彩色大面阵航空测绘相机前向像移补偿分析及误差纠正

为了提高彩色大面阵航空测绘相机的成像分辨率和测绘精度,对其前向像移补偿的可行性进行了分析,并设计了前向像移补偿机构。根据航空成像的中心投影模型,研究了前向像移补偿下航空测绘相机内、外方位元素的变化对成像过程的影响,证明了前向像移补偿的可行性;设计了一套基于等径共轭凸轮机构的前向像移补偿机构,并分析了各种误差因素对测绘精度的影响;提出了基于仿射变换的误差纠正方法。实验结果表明,提出的前向像移补偿方法正确,机构引入误差的纠正精度可以达到0.001mm。     

航空光电成像系统像移补偿技术研究

航空光电成像系统由于像移的存在导致成像分辨率下降,严重影响航空光电系统的整机性能。采用像移补偿技术可以提高航空光电系统成像质量。分析了移动探测器像移补偿技术原理与运动光学元件像移补偿技术原理,重点研究了基于快调反射镜(FSM)的高精度像移补偿技术。通过工程简化分析,分别推导了快调反射镜位于平行光路和会聚光路的像移补偿随动角度规律,并针对会聚光路中快调反射镜带来的离焦量进行分析,讨论了离焦量对光学系统波像差的影响。仿真结果表明,随着离焦量的增加,波像差呈线性增大趋势。通过分析光学系统波像差对其光学调制传递函数（MTF）的影响,结果表明F数等于8,在奈奎斯特频率处,当离焦量在0.1 mm以内,光学调制传递函数MTF的下降量在26.6%以内。     

TDI-CCD全景航空相机的像移速度场计算模型研究

针对扫描反射镜和电荷耦合器件(CCD)时间延迟积分(TDI)无法完全补偿前向像移和摆扫像移的问题,提出了TDI-CCD全景航空相机像移速度场的计算模型。根据相机结构和像移补偿原理,用坐标变换和共线方程建立了成像几何模型,在此基础上利用微分法推导出像移速度场的解析式。数值分析表明,像点位置越接近CCD靶面的后边缘,扫描角和前向补偿角越大,像移速度越大。对于TDI级数为100、CCD像元数为14000的全景航空相机,当扫描角小于-1.5°、前向补偿角小于4.16°时,可满足最大像移补偿残差小于1pixel的要求。实验结果验证了模型的有效性,该模型可作为定量分析TDI-CCD全景航空相机像移补偿误差的理论依据。     

含扫描反射镜的星载相机异速像移分析

在星载相机中,扫描反射镜通常会带来异速像移,导致时间延迟积分(TDI)CCD上像移分布不均,不同摆角下,这种分布情况均不同,给像移补偿造成困难,难以获得清晰的成像效果。为此进行分析,建立了含扫描反射镜的像移模型。针对某一低轨卫星参数进行仿真,得到了在不同摆角下,不同视场对应的像面像移量和偏流角。若以像面中心像移量和偏流角作为补偿标准,补偿后,CCD各点的偏流角残差较小,当像移量残差小于1/3pixel时,即可认为补偿有效。不同摆角下,这种补偿效果是不同的。通过分析,当摆角在(-20℃,-0.12℃)和(0.17℃,20℃)内时,异速像移明显,成像效果不佳;在(20℃,35℃)、(-35℃,-20℃)和(-0.12℃,0.17℃)范围内时,补偿效果好,利于成像;摆角为0,即对星下点拍照时,成像效果较好,此时摆角的控制精度应在(-0.12℃,0.17℃)范围内。以上研究可为稳像机构设计提供一定参考。     

