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。     

基于像面旋转的画幅遥感相机姿态像移计算

以一种机载斜视画幅遥感相机为例,介绍了基于该相机建立像移数学模型的全过程.为交流方便,采用飞行力学国家标准的符号和转角正负,并选择与飞机相关的坐标系;提取相机几何模型,并将机体坐标系建立在相机适当位置,将目标航迹速度经飞机姿态矩阵、相机俯角矩阵、光学系统变换矩阵转换为像面坐标系下的像移速度,由此得到视场中心像移矢量计算公式.定性、定量地分析了像面旋转与姿态像移之间的关系;基于异速像移产生的原因,论证了像面旋转机构在姿态像移补偿过程中的作用.     

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。     

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。     

姿态对地指向不断变化成像时的像移速度计算

基于线阵时间延迟积分(TDI)CCD推扫成像原理,分析了敏捷卫星在三轴姿态机动过程中动态成像的像移问题。由于姿态对地指向不断改变会导致像面空间方位不断改变,从而造成像移速度的改变,本文通过坐标变换法推导出了动态成像方式下的像移速度数学解析表达式,仿真得到了不同姿态机动角速度情况下的TDICCD积分时间数量级。数值仿真分析表明:当前50μs级的航天相机在700km的轨道高度可以实现以0.5(°)/s角速度上限进行动态推扫成像;当姿态机动角速度大于0.5(°)/s时,曝光时间越来越短,需要设计更高水平的相机。以上结论表明,对于不同角速度的动态成像任务,需要量化TDICCD积分时间数量级,实现在三轴姿态机动过程中开启光学有效载荷来完成推扫成像的动态成像。     

航空摆扫相机转弯成像像移分析及补偿

为保证航空摆扫相机转弯成像过程中的成像质量,对其像移计算及补偿方法进行了研究。根据航空摆扫相机的成像原理,利用几何建模及速度矢量分解建立了转弯成像像移计算模型,给出了基于均值补偿的转弯前向像移补偿方法。转弯前向像移补偿分析表明:相机焦距为500 mm,曝光时间为0.01 s,速高比为0.02 rad/s,纵向视场角为10°,转弯角速度为0.5(°)/s时,最大前向像移补偿残差量为2.22μm;转弯角速度为1.5(°)/s时,最大前向像移补偿残差量为3.36μm。另外,转弯横向像移补偿分析表明:横向像移量随纵向视场角幅值的增加而增大,曝光时间为0.005 s,横向视场角为30(°),转弯角速度为1(°)/s时,横向像移量在纵向视场角为4.5°时达到3μm。转弯成像试飞实验结果表明:得到的图像像质优良,无几何形变,前向像移补偿良好,验证了本文提出的转弯成像像移补偿方法的正确性。     

基于差分法的空间相机像移速度矢量计算

为了实现空间相机精密像移补偿,提出了一种基于差分法的空间相机像移速度矢量计算模型.首先,应用坐标变换建立空间相机对地成像模型,分析了空间相机在垂直摄影、侧摆摄影和前后摆摄影时,目标像点与成像面之间的相对运动情况.然后,根据目标像点在成像面上的匀速运动规律,提出对像点位置坐标进行差分计算求得像移速度矢量的方法.最后,对提...     

凝视模式下的画幅相机两轴像移补偿

通过斜视画幅相机的几何模型,选择载机相关坐标系,建立了计算目标航迹速度到像面坐标系下像移速度的数学模型。通过坐标变换将航迹速度(目标在航迹坐标系下的速度)转换至机体坐标系下的速度矢量,最终至补偿坐标系下的运动矢量;计算视轴长度,得到了扫描镜补偿角速度。最后,阐述了像面旋转机构在像移补偿中的作用,并给出了具体位置角计算公式。提出的采用扫描镜和像面旋转机构相结合的方案实现了凝视工作模式下的画幅相机像移补偿,利用坐标变换计算出的相应量,可为将来画幅相机在该模式下的像移补偿工程应用提供必要的参考。     

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.     

