600 mm长焦平面时间延迟积分CCD的交错拼接

为了满足空间宽幅相机大视场的需求,研究了对多片CCD器件进行拼接以获得超长焦平面组件的方法。使用长线阵时间延迟积分(TDI)CCD拼接仪,按照设计位置和精度要求把17片TDICCD器件拼接到焦平面板上,用销钉定位,获得了长为600mm、像元为69 000个的超长焦平面。然后,对完成拼接的焦平面组件进行了高低温循环试验、热真空试验和振动试验。实验结果表明,焦平面组件的结构设计和材料选取满足力学/热学要求。对完成拼接的600mm长焦平面组件进行了TDICCD拼接精度的检测,检测结果显示拼接误差小于3μm。将该超长焦平面组件用于遥感相机,通过成像实验获得了清晰的无缝宽幅图像。上述结果证明600mm长焦平面组件满足空间宽幅相机的应用需求。     

大视场时间延迟积分CCD遥感相机的精密定焦

介绍一种可以广泛应用的时间延迟积分(TDI)CCD拼接型焦面的精密定焦技术。首先,在恒温、隔振条件下将满足拼接精度要求的TDICCD焦面组件粗装至相机相应的设计位置;然后,通过数据采集与处理系统获得相机成像的调制传递函数(MTF),并通过调焦机构进行调焦,测得每片TDICCD所成像的MTF调焦量曲线,进而得到每片TDICCD的最佳像面位置;最后,根据8片TDICCD各自的最佳像面位置拟合出共同的相机最佳像面,并依此确定焦面组件外接口的修调量,完成相机焦面的精密定焦与装调。对定焦精度的分析表明,定焦误差为9.1μm,与焦深的相对误差为4.4%。最终的MTF测试实验表明,8片TDICCD的MTF值比较平均,符合相机光学镜头的MTF变化规律并且远远高于该相机全视场静态MTF≥0.2的技术指标要求。本文所介绍的大视场TDICCD遥感相机的精密定焦技术可以为同类遥感相机的研制提供借鉴。     

测绘相机焦平面CCD交错拼接中重叠像元数计算

针对采用焦平面CCD交错拼接方式的测绘相机会由于存在交会角而产生视场拼接漏缝问题,本文在考虑交会角和相机无侧摆的前提下提出了一种焦平面CCD重叠像元数算法.首先,根据测绘相机成像原理建立了前视相机成像模型,分析了产生视场漏缝的原因.接着,推导出在CCD数量为奇数和偶数两种不同拼接形式下的地面视场重叠及漏缝大小的数学表达式,进而得到了不产生漏缝时CCD片间最小重叠像元数计算公式,并对误差进行了分析.最后,将该算法应用于工程算例,并对比了地球曲率对计算结果的影响.通过算例得到了各CCD片间视场漏缝及最小重叠像元数,其最大值分别为1 141.491 μm,115个.应用本文方法可以近似计算应用交错拼接法的测绘相机焦平面前后排CCD的最小重叠像元数,误差小于1 pixel.     

机械拼接时间延迟积分CCD空间相机的振动参数检测

为了获取空间相机在轨摄像期间的振动幅频特性,提出了一种基于TDICCD拼接技术的空间相机振动参数检测方法。根据TDICCD拼接原理,利用拼接结构中的重叠成像区域在不同时刻对同一景象成像,通过灰度投影算法对所成图像进行比对求取相对偏移量,拟合偏移量数据,进而根据拟合结果计算出空间相机振动参数。实验结果表明:对于一维单一频率的振动,频率相对误差小于0.5%,振幅绝对误差小于1个像元;对于一维混合频率的振动,频率相对误差小于3%,振幅绝对误差小于2个像元;对于沿推扫方向和垂直推扫方向均为单频振动的二维振动,频率相对误差小于1%,振幅绝对误差小于2个像元。实验结果验证了检测方法的正确性,达到了不增加额外设施,仅利用相机自身结构就能精确测量相机振动参数的目的,并为后续图像复原提供了数据基础。     

线阵-面阵CCD三线阵立体测绘相机焦平面组件的研制

介绍了线阵-面阵CCD(LMCCD)制式相机的相关原理,提出实现LMCCD相机的关键在于相机焦平面组件的研制.给出了LMCCD相机焦平面组件在研制过程中的关键技术,如LMCCD像面基板与CCD的高精度拼接,焦平面组件电子学部分的低噪声、高集成度设计,焦平面组件在真空环境下的热噪声抑制和热传导设计,以及焦平面组件的装配和焊接等.最后,给出了研制和测试结果.LMCCD拼接的共面精度优于5 μm,平移量和平行度均优于2μm;在典型工作情况下,实验室测试信噪比优于90;在15 min的工作周期下,焦面组件的温度控制在30℃以下.这些结果满足LMCCD制式相机关于CCD拼接、焦面温度控制和信噪比的要求.     