针对广域像移变化的数字时间延迟积分方法

为解决现有电子式像移补偿在扫描方向上补偿范围有限的问题,提出一种适用于沿扫描方向广域像移大小变化的数字时间延迟积分(TDI)方法。首先基于像移计算结果判断像移大小是否在电子行频可补偿的范围内,当在不可补偿范围时,基于利用图像插值和配准像素对位累加来调整像移失配量的思想,构建任意像移大小的数字TDI算法模型,并对所提算法进行实验验证。实验结果表明:当96级积分的总像移量远小于像元尺寸时,所提算法与逐行累加的传统TDI方法成像结果相当;当96级积分的总像移量大于像元尺寸时,总像移量超出电子式像移可补偿范围,传统TDI方法扫描图像发生严重混叠,成像质量急剧下降,而所提算法获取图像的像移传递函数和互相关性测度均提高0.11,可有效保持成像质量。     

地球同步轨道二维扫描像移补偿技术建模与分析

在建立二维扫描观测模型的基础上,提出了基于椭球体地球模型的二维扫描像移补偿方案,给出了任意空间观测到的目标位置的快速迭代算法,并以真实轨道和仿真姿态数据验证了像移补偿模型的实际性能。仿真结果表明,对于长周期(大于一个东西方向扫描行周期)轨道和姿态偏差,可以通过调整仪器坐标系内的扫描轨迹来实现像移补偿;同时,在现有轨道测量和控制条件下,轨道因素引起的瞬时方位角和俯仰角补偿量在0.01°~0.1°量级,且随轨道位置不同而变化。FY-2C卫星在轨偏航轴姿态失配修正实例证实了上述模型的有效性。     

前向像移补偿下航空测绘相机畸变的纠正方法

为了提高航空测绘相机的制图精度,研究了前向像移补偿过程中测绘相机畸变的纠正方法。根据光学像差理论对畸变的影响因素进行了分析,得到了前向像移补偿过程中影响畸变的关键参数。考察了主点、主距等参数变化对畸变的影响规律,在此基础上提出前向像移补偿下畸变的计算模型。依据提出的模型对前向像移补偿下的航空测绘相机进行了数学仿真及外场飞行实验。结果表明,提出的算法稳定、有效,可以有效地纠正前向像移补偿时航空测绘相机的畸变,平面位置中误差较传统纠正方法可提高1.38倍。     

基于倾斜刃边法航空相机像移的调制传递函数测量

由于航空相机拍照时存在像移,会导致成像质量下降,因此在航空相机中必须有像移补偿机构。目前一般采用主观判据,即通过人眼判别是否存在像移以及像移量的大小,来评价像移补偿系统的性能是否达到设计要求。主观判据受人的主观性影响较大,而且只能定性评价。为了建立航空相机成像质量与像移补偿系统其他指标之间的直接关系,提出使用倾斜刃边法测量航空相机像移的调制传递函数(MTF)。设计了相应的实验,实验中通过转台的转动模拟航空相机的扫描像移,分别通过倾斜刃边法测量像移的MTF和通过理论模型计算像移的MTF。实验结果表明,在空间频率为0.10cycle/pixel时,转台以3、5、8°/s转动时,两种方法得到的MTF之间的误差百分比分别为0.77%、1.15%、4.91%,进而证明了该方法的有效性。     

帘幕式CMOS全局曝光成像技术

为了消除面阵CMOS航空相机高速成像时帘幕快门效应对成像质量的影响,分析了CMOS成像原理,开展了基于高速中心式机械快门与面阵CMOS图像传感器协同工作的全局曝光成像模式研究.建立了该成像模式下的航空高分辨率成像系统的信噪比模型与前向像移模型,并基于信噪比模型与前向像移模型论证存在合理的曝光时间参数.设计了体积小、质量轻、电驱动、曝光时间可准确控制的高速中心式机械快门,最短曝光时间可达1/2 000s,快门效率最高达80%.对采用自主研发的国产CMOS图像传感器的航空摄影相机参数进行验证计算,并进行直升机载人带飞拍摄实验.影像结果表明:该成像模式曝光时间参数论证正确,影像无拉伸、扭曲及拖尾现象,相机动态传递函数为0.21(奈奎斯特截止频率处),能够满足实际应用需求.     

