图像清晰度评价函数在航空相机中的应用

为消除大气压力和温度的变化对航空CCD相机成像清晰度的影响,减少相机控制环节,设计了一种基于两种图像清晰度评价函数确定镜头焦面位置的自动检焦系统。灰度差分法函数用于较大范围大步长粗检焦,Brenner函数用于小范围小步长细检焦,检焦过程运用爬山搜索法求取评价函数的最大值。这种采用粗精结合的控制方法不仅有效地节省了图像处理的时间,而且提高了检焦的精度。经过光学测试和试验证明,该系统运行稳定,检焦精度为0.01 mm,满足了航空相机焦面位置精度要求。     

空间遥感相机的自动检焦技术研究

本文介绍应用图像处理法对推扫成像的线阵CCD空间遥感相机进行检焦研究。以推扫方式成像的线阵CCD遥感相机连续拍摄的两幅图像之间没有重复的部分,这给图像清晰度评价函数的选取增加了难度。本文根据光学传递函数理论建立了基于模糊量估计的粗调焦评价函数,通过两幅离焦位置不同的图像就可以估算出离焦量,从而可直接驱动镜头至准焦位置附近。根据功率谱对于自然景物具有一定的不变性原理,建立了基于功率谱的细调焦评价函数,进一步找到了准焦位置。仿真实验表明,这种粗精相结合的检调焦方法既能保证聚焦精度,又能提高聚焦速度。     

TDI-CCD光靶相机动态成像同步误差分析

TDI-CCD相机在对运动目标成像时,由于在光积分时间内成像目标的快速变化,导致目标图像与CCD像元之间存在着相对运动,由此造成不同步采集而产生的像移.针对上述问题.采用像移调制传递函数(MTF)分析了TDI-CCD行扫速率与运动像不同步时对相机成像质量的影响,并利用矩形靶标对TDI-CCD动态成像进行了实验测试.结果表明,在奈奎斯特频率范围内,只要将TDI-CCD推帚成像过程中的同步误差控制在一定的范围内,并使TDI-CCD的驱动时钟处于连续多相的工作方式,就可以明显地减少像移对成像质量的影响.     

基于图像处理的航空成像设备自动调焦设计

针对当前航空成像设备中自动调焦装置结构复杂、不利于集成的问题,对基于图像处理的自动调焦方法在航空成像设备中的应用进行了研究。根据自然图像斜边缘多于水平和垂直边缘的特点,提出了基于图像斜边缘检测的对焦评价算子(Lean算子)。通过对多种对焦评价算子进行试验比较,分别选取斜边缘检测算子和卷积算子作为调焦粗搜索和精搜索阶段的对焦评价算子。针对航空成像设备光学系统的特点,提出了局部全局搜索算法(LFS)和变步长的爬山搜索算法(CHS),使用调焦行程为130步,焦深为2步的变焦镜头,分别将调焦时间由全局搜索算法的43s缩短至7s和5～8s。实验结果表明:将所提出的对焦评价算子和搜索算法结合使用,能够准确实现自动聚焦,准确度达到95%以上。     

航空红外相机自动调焦设计

为克服恶劣复杂的航空环境给系统带来的失焦现象,系统中引入自动调焦模块。通过采集、分析不同程度失焦的中波红外图像序列,对空域内几种调焦评价函数的灵敏度、无偏性、稳定性、计算速度等指标进行测试和验证,最终得到适合于红外成像自动调焦系统的调焦评价函数。为了提高该调焦评价函数的信噪比,提出了一种基于图像预处理的信噪比改善算法,保证函数在正焦面两侧呈单调性。最终制定出粗细结合的快速爬山搜索策略,先以大步距进行粗略调焦缩短时间,再用低于半倍焦深的小歩距精细调焦保证精度。基于640×512中波制冷探测器,搭建了一个焦距为300 mm、F/2的卡塞格伦折反式红外光学系统。试验结果表明该自动调焦模块可以保证实时性和准确性,满足具有较大噪声的红外成像系统的需要。     

