空间相机调偏流机构设计与控制

位了减小像移对空间相机成像质量的影响,提高相机分辨率,对空间相机像移补偿方法进行了研究。首先,分析了偏流角产生的原因及调整原理,根据本相机自身特点,设计了高精密像移补偿机构。系统采用正弦机构作为传动形式,以80C31作为偏流角控制器,以步进电机为执行元件,以绝对式编码器作为偏流角测量元件,实现了偏流角位置闭环控制。由于偏流角调整范围在-4°～ +4°之间,以-4°、-2°、0°、+2°、+4°作为假想偏流角期望值,用编码器测得了10组偏流角调整实际数据。实验结果表明：偏流角控制系统精度可达到2′,满足系统对控制系统精度小于3′的要求,可以用于像移补偿机构,实现高精度的像移补偿。     

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.     

离轴三反航天测绘相机像移对成像质量的影响

对离轴三反测绘相机的像移模型进行了必要的修正以获得高的测绘精度。对两线阵离轴三反航天测绘相机进行建模,推导了考虑地球曲率的斜视和后视相机的像移速度和偏流角计算公式。以交会角为25°的离轴三反航天测绘相机为例,分析了斜视相机以正视为准调整行周期和偏流角,以及兼顾正视、斜视相机调整偏流角时,像移速度匹配残差和偏流角调整残差对图像质量的影响。分析结果表明,以调制传递函数下降5%为约束,当积分级数大于5时,应分别调整斜视和正视相机的行周期;按正视相机调整斜视相机的偏流角时,积分级数应取71以内;若兼顾正视、斜视相机调整偏流角,当积分级数为96时,对正视、斜视相机的成像质量无本质影响。     

宽幅相机一体化焦面调整机构设计与精度分析

针对空间宽幅相机对调焦和调偏流的要求,设计了一种一体化焦面二维调整机构,能够同时实现调焦和调偏流功能,并基于蒙特卡罗法对机构进行了精度分析。机构总重12kg,调焦范围为(-4^+4)mm,调焦单元定位精度优于0.0045mm,调焦分辨力优于2.1μm;调偏流单元调偏流范围为(-5^+5)°,定位精度为1.48",调偏流分辨力优于0.18",各项指标均满足设计要求。一体化焦面二维调整机构结构紧凑,占用空间小,结构强度好,承载能力强,适用于大尺寸焦面空间相机。     

基于地球椭球的空间相机侧摆摄影像移补偿

高分辨率空间相机采用侧摆摄影模式来提高时间分辨率,而地球椭球等因素会使空间相机在侧摆摄影时不同视场位置的像移速度和偏流角不同。针对这一问题,推导了基于地球椭球的空间相机在侧摆摄影时不同视场位置的像移速度和偏流角计算公式。以某立体测绘卫星上携带的高分辨率相机为例,分析了侧摆摄影时统一和分片调整行周期与偏流角对调制传递函数的影响。分析和在轨测试实验表明,以传递函数下降5%为约束,侧摆10°摄影时,若积分级数大于22级,则应分片调整行周期。和统一调整行周期相比,积分级数为32级时,分片调整行周期沿轨方向的传递函数下降从10.28%减少到0.11%。而积分级数固定为16级时,统一调整行周期时的侧摆角不应超过13.2°。     

应用地球椭球的三线阵立体测绘相机像移补偿

分析了三线阵立体测绘相机成像原理,针对三线阵立体测绘相机在对地成像过程中存在的前视、正视和后视相机像移速度和偏流角的差异,推导了基于地球椭球的前视、正视和后视相机像移速度和偏流角计算公式.以某三线阵立体测绘相机为例,选取WGS84地球椭球模型,分析了前视相机和后视相机都以正视相机为准调整行周期和偏流角时,像移速度匹配残...     

空间相机调偏流机构运动公式的拟合

研究了空间相机调偏流机构运动公式的提取方法,以便提高运动机构精度,改善空间相机成像质量。分析了调偏流机构测试数据的分布规律,建立了它的分布规律模型。采用对角频率ω一维搜索的三参数三角函数拟合方法,对测试数据进行了最小二乘拟合,并研究分析了首次拟合残差的分布规律,提取并修正了其中的系统误差分量,从而进一步提高了拟合精度。试验结果表明:使用上述方法提取调偏流机构运动公式后,调偏流系统控制精度优于30″,与最小二乘拟合结果(最大拟合偏差20.5107″)相符,同时满足系统控制要求,不仅实现了高精度的偏流角控制,还降低了对零部件加工、装配的要求和制作成本。     

