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。     

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。     

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°。     

胶片摄影空间相机动态成像质量评价

对以胶片为图像载体的可见光高分辨率空间相机来说,除光学系统本身的像质和胶片分辨力对相机的最终成像质量产生影响外,相机的像移补偿机构、像移速度控制系统、最佳成像焦面位置的确定等都对相机的最终成像质量产生影响,通过对胶片式可见光高分辨力空间相机整机系统的成像理论进行分析探讨,采用光学传递函数的方法进行相机整机系统的像质评价及像面位置的准确标定。详细给出了空间相机的实验室检测和在轨摄影的动态摄影传递函数及数据分析结果,通过理论值与此方法分析出的传递函数值作对比,证明了胶片摄影刀口阴影经付立叶变换等方法处理所得MTF的方法可以用来评价空间相机的动态成像质量,对用实验室实测的相机动态MTF结果来预估相机在轨动态MTF及在轨摄影分辨力方面做出了有益的尝试。     

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。     

空间遥感相机TDI CCD积分级数和增益的优化设置

为了提高空间TDI CCD遥感相机的成像质量,研究了相机TDI CCD积分级数和增益的优化设置方法.分别讨论了信噪比(SNR)和调制传递函数(MTF)与积分级数的关系,指出增加积分级数能解决光能量不足问题并有效提高SNR,但同时会引起系统MTF下降;增加增益也可解决光能量不足问题,但不能改变系统的SNR和MTF,因此优...     

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。     

遥感相机动态调制传递函数与时间延迟积分CCD行周期误差的关系

考虑推扫式遥感相机中的时间延迟积分(TDI) CCD行周期误差对成像动态调制传递函数(MTF)影响较大,且积分级数越高影响越大,本文分析并推导了存在行周期误差时TDICCD推扫成像的动态MTF数学模型并进行了仿真验证.首先,介绍了典型的TDICCD的电荷行转移时序,分析并推导了该时序下单级和多级积分级数时的采样窗口函数以及该时序下TDICCD的行周期误差率与动态MTF之间的精确函数关系,并指出本文推导的精确函数比传统函数多一个非线性参量.然后,进行了仿真实验.结果表明:行周期误差率△T/T=0时,该时序下的TDICCD在Nyquist频率下的动态MTF为静态MTF的0.6325倍(TDICCD相数b=4),显示得到的动态MTF与行周期误差率关系曲线较传统方法得到的曲线有明显差异且动态MTF值要高于后者.最后,给出了在不同积分级数下、5％动态MTF下降率指标要求时的行周期误差率最大容许值.     

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...     

航空摆扫成像像移计算与误差分配

航空摆扫成像时,曝光时间内像点的移动是影响成像质量的重要因素。为了研究三面镜各项误差对像移量的影响,利用齐次坐标变换法建立了像点位移计算模型,准确地引入了摆扫镜轴系误差等常见误差项。在此基础上,分析了三面镜加工装调误差对像点位移量的影响,并比较了像点位移量对各误差项变化的灵敏度。接着,根据系统调制传递函数的指标对像点位移量的范围进行了限定,确定了高图像质量允许的像点位移量。最后,对分配后的三面镜误差进行了蒙特卡罗法仿真。仿真结果表明,像点位移量在10~(-5) m量级,像移的MTF因子为0.97,满足指标要求。该结论对摆扫相机的结构设计与加工装调有重要的参考价值。     

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。     

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。     

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.     

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。     

TDICCD相机平台振动所致的MTF空间移变降质

卫星振动不仅会引起TDI(Time Delay and Integration)CCD相机像元采样的不规则性,还会引起像元弥散斑空间分布的不一致性,导致图像传递函数(Modulation Transfer Function,MTF)产生空间变化,从而制约高分辨率图像振动复原质量。本文从卫星振动对TDICCD相机推扫成像采样过程的作用机理出发,结合理论推导与仿真研究,得到了平台振动引起的图像空间移变降质及表征方法。然后在振动复原模型的基础上,推导得出MTF空间移变降质对复原处理误差的影响,并基于实际卫星图像开展了复原实验。实验结果表明:当振动所致图像MTF空间移变降质小于15%时,复原处理后的图像与理想图像的结构相似度优于0.95,而且处理误差所导致的图像失真不影响判读质量。     

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。     

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。