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。     

遥感相机焦面CCD机械拼接中重叠像元数的确定

针对推扫式遥感相机前后摆成像中焦面拼接的CCD其像片间出现视场漏缝的问题,提出了一种焦面CCD的非均匀重叠像元数机械拼接方法.首先,构造了相机前后摆的成像原理模型;接着,分析了CCD间产生地面视场漏缝的原因,并依据模型推导出相机前摆和后摆时各CCD视场间漏缝大小的数学公式,从而得到各片间容许的最少重叠像元数量公式.在此基础上,进一步给出了后续电子学图像拼接与配准中片间重复像元数的函数形式,为实现图像无缝拼接提供了软件实现依据.分析表明,该方法的理论误差ε小于一个像元尺寸,即|ε/D|＜1.最后,给出了工程应用实例.     

空间TDICCD相机动态成像地面检测系统的设计

设计了一种空间TDICCD(时间延迟积分电荷耦合器件)相机动态成像地面检测系统,用于模拟相对空间飞行器的地面像移,验证TDICCD相机的像速匹配能力和动态成像质量。系统采用精密转台和偏流转台模拟卫星绕地球运动和卫星受地球自转影响而在不同纬度产生不同的偏流运动。精密转台用永磁力矩电机驱动,用锁相锁频伺服控制策略控制稳速精度达到0.0297%。偏流转台用步进电机控制,偏流角的平均转角速率约为0.02°/s,偏流角位置的数据引导跟踪精度优于±5′。设计的检测系统的精度满足TDICCD相机动态成像检测的指标要求,已在某型号空间可见光相机的研制中获得了应用。     

离轴三反时间延迟积分CCD相机内方位元素和畸变的标定

由于测绘相机的关键几何参数内方位元素和畸变的标定精度决定相机的立体测绘精度,本文提出了一种离轴三反时间延迟积分( TDI) CCD相机内方位元素和畸变的标定方法.介绍了离轴三反TDICCD相机的光学系统和像面拼接方法,明确了该相机内方位元素和畸变的含义.建立了标定系统及相应的数学模型,应用最小二乘回归法求得了内方位元素和畸变的表达式.利用提出的方法标定了相机的内方位元素和畸变,并对标定误差进行了分析.结果表明:该方法对主点的标定精度可达1.0 μm(1σ),对主距的标定精度可达2.0 μm(1σ),对畸变的标定精度为2.3 μm(1σ).结果显示提出的标定方法快捷且有效.     

多镜头成像拼接方法在经纬仪系统中的应用

为了获得大视场高分辨率的图像,提出了多镜头成像拼接的方法,并将该方法应用于经纬仪系统中。首先,结合经纬仪特点对几种可能的拼接形式进行了分析,并以4个镜头十字型两维拼接形式为例,建立了数学模型。然后,确定拼接镜头间的夹角以及相对位置关系,同时对经纬仪跟踪架的结构尺寸提出设计要求。最后,对拼接夹角精度进行复核标定。设计结果表明:在相机靶面像元数为1 280×1 024,像元尺寸为12μm,镜头焦距为400 mm的条件下,可获得方位方向最大6.6°,俯仰方向最大3.52°的视场。两个方向的拼接夹角的最大误差均在10″以内,能够满足图像拼接时单幅图像坐标转换到经纬仪坐标系下数据处理的需要,达到了增大视场的目的,扩展了经纬仪的应用领域。     

星上多通道遥感图像的实时合成压缩

针对星上图像整合电路工作频率过高而造成的成像系统工作不稳定的问题,讨论了相机结构的改进,提出了一种基于现场可编程门阵列（FPGA）平台实现星上时间延迟积分CCD（TDICCD）遥感图像实时合成压缩的方法。介绍了星上多通道遥感图像实时合成压缩的原理。针对TDICCD线阵推扫成像模式的特点,使用改进的JPEG-LS压缩算法;通过自适应量化动态地控制码率,在FPGA硬件平台上实现了图像数据的实时合成压缩。试验验证结果表明,在无损压缩和2倍压缩时,系统主时钟从原来的100 MHz分别降低为80 MHz和64 MHz,整合电路的工作稳定,恢复图像的峰值信噪比（PSNR）满足大于80 dB的要求。提出算法的存储量小,处理每行的平均时间为57.5 μs,小于相机的最小行周期63 μs,满足实时性要求。本文系统可靠性高,算法稳定,实现了星上多通道时间延迟积分CCD相机内部的实时合成压缩。     