TDI CCD全景航空相机前向像移补偿的DSP实现

航空相机拍照的过程中沿着飞行的方向,景物与感光介质之间存在着相对运动,此种运动称为前向像移。为了提高航空相机的照相分辨率,必须对该像移进行补偿,从而以使景物与感光介质在拍照的过程中相对静止。本文首先分析了TDI CCD(Time Delay and Integration Charge-Coupled Devices)全景航空相机前向像移的产生原因,像移补偿精度与伺服系统指标之间的关系,以及补偿机构－反射镜的工作方式,然后提出了一种基于定点DSP(Digital Signal Processing)芯片的像移补偿控制系统,将前向像移的补偿算法用DSP芯片实时实现。本文深入讨论了DSP伺服控制系统中的补偿精度、算法选择、相位计算、时间约束等关键问题,最后给出了一种适合于工程实际的硬件结构与软件流程。     

斜视状态下航空遥感器像移的计算与补偿

航空遥感器成像过程中飞行器的向前飞行和姿态变化,使地面物体发出的光线相对于遥感器的光轴产生运动,从而引起共轭像点的运动,在成像介质上产生像移。运用光线矢量与光轴旋转变换相结合的方法,针对飞行器向前飞行使物体与光轴间发生的平移,以及飞行器姿态变化使光轴方向的改变,建立了光线矢量与光轴单位矢量间的关系,得到了航空遥感器在斜视状态下的像移模型。以实测遥感器的工作参数为条件,分析和计算了遥感器的像移,并给出了像移补偿的方法。实际应用证明光线矢量与光轴旋转变换相结合计算像移的方法,不仅综合了前向像移与姿态像移,而且计算简便,可推广于航空遥感器的研究中。     

带干扰观测器的航空相机前向像移补偿控制器

研究了飞机姿态角速度变化的不确定性扰动对相机反射镜前向像移补偿效果的影响,设计了带有干扰观测器的伺服控制方案来抑制干扰.介绍了一种基于力矩扰动作用的反射镜系统数学模型.采用干扰观测器将外部力矩干扰及模型参数变化造成的实际对象与名义模型输出的差异等效到控制输入端.然后,在控制中引入等效的补偿来实现对干扰的抑制.最后,应用该方法设计了带有干扰观测器的控制器对相机反射镜组件进行像移补偿控制.与先进的PID方法的比较结果表明:在相同扰动作用下基于干扰观测器的补偿控制算法得到的干扰前向像移残差减小了40％～60％左右.该方法提高了相机反射镜前向像移的补偿精度和补偿控制的鲁棒性.     

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%.     

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。     

全景式航空相机的扫描角研究

扫描角是全景式航空相机工作的一个重要参数, 扫描角的大小与扫描起始角和目标倾斜角密切相关。本文分析了三者之间的关系,并且提出当前计算扫描角的方法很难用于工程之中。本文提出了一种根据目标倾斜角计算扫描起始角和扫描角的方法。本方法的主要特点是在满足重叠率的前提下,合理确定扫描起始角和扫描角,并且努力使得目标处于条带覆盖区域的中间,而且覆盖区域尽可能的宽。算法非常简单,容易在工程中实现。     

面阵彩色航空遥感相机前向像移补偿机构精度分析

考虑航空遥感相机中前向像移补偿机构的运动精度会直接影响相机分辨率,本文对相移补偿机构的补偿精度进行了分析。首先,研究了面阵彩色航空遥感相机的机械式前向像移补偿机构的特点,给出了对应于曝光时间的前向像移补偿速度残差的许用值;其次,分析了影响像移补偿精度的主要误差来源,建立了速度补偿残差的数学模型,并运用MonteCarlo算法对其进行了仿真分析;最后,通过动态目标发生器成像试验对仿真结果进行验证。试验结果显示,前向像移补偿机构的速度补偿残差3σ为395.6μm/s,与仿真分析结果400μm/s基本一致,说明该精度分析方法可以比较准确地确定前向像移补偿精度。     

四元数矩阵在航天相机像面位置求解中的应用

研究了四元数矩阵在航天相机像面位置求解中的应用.提出了一种功能等同于齐次旋转变换矩阵的改进的四元数变换矩阵,并依据多体系统理论,利用改进的四元数变换矩阵和齐次坐标变换矩阵两种方法推导出了对应于地面景物的两种航天相机的像面位置模型,阐述了利用四元数实时求解的算法来获得各像点的像面位置的实时解的方法.同时对这两种求解方法进行了计算机模拟.结果证明,利用改进的四元数变换矩阵方法的求解速度比利用齐次坐标变换矩阵的方法快一些.