多重差分滤波航空图像检焦法的滤波器参数选取

针对多重差分航空相机图像检焦精度的问题,提出了一种多重差分空间滤波器参数选取方法。首先,介绍了空间滤波法以及基于空间滤波效应的自动检焦。然后阐述了多重差分滤波检焦法的具体实施过程,并从滤波器输出信号功率谱角度分析了滤波器参数的选取与检焦精度、灵敏度的关系。最后设计动态成像实验,在典型导轨移速53.2 mm/s下采集外景图像,选取不同的滤波器参数分别进行20次像面检测,并将其结果与传统图像检焦算子的检焦效果进行比较。结果表明,本文方法选取的参数使得检焦精度比Brenner算法提高了18%,且检焦系统的最大误差为33.92μm,小于光学系统允许误差(76.8μm),满足实际工作需求。     

异相差分滤波效应的航空相机图像检焦方法

针对航空相机焦面检测的问题,提出了一种基于异相差分滤波器的航空相机焦面检测方法。首先对空间滤波效应自动检焦原理进行介绍;其次使用异相差分检波算法设计异相差分滤波器消除空间滤波信号中的基频成分,增大信号信噪比与振幅,提高检焦精度,并对异相差分滤波器输出信号的频谱进行分析;最后设计成像实验,在5~53.2 mm/s之间根据典型速高比设置导轨移速,进行25次像面检测并选用传统图像检焦算子与差分滤波法的检焦效果进行比较。结果表明:差分滤波检焦法的场景适应性强、灵敏度高,且检焦系统最大误差为45.18 μm,小于光学系统的允许误差76.8 μm,满足工程需求。     

基于方向WPS改进TDI CCD遥感图像清晰度评价函数

在轨调焦是航天相机获取高质量图像的关键技术之一。针对航天相机在发射、在轨期间由于振动冲击及温度气压等环境参数变化引起的光学系统离焦现象,以及TDI CCD遥感相机成像场景实时变化的特殊特点,对基于功率谱的清晰度评价函数进行了研究。根据小波变换的多分辨率和带通特性,提出了一种对FFT功率谱的改进小波功率谱（WPS）估计。针对像移亦会导致TDI CCD图像模糊的问题,提出了方向WPS估计算法。参照功率谱地物无关性及离焦会引起功率谱高频分量损失的思路,设计了基于方向WPS的加权清晰度评价函数。实际外场推扫实验结果表明,提出的新清晰度评价函数能有效反映出实际推扫图像的离焦状态,另外相对于FFT功率谱,对场景差异更不敏感,误判率从0.36降低为0,曲线更加饱和。100个仿真样本的平均误判率仅为0.06,满足系统误差要求。因此文中算法满足单调性、灵敏度高、准确度高原则,更适合TDI CCD遥感相机的自动调焦。     

空间多光谱CCD相机调焦精度分析

调焦精度是保证多光谱CCD相机成像质量的关键技术之一,针对星载对地观测多光谱CCD相机大视场角、宽地面覆盖的离轴三返光学系统结构特点,设计实现了一种高精度调焦系统。首先以CCD多光谱相机感应谱段中最短波长计算出相机调焦需求精度10.00 m,根据多光谱CCD相机的光学系统特点,对比常用的传统航天相机的三种调焦方式,选择CCD焦平面调焦方式;然后提出采用以步进电机为动力源驱动高精度涡轮蜗杆副、齿轮副做旋转运动,通过超精密级滚珠丝杠将旋转运动转换为直线运动,并结合直线导轨约束运动形式,以14位绝对式编码器为位置检元件组成高精度调焦系统,经计算,调焦系统的理论灵敏度为0.12 m,该调焦系统具有结构简单紧凑、调焦灵敏度高的优点;最后通过实验测试,在2.2 mm调焦行程内实际调焦精度3.62 m（3）,调焦系统随相机经过力学环境实验、热真空环境实验后的复测调焦精度为3.64 m（3）。测试结果表明:所设计的调焦系统设计合理,结构可靠,调焦精度稳定性高,满足多光谱CCD相机成像清晰对调焦精度的要求。     

