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。     

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.     

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。     

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。     

航相机的像移补偿方法及应用

在航相机拍照时不可避免的将产生像移,要提高成像质量和相机分辨力必须进行像移补偿.首先通过分析像移产生的原因及对图像造成的影响阐述了像移补偿的必要性和对像移补偿系统的要求,然后介绍了目前国内外主要采用的像移补偿法原理、实现途径及其应用范围,最后给出了一个应用多种像移补偿方案于同一相机的实例.     

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。     

航相机像移补偿计算的坐标变换方法

由于航空、航天照相要求的分辨力愈来愈高,对像移补偿系统的要求愈来愈高.要求对产生像移速度的诸因素考虑得更为全面,也就是影响像移速度的诸因素的测量精度和像移速度的计算模型要更精确.本文应用坐标变换方法进行了航相机的像移补偿计算.首先归纳了航空航天相机(简称航相机)中像移补偿的原理、技术途径和实现方法.其次给出航相机光学系统和运动形式的齐次坐标变换,实现了像移补偿计算模型的各个基本要素,从而提出了像移补偿计算的一般数学模型,此模型适用于各种航相机的像移速度和像移补偿计算.再次,对应用坐标变换方法进行像移补偿计算作了详细归纳,最后简单讨论了对像移速度矢量公式的简化方法和像移补偿误差计算方法,以期得到满足计算精度的简化表达式.通过计算模型四个环节的变化,可以将此方法应用到各类航相机像移补偿系统.     

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.     

考虑飞机姿态角时倾斜航空相机像移速度计算

飞机的飞行和姿态变化使航空相机在拍照时产生像移,必须通过像移补偿来提高照相分辨率。为获得飞机姿态角变化时在倾斜航空相机像面上的像移速度大小,首先建立姿态变化过程的数学模型,用坐标系的旋转来等同姿态角的变化,然后根据坐标系旋转前后相同点坐标值之间的矩阵转换关系,推算出单个姿态角变化导致的像移速度,最后将此方法推广到三个姿态角都变化时像移速度的计算。实际应用证明了该方法是一种有效的斜视画幅式航空相机的像移速度计算法,且直观、简单易行,还可以扩展到星载相机上。     

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。     

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%.     

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。     

航空相机前向像移补偿的线性自抗扰控制

为消除飞机姿态角速度变化对摆扫式航空相机反射镜组件进行前向像移补偿时的扰动,设计了线性自抗扰控制器(LADRC),研究了角速度扰动与力矩扰动的等效关系和扰动估计及补偿方法.首先,分析了飞机姿态角速度扰动对像移补偿的影响;然后,建立了有力矩扰动作用时反射镜系统的数学模型,设计了用于扰动观测与估计的线性扩张状态观测器及带扰...     

全景式航空相机扫描反射镜及支撑结构设计

扫描反射镜是航空相机光路转折、像移补偿和自准直调焦的关键部件,扫描反射镜及其支撑结构的设计水平对航空相机的性能有重要影响。以某全景式航空相机为例,在总结了扫描反射镜尺寸、轻量化结构、柔性支撑结构的一般设计方法基础上,设计了三角形和四边形轻量化孔组合形式的扫描反射镜结构,并提出了一种背部三点柔性支撑结构形式,经验证可以满足设计指标中对反射镜面型精度的要求。