单镜头两视角同轨立体成像、TDICCD自推扫和速高比补偿——嫦娥二号CCD相机技术

介绍了嫦娥二号卫星有效载荷CCD立体相机中单镜头两视角同轨立体成像、时间延迟积分(TDI)CCD自推扫和速高比补偿的综合技术方案.它在国际上首次采用两线阵TDI CCD自推扫实现对月面的高分辨率同轨立体成像.TDI CCD在自推扫成像中必须保持图像在TDI CCD焦平面上的运动速度与电子潜像运动速度同步,为此采用了地面...     

全景式TDICCD摆扫航空相机像面旋转的高精度补偿

摆扫式相机在扫描成像过程中,必须保证扫描机构与像面探测器之间摆扫运动的同步性,如果二者之间出现角度偏差或速度偏差,就会引起像旋转现象,使图像模糊,造成图像质量的下降。以全景式时间延迟积分(TDI)CCD摆扫航空相机为例,利用坐标变换方法建立了像旋分析的数学模型,分析了位置同步误差与速度同步误差对成像质量的影响,提出了基于干扰观测器的同步补偿方法,保证了两个机构之间位置及速度的同步性,实现了调速控制器与同步控制器的独立设计,有利于实际应用。通过实验室静态分辨率成像实验及对外成像实验,对理论分析结果进行验证。实验结果表明基于本方法的位置及速度同步误差分别小于0.0043°、0.0695°/s,均满足补偿精度要求,在成像过程中图像的旋转及失真现象得到了明显的抑制,图像质量获得了大幅提高。     

航天TDI-CCD相机的MTF和像质分析

TDI- CCD相机在航天遥感中得到了越来越广泛的应用 ,但航天 TDI- CCD相机的像移是难以完全消除的或是不可避免的。推导和分析了 TDI- CCD相机的像移以及各种像移的 MTF表达式 ;参照美国国家图像解释分级标准( NIIRS) ,分析了像移量对像质的影响。结果表明 :当采用 96级延迟积分的 TDI- CCD器件时 ,同步误差只有小于 2 % ,成像质量才能得到保证 ,这与滚筒式扫描成像实验结果相吻合     

基于B样条插值算法的亚像元技术的研究

亚像元动态成像技术是目前实现卫星相机小型化及提高相机空间分辨率的一种有效方法。在不改变TDICCD相机的焦距、成像距离,以及TDI CCD器件的像元尺寸的前提下,亚像元动态成像技术可以提高相机的空间分辨率。利用B样条插值算法,研究了TDI CCD相机的图像的亚像元动态插值问题,由两幅相机输出的原始图像经过算法得到比原图像分辨率高的图像,并对比了该算法与其它几种算法的效果,分析结果表明,该算法较其它算法得到的高分辨率图像的效果更佳。     

TDICCD相机的卫星姿态稳定度确定

为解决卫星平台振动造成的图像质量下降问题,提高TDI CCD相机成像质量,分析了卫星姿态稳定度的范围及影响。讨论了卫星平台振动与TDI CCD成像质量的相关性,推导了卫星平台姿态稳定度和像移的关系公式,得出TDI CCD相机对卫星姿态稳定度的要求与轨道高度以及积分级数有关。实验验证了公式推导,结果显示：轨道高度越高,积分级数越大,对卫星姿态稳定度的要求就越严格。数据表明：轨道高度在200～1000 km变化时,对卫星姿态稳定度的要求从0.0377 rad/s提升至0.00635 rad/s;TDI CCD 相机的积分级数在1～100间变化时,对卫星姿态稳定度的要求从0.014 rad/s提升到0.00014 rad/s。本文工作确定了卫星姿态稳定度和轨道高度以及积分级数的关系,有助于TDI CCD成像质量的提升。     

航天TDI CCD相机成像拼接快速配准算法设计与分析

为解决卫星灵活机动多模式成像中多片TDI CCD拼接像元失配的问题,提出了一种实现TDI CCD相机成像搭接与错位像元快速拼接配准的匹配算法。通过分析卫星侧摆成像过程焦平面上像移速度矢量变化导致的多片TDI CCD拼接成像像元失配现象,设计了成像速度矢量光线追迹与齐次坐标变换方法,计算了侧摆成像过程中影响图像失配的偏流角、像移速度矢量和两片TDI CCD拼接纵向错位方向和横向搭接方向的像元数目。利用小卫星姿态控制系统半物理仿真平台和TDI CCD原理样机系统对两片TDI CCD拼接像元匹配算法进行实验验证。结果表明:视场角为10°的TDI CCD相机在卫星侧摆30°成像时,经过1个拼接周期后,两片TDI CCD拼接纵向错位和横向搭接像元数目由初始的148.5和50变为137和49,其中横向搭接像元数目与理论计算结果仅有0.1pixel的偏差,纵向错位像元数目与理论计算结果基本一致。经实验和理论对比分析,所设计的纵向错位与横向搭接像元快速拼接配准算法能够解决TDI CCD图像拼接的准确性,确保图像像元匹配进而获得高质量的图片。     