光学拼接误差对TDI-CCD相机的影响

光学拼接是扩大CCD相机视场的有效方法,其关键技术为拼接精度的设计计算和正确评价.为了对光学拼接的工艺性进行有效评价,指导CCD光学拼接的设计,以光学调制传递函数(MTF)为其评价函数,分别对光学拼接的搭接误差、直线性误差、共面性误差对时间延迟积分电荷耦合器件(TDI-CCD)相机光学传递函数的影响进行了理论分析,给出了各种光学拼接误差对光学系统传递函数的调制方程,为光学拼接技术的精度评价提供了理论依据,能够有效指导光学设备焦平面组件的工程设计.     

基于成像时刻校准的混合域TDICMOS成像技术研究

随着航天遥感领域超高分辨率成像电子学中行频的不断提升，一个积分时间内光生电荷数量逐渐减少，弱光成像能力有所下降，电子学中需要采用增大时间延迟积分级数的方法弥补能量的不足。传统数字域累加探测器有着引入过多噪声与帧频受限的多项弊端，而电荷域探测器的超大级数累加会带来电荷转移效率的下降和图像的混叠。基于此，文章在采用低功耗、高集成度TDICMOS基础上，提出了一种基于电荷域和数字域混合的新型累加方式，并对影响弱光成像像质水平的主要指标进行分析。随后针对混合域累加方式下多感光单元间的像质退化，提出一种基于图像配准的成像时刻校准方法，通过多片感光单元间隔测量和成像时刻时序微调有效改善了大积分级数电荷运动与景物运动的失配程度。最后通过滚筒测试验证了成像时刻校准方法的有效性，通过性能测试验证了混合域成像在弱光照下探测能力的提升。结果表明，文中所提方法有效地解决了TDI型探测器的主要瓶颈，为超高分辨率遥感相机提供了有效的解决方案。     

基于功率谱的遥感相机自动调焦算法研究与实现

应用图像处理法针对线阵CCD推扫成像的遥感相机进行自动调焦研究.推扫成像的线阵CCD相机在任意时刻所拍摄的景物都是不同的,这就给对焦评价函数的选取增加了难度.用功率谱的方法对任意景物在空间频域进行分析表明,功率谱对于自然景物具有一定的不变性.由此建立了基于功率谱的对焦评价函数,并采用DSP FPGA的高速硬件系统方案实现自动调焦的算法.一系列的调焦实验表明,系统有较好的自动调焦性能,基于功率谱的对焦评价函数是可行的.     

Visibility的航空遥感相机自动焦面检测方法

为了解决航空遥感相机自动焦面检测的问题,提出了一种利用空间滤波测速（SFV）原理进行航空遥感相机自动焦面检测的方法。首先,在焦面检测过程中,采集线阵CCD输出图像的Visibility值,利用SFV信号的Visibility值与离焦量之间的关系,通过搜寻SFV信号Visibility最大值找出最佳的成像焦面位置;其次,对空间滤波测速原理及Visibility与离焦量的关系进行了介绍;最后,对设计的实验装置在5~53.2 mm/s的典型像移速度下进行了20次焦面检测,结果表明最大测量误差均方值为46.25m,小于航空遥感相机光学系统的检焦误差宽容度（76.8m）,能够满足航空遥感相机的自动焦面检测精度要求。     

航空相机焦面信息检测技术研究

检测航空相机的焦面信息是保证航空相机拍摄出高质量图像的重要的前提条件.提出了一种焦面信息自动检测系统,叙述了系统的工作原理、组成和软件的设计.该系统采用光学准直系统产生焦面信息,利用CCD摄像头接收图像,采用最小二乘法的曲线拟合处理数据,从而使航空相机镜头焦距的测量精度达到0.1%,实际成像面位置的判断准确率达到100%.     