基于遥感图像及工程参数的全局像移探测算法

相邻两片成像传感器的拼接区能够形成具有相同目标景物的图像, 是提炼像移信息的关键, 具有相同目标景物的图像并非贯穿于每次成像任务全程, 无相同目标景物期间的像移估计问题仍然存在。提出基于遥感图像及工程参数的全局像移探测算法, 试图对包含无相同目标景物期间在内的像移进行全覆盖探测。根据拼接区成像特点, 将成像过程分为无相同目标景物和有相同目标景物两个阶段:在无相同目标景物阶段, 利用工程参数计算像移的低频分量, 建立基于拼接区图像和像移低频分量的目标函数, 衡量像移曲线与低频分量之间的偏离程度; 采用最速下降法搜索偏离度最小值点, 作为无相同目标景物期间像移的最优估计; 推导有相同目标景物期间的像移计算公式, 利用无相同目标景物期间的估计值求解像移。以XX-1号空间光学遥感器为实验对象, 检测到0.133 Hz、7 pixels左右的像移, 可探测的时间范围包含最初226 ms的无相同目标景物阶段, 且显著削弱了盲点处的像移测量偏差。实验结果证明, 提出的算法能够对包含无相同目标景物期间的全局像移进行有效测量。     

基于MSE模型的高分辨率遥感图像变化检测

目前,传统高光谱分辨率遥感图像变化检测方法大多基于单一特征信息进行处理,没有综合影像所有特征信息,难以检测出完整的变化信息。为此,提出了一种基于多特征流形嵌入模型（multiview spectral embedding, MSE）的高分辨遥感图像变化检测方法,利用该模型对图像特征变化信息向量中所有的变化信息进行融合,获得完整的检测结果。实验结果表明,本文方法的检测精度好于传统的变化检测方法,并且稳定性良好。     

三种降采样成像策略的性能优化以及与传统傅里叶望远镜的比较

为了获得成像质量较好且成像时间较少的新型傅里叶望远镜成像策略,本文比较了三种降采样成像策略(压缩感知方法 (CS)、低频全采样方法 (LF)和变密度随机采样方法 (VD))与传统傅里叶望远镜(FT)在图像质量和成像时间上的差异.分析方法如下:利用传统FT外场实验所获得的目标频谱数据作为基础,三种降采样方法 (LF, VD和CS)分别按照各自的采样模式和重构方法实现目标图像的重构;通过直观观察和Strehl比两种方法比较三种降采样方法与传统FT在图像质量上的差异;通过分析成像时间的组成要素,初步比较三种降采样方法与传统FT在成像时间上的差异.分析表明:1)压缩感知方法的图像质量优于其他两种降采样方法 (LF和VD),但略低于传统成像结果; 2)压缩感知方法在成像质量上略低于传统FT,但在成像时间上却明显小于传统FT; 3)分析中采用的外场数据均含噪声,这说明上述三种降采样重构过程对噪声有较好的鲁棒性.综合上述分析结果可以看出,基于压缩感知的傅里叶望远镜(CS-FT)是在实际含噪情况下可大幅减少成像时间的优良成像策略.     

基于相位相关的亚像素配准技术及其在电子稳像中的应用

介绍一种基于相位相关的图像配准方法,并将该方法应用于序列图像的运动检测,通过运动补偿,实现了序列图像的稳定输出。采用相位相关配准方法对序列图像进行亚像素精度配准,运用基于最小二乘的曲面拟合法,估计当前图像相对参考图像的亚像素级的平移量。在补偿图像运动时,为保证亚像素级的补偿精度,采用平滑算法,避免在图像补偿时出现马赛克现象。最后,对样本图像进行了亚像素级位移配准和图像补偿对比实验。实验结果表明,提出的方法可以检测到0．01pixel的运动量,最大配准误差为0．008pixel;采用亚像素级运动量补偿图像,最大误差〈0．5。     

