋转4.7″,满足用户提出的精度要求.     

航天立体测绘相机调焦机构设计与精度分析

航天立体测绘相机受发射过程的振动、冲击以及复杂多变的空间温度、压力等环境的影响,相机的CCD靶面将产生不同程度的偏移,为保证相机成像质量及后续测绘任务的完成,需将变化的CCD靶面进行补偿。因此本文设计了一种基于凸轮导向的调焦机构,通过传动误差的分析及精度验证试验结果表明,该调焦机构的传动误差为±1.71 μm;CCD靶面的直线性精度X方向11.2〞、Y方向11.8〞;CCD靶面绕光轴的旋转4.7〞,满足用户提出的精度要求。     

空间相机像移速度计算方法及DSP实现

为了精确匹配地物运动在空间相机像面上产生的像移,实现了以WGS-84坐标系下航天器位置向量及速度向量、航天器轨道坐标系下姿态角及姿态角速率作为输入参数的像移速度计算方法.首先,在原有像移速度计算模型的基础上选取惯性坐标系,降低了求解轨道倾角和降交点经度的复杂性.通过球面几何的余弦定理直接求解航天器与降交点相对地心夹角的余弦值,避开了原像移速度计算模型中通过判断卫星飞行方向和星下点纬度来求解航天器与降交点相对地心夹角余弦值这一过程.然后,有机联系星下点的经度和纬度与FLASH的地址,避开访问高程数据时繁琐的查表过程.通过分析像移速度残差对相机MTF的影响,评估了像移速度计算模型的可行性.最后,在TI的DSP上实现了像移速度的整个计算过程.分析及实验结果表明,像移速度计算残差为0.15%,引起相机的MTF下降为1%,像移速度计算时间＜2 ms,满足空间相机对像移速度的计算精度和计算时间等要求.     

空间相机焦平面CCD交错拼接重叠像元数计算

针对大视场空间相机焦平面采用的多片CCD交错拼接,提出了一种适用于多种姿态模式的重叠像元数解析计算方法,以保证空间相机成像视场中不出现漏缝。分析了CCD交错拼接的成像特性和产生漏缝的原因;基于空间坐标系变换和中心投影共线方程建立了重叠像元数计算模型,对像点、相机摄像中心、地面景物点建立动态数学关系,通过追踪像点在像面上的运动轨迹计算了拼接缝像元重叠情况。结合实际工程样例,计算和分析了空间相机机动角度、星下点纬度、视场位置等因素对重叠像元数的影响,并将各工况下计算的最多漏像元数作为最终拼接量。结果表明:重叠像元数理论误差小于1pixel;对比侧摆,俯仰成像时所需拼接像元数更多;该计算模型可扩展应用于其他类型空间相机在任何姿态模式下的重叠像元数计算。