空间光学遥感器偏流机构控制单元的闭环实时模拟检测

摘要：为了实时地检测空间偏流机构驱动单元的功能、性能和可靠性,提出了一种应用FPGA并行闭环实时高速检测驱动单元的方法。结合计算机技术,设计了偏流驱动单元的检测系统。该系统应用高速AD电路将驱动信号采入FPGA中进行分析,获取控制脉冲,同时模拟编码器信息反馈给驱动单元,并将控制脉冲和模拟编码器信息传送给计算机进行检测。对控制脉冲频率为1.2kHz、编码器最小反馈间隔10ms和反馈偏差在±1码值之内的偏流驱动系统进行实际检测,结果表明：可实时准确地监视空间相机偏流驱动单元的工作状态,检测出各种驱动错误,完全适用于空间相机偏流驱动单元的闭环实时检测需要     

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。     

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.     

TDI CCD全景式航空相机的像移补偿误差分析

基于TDI CCD的航空相机通常工作于推扫方式,介绍了一种新型TDI CCD全景式航空相机.与相同CCD片数的推扫式相机相比,其优点是扩大了摄影视场,但同时带来摆扫方向上的像移.针对这一问题,提出了一种真角度像移补偿方法,并通过实验验证了真角度像移补偿的正确性.以型号为CT-F3的TDI CCD相机为例,对前向像移补偿误差进行了分析,提出系统的性能指标:TDI CCD积分时间精度应大于5‰,扫描反射镜补偿精度应大于1%.     

空间相机偏流调整旋转轴系的设计与精度分析

为提高空间相机的摄影精度和偏流角的控制精度,应用刚度较强的外筒机座平面作为轴系止推轴承轨道平面,设计了双径向与轴向复合约束力封闭式旋转轴系结构,其结构具有质量轻、转动灵活、回转精度高等特点.讨论了影响轴系旋转精度的诸多误差因素,如轴向窜动误差,角度摆动误差等,并定量分析了构成轴系零件的形位误差引起旋转轴系在回转运动中的晃动误差.通过对轴系晃动误差的检测,验证了所选用的轴系精度为3.8″,满足了总体技术指标在5″以内的要求.     

飞行器侧摆和前后摆对空间相机成像质量的影响

通过分析飞行器侧摆和前后摆对成像质量的影响,提出了空间相机对飞行器侧摆角和前后摆角范围的要求以获取高信噪比和高分辨力的图像。根据空间相机像移产生的机理,给出了侧摆和前后摆情况下像移计算参数的公式,及侧摆角和前后摆角引起的像移。使用调制传递函数作为图像质量的评价依据,确定了满足空间相机成像质量要求的侧摆角和前后摆角范围。分析了侧摆和前后摆对地面像元分辨力的影响。通过计算得出,满足积分级数为96级,调制传递函数不小于0.95的要求,当相机成像时侧摆角和前后摆角的控制误差为0.1°,侧摆角和前后摆角应不大于4.8°;或当侧摆角和前后摆角的控制误差为0.05°,侧摆角和前后摆角应不大于9.5°。实验结果表明,本文提出的方法简单,易于实现,适用于空间相机成像质量的研究。     

航空相机纵向像移补偿性能检测

像移补偿机构是航空相机的关键组件。通过建立航空相机纵向像移量、像移速度模型,分析研究纵向像移补偿机构对像移补偿残差的影响特征,提出了运用像移补偿残差做为纵向像移补偿机构故障检测的新方法。经过对实际图像像移残差的实验分析,验证了该方法的有效性,可以实现工作状态下对航空相机的便捷随检。     

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。     

机载成像系统像移计算模型与误差分析

研究了机载成像系统的像移及其对成像质量与相机分辨率的影响。为准确获取像移矢量,实现成像系统像移补偿,提出了一种基于坐标变换的机载成像系统像移计算模型。通过线性坐标变换,建立了从地面目标景物到成像系统像面的坐标变换模型,推导了地面目标景物在成像系统像面的解析表达式,根据坐标在相机积分时间内的变化来确定像移矢量。分析了成像系统像移误差的主要来源,讨论了载机轨道坐标、飞行姿态角和相机视轴角误差对像移计算结果的影响,采用蒙特卡罗方法分析和统计了像移计算误差。样本实验结果表明,在载机姿态角和相机摆角不变条件下,像移量与载机速度成正比,与目标距离成反比,像移误差随着参数误差的增加而增加,其中载机经度和纬度误差是影响像移计算误差的重要因素。结果显示本文方法对机载成像系统的像移补偿具有实用价值。     

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。