低轨TDICCD相机像质地面模拟测试技术研究

为了对特定微结构时间延迟积分电荷耦合器件（TDICCD）相机进行装调及性能测试,提出并搭建了一套动态调制传递函数（MTF）地面模拟测试装置。在实现TDICCD相机成像的基础上,利用刃边法对相机的MTF进行测量。经理论分析及实验验证,该装置测量精度优于5%,满足设计要求。并利用该装置分析了速高比v/h、偏流角θ这两个因素对TDICCD相机像质的影响,其结果与理论相符。所提出的装置满足TDICCD相机地面动态MTF测试技术需求,具有一定工程意义。     

多光谱 CCD 相机几何标定技术研究

多光谱CCD相机的技术特点是利用不同遥感谱段获得同一目标图像,通过不同谱段图像的组合,获取地物目标的物理特性。为了使多光谱CCD相机同时还具备测绘功能,能对获取的地物目标进行精确定位,发射前需要在实验室对多光谱CCD相机的几何参数进行精确标定。多光谱CCD相机几何标定是相机研制过程中的关键环节,是确定相机在惯性坐标系中姿态的必不可少的关键技术。本文着重介绍了多光谱CCD相机几何标定设备、标定方法和标定精度。多次标定结果表明：主距的标定精度优于10μm （1σ）,主点的标定精度优于2.1μm （1σ）,畸变的标定精度优于1.5μm （1σ）,满足多光谱CCD相机几何标定精度的要求。     

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。     

应用压缩传感理论的单像素相机成像系统

采用稀疏二进制矩阵作为测量矩阵完成了单像素相机对不同场景的拍摄。基于压缩传感理论设计的单像素相机,利用数字微镜阵列和单个探测元件实现高分辨率图像的拍摄,将图像采集和压缩合二为一,减少了数据,降低了系统规模、复杂度和成本。对测量矩阵进行了分析,给出了二进制测量矩阵精确重构条件。搭建了硬件实验平台,采用稀疏二进制测量矩阵,对笔划复杂度不同的"中"字、"国"字和复杂实物这3种不同的场景进行了拍摄实验,利用梯度投影重构算法重构出目标图像,图像分辨率为数字微镜阵列大小。实验结果显示,对于3种不同场景,在测量次数为目标图像像素总数的20%～30%时,能精确重构出目标图像,表明单像素相机能实现高分辨率图像的拍摄。     

检校场标定长焦航测相机参数

为实现长焦航测相机内参数及畸变参数标定,提出利用室外检校场对相机进行标定的方法。介绍了该方法由初值到精确值的两步法的求解步骤、计算过程及实验过程。首先通过给定已知特征点位置信息以及不同角度不同位置下拍摄的影像,通过特征点提取及匹配,根据像点坐标与世界坐标的线性对应关系,基于直接线性变换算法建立约束方程求取相机参数初值,进而通过混合LMQN(Levenberg-Marquardt与Qusai-Newton)迭代优化加速求解精确值。与精密测角法比无需精密设备的操作及记录,只需不同位置不同姿态拍摄多张包含精确位置信息的检校场影像即可。最后进行标定实验并对结果分析,基于检校场的标定方法在参数解算中特征点最大投影误差为2.471pixel,标定参数主点精度为9.7μm(2pixel),主距精度为4.3μm(1pixel),解算相机拍摄位置精度0.035m,满足测绘应用的精度需求。     

基于光栅投影的多摄像机标定方法

多摄像机是解决结构光测量系统中视场小和自遮挡等问题的有效方案,但同时由于摄像机分布广、无公共视场,存在全局标定困难的问题。提出了一种基于条纹投影的多摄像机标定方法。加入辅助设备投影仪并向视场内投影大幅面的条纹图案,借助相位算法建立起全局相位场,反求景物的投影仪虚拟图像。利用平面靶标标定摄像机的内参和投影仪的外参获取靶标平面的移动信息,进而求解相邻摄像机的位置参数。最后的优化过程中,再根据相位值对相邻摄像机的图像完成亚像素匹配,通过最小化重建偏差对系统参数进行迭代优化。在搭建的多摄像机三维测量系统上进行试验,结果表明本文的多摄像机标定和测量方案切实可行。