高分辨率空间相机俯仰成像的像移补偿方法

为了使高分率空间TDI（Time Delay and Integration） CCD相机适应卫星大俯仰姿态角,以增强空间遥感的时间分辨率,分析了卫星大俯仰姿态对高分辨空间相机成像的影响,使用光学投影方法,定性分析了俯仰成像时不同视场处的像移速度差异;根据TDI CCD工作方式,提出了横向像移图像生成原理,建立了横向像移图像的恢复模型,并完成了仿真验证和算法精度分析。分析结果表明:卫星俯仰姿态越大时,像面不同视场处横向像移速度差异增大;从仿真实验和精度分析可以看到俯仰成像时采用横向像移图像恢复方法可以得到无横向像移的图像,横向像移图像采集位数越高,恢复后的图像灰度值误差越小。横向像移图像恢复方法增强了空间相机对卫星大俯仰姿态的适应能力,极大地提高TDI CCD空间相机敏捷成像能力。     

图像清晰度评价与变步长融合调焦方法

十字丝目标在CCD上的成像,一般受到环境光和光路的影响,不同位置的焦距产生的十字丝图像会存在边缘模糊和离焦的情况,使十字目标的中心点位置提取受到严重影响,传统的Sobel算法忽视边缘信息,并且容易受噪声影响,因此提出改进Sobel算子图像清晰度评价函数与粗细调焦结合的变步长两段式快速搜索自动调焦的方法。该方法首先利用图像的空间域评价图像清晰度,其次利用根据光学设计选用的两段式调焦方式。第一步进行粗调,先快速找到正焦位置附近,然后进行细调,直至找到正焦的位置。实验表明,该方法与其他算法相比,自动调焦失败率为2%,调焦时间为1 242 ms,调焦行程在-25～+30 mm之间。通过该算法将图像清晰度评价函数与两段式调焦方式结合进行自动调焦,准确性高,实时性好。     

基于仿人眼自适应调节的多光谱视觉图像处理方法

针对传统仿生视觉系统中目标图像获取单一性问题,提出一种仿人眼自适应调节的多光谱视觉成像技术。首先,通过改进的自动调焦算法使成像系统同时采集可见光高分辨率图像及近红外低分辨率图像。然后,对于多光谱成像系统中由于分光棱镜折射率不同导致的在固定焦距下,可见光和近红外图像清晰度有所不同的问题,采用改进的二代小波变换进行近红外图像增强,提高图像对比度,改善视觉效果。最后,搭建基于液体变焦透镜的多光谱实验系统验证自动调焦算法及图像增强算法的实际性能。实验结果表明:系统完成有效自动调焦的平均用时为756 ms。同时,近红外图像增强后其灰度方差函数值提高了79.4%,解决了对比度低和细节模糊的问题,最终实现自适应调节。     

星上TDI CCD相机成像工作模式的配置与管理?

为了解决星上TDI CCD相机成像工作模式较多、工作模式切换时间较长、配置效率较低等问题,提出了一种高效、可靠的成像工作模式配置和管理方法。首先,分析了星上TDI CCD相机成像单元的内部结构和工作特点;其次,针对成像工作模式中大量的轨道参数、姿态参数和时间参数,结合相应的图像数据提出了一种成像工作模式的有效管理方法;然后,对成像工作模式中比较重要的配置参数(增益、偏置、积分级数和行频)的配置过程分别进行了详细的介绍;最后,对五个增益配置点下TDI CCD相机的响应度进行了检测,同时在4级和8级的积分级数下进行了外场成像试验。实验结果表明:所提出的配置方法准确、可靠,TDI CCD相机响应度的线性较好,且外场成像质量较好、层次分明,实现了星上成像工作模式的有效、可靠的配置和管理。     

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。