应用动态光学理论求解变焦光学系统补偿组凸轮曲线

变焦镜头在校正像差的同时,还要求像面稳定,才能保证成像质量。采用机械补偿的方法,可以保证凸轮的准确性以使像面稳定,从而保证成像质量。首先应用动态光学理论推导出变焦光学系统的像移补偿组公式,从而得到像移补偿组的轨迹曲线。再根据推导得出的补偿曲线加工出凸轮机构,可对光学系统变焦带来的像移实现完全补偿。此外还给出三个变焦系统的设计实例,用来验证该方法的正确性和实用性。     

An adaptive regression method for infrared blind-pixel compensation

Blind pixel compensation is an ill-posed inverse problem of infrared imaging systems and image restoration. The performance of a blind pixel compensation algorithm depends on the accuracy of estimation for the underlying true infrared images. We propose an adaptive regression method (ARM) for blind pixel compensation that integrates the multi-scale framework with a regression model. A blind-pixel is restored by exploiting the intra-scale properties through the nonparametric regressive estimation and the inter-scale characteristics via parametric regression for continuous learning. Combining the respective strengths of a parametric model and a nonparametric model, ARM establishes a set of multi-scale blind-pixel compensation method to correct the non-uniformity based on key frame extraction. Therefore, it is essentially different from the traditional frameworks for blind pixel compensation which are based on filtering and interpolation. Experimental results on some challenging cases of blind compensation show that the proposed algorithm outperforms existing methods by a significant margin in both isolated blind restoration and clustered blind restoration.     

ISAR中运动补偿问题的研究

运动补偿是提高ISAR分辨率的关键技术.本文从距离-多普勒成像原理出发,对几种典型运动误差的补偿问题作了有益的探讨,并给出了相应的光学补偿方案和实验室处理系统,获得了较好的实验结果.同时,讨论了一般运动误差的补偿方案及实时处理的可行性.     

基于能量分布的红外像点定位分析方法

在红外探测器的应用中,常用统计分析、算例验证等方法研究目标成像精确定位问题。鉴于上述方法难以充分阐释物理意义与揭示普遍规律,提出基于能量分布及成像特征的分析方法,针对红外探测目标成像精确定位问题,利用能量分布和数字图像中成像规律,研究像点定位及精度分析。研究了红外目标成像和数字图像特点,建立了定位模型和方法流程;分析了定位误差影响因素,实现了定位结果精度评定;最后结合典型应用实例,进行了计算验证。该方法与已有方法相比,分析过程更直观,获取了红外像点定位分析的理论依据,并给出了定位结果的精度水平:通常红外成像应用中,精度优于1/6像元;在成像较大时,精度可达1/10像元以上。该研究结论对红外探测应用中目标准确定位具有重要意义。     

An experimental method for eliminating effect of rigid out-of-plane motion on 2D-DIC

The out-of-plane motion is one of the most important factors that affect the precision of two-dimensional digital image correlation (2D-DIC). In this paper, a novel solution is presented to improve conventional 2D-DIC by eliminating the effect of out-of-plane motion, including translation and rotation. Firstly, an experimental technique using two projected laser strips is proposed to measure the out-of-plane motion of a planar specimen. A theoretical model is then established to predict the pseudostrains caused by out-of-plane motion based on the pin-hole imaging model. Using the measured out-of-plane displacement, the captured deformed images used in 2D-DIC are amended to eliminate the effect of out-of-plane motion by the theoretical model. Finally, two experiments were conducted to validate the effectiveness of the proposed method. Results indicate that application of the proposed method can effectively eliminate the errors caused by out-of-plane motion.     

空中点目标运动模糊复原方法

在使用相机对空中远处点目标成像时,不可避免的,会因为相机的角运动引起图像的模糊。针对这一问题,提出了一种运动模糊复原方法。首先通过建立点目标运动的模型来了解造成运动模糊的原因,其次通过对模型的分析,从基本理论开始推导得出一个退化函数,并且采用模糊图像的维纳滤波复原模型。最后,对图像进行了仿真实验。实验结果表明,该复原模型有较好的复原效果。