单框架控制力矩陀螺转子动不平衡对遥感卫星成像的影响

分析了单框架控制力矩陀螺（SGCMG）转子在高速旋转时产生的动不平衡干扰力矩引起的星体颤振角和颤振角速度对TDI CCD相机成像的影响。通过坐标变换将转子坐标系下的干扰力矩转换至星体坐标系下的干扰力矩,将卫星姿态动力学方程计算出干扰力矩引起的星体颤振角位移和颤振角速度代入TDI CCD相机成像像移补偿模型;利用TDICCD相机像点与物点对应模型的仿真系统仿真了陀螺转子在不同转速下引起星体颤振角位移和角速度对相机成像的影响;最后,利用图像对比度和互相关相似性测度分析仿真成像质量。仿真显示：SGCMG转子在转速为3 000 r/min时,横向调制传递函数为0.997,图像互相关相似性测度为0.996 1;转速为6 000 r/min时,横向调制传递函数为0.928 3,图像互相关相似性测度为0.974 8。结果表明：SGCMG转子在高速旋转过程中引起的星体颤振角位移和角速度严重影响了TDI CCD相机的成像质量,应依据颤振的影响对SGCMG实施减震措施。     

TDI-CCD交汇测量系统同步控制的建模及仿真研究

建立了TDI CCD交汇测量系统中CCD行扫描速率和目标运动速率同步控制的数学模型。该模型综合考虑了目标长度、目标运动速率、TDI CCD行扫描速率、成像系统放大倍数、TDI CCD像元尺寸等因素。通过计算机仿真研究发现 ,当TDI CCD行扫描速率和目标运动速率相差较大时 ,在不降低信噪比的情况下 ,系统探测灵敏度及对高速小目标物体的捕获几率仍有很大的提高。也就是说 ,在TDI CCD交汇测量系统中对CCD行扫描速率和目标运动速率同步误差的要求将远远低于± 2 %。     

高速TDI CCD空间相机焦平面设计与实验

时间延迟积分(TDI)CCD焦平面组件是空间相机的重要组成部分,主要完成光电转换,输出模拟CCD视频信号,是影响相机成像质量高低的关键部件之一。现有TDI CCD的像素数量有限,不能满足大视场、宽覆盖的要求,需要对CCD进行拼接。从结构和热控两方面入手针对空间相机高速TDI CCD焦平面组件开展了设计工作,分析了影响拼接精度的因素,针对相机恶劣的发射条件和苛刻的在轨工作温度,设计了特殊的拼接结构来保证TDI CCD拼接精度。开展了动力学环境实验和热真空环境实验来验证拼接结构的可靠性,结果表明:焦平面组件完全能够克服相机力学环境,保证TDI CCD的拼接精度;在热真空实验中,TDI CCD器件在1.5min工作时间内最高温度为30℃,CCD能够正常工作。动力学环境实验和热真空实验后对TDI CCD的拼接精度进行了检测,得到TDI CCD拼接的直线性精度3.5μm,搭接精度4μm,两行TDI CCD平行精度3.5μm,4片TDI CCD共面精度5μm,拼接精度完全满足光学设计要求。外场成像实验得到的清晰图像进一步验证了焦平面组件设计的合理性和可行性,实现了TDI CCD的高精度拼接。     

多TDICCD拼接遥感相机成像串扰分析与抑制

为了解决多时间延迟积分(TDI)电荷耦合器件(CCD)拼接遥感相机不同CCD通道间的成像串扰问题,提高相机信噪比(SNR)和成像质量,利用周期信号的傅里叶级数分析法推导成像串扰的数学模型。根据理论分析结果提出多TDICCD成像串扰的根本原因是CCD工作不同步造成TDICCD成像电路电源的地平面高频扰动影响到了相邻通道CCD有效视频信号的采集。从工程研制实际出发,采取CCD通道之间的工作电源隔离以及共用统一的系统时钟等措施对多TDICCD成像电路系统进行改进,抑制成像串扰的发生。对改进后的多TDICCD成像电路系统进行成像和信噪比测试。实验结果表明,采取的措施有效地去除了CCD通道间成像串扰条纹,相机信噪比得到了显著的提高,在相机入瞳辐亮度为42.6W/(m2·Sr)的条件下,相机信噪比提高18.85dB,达到了50.42dB,且外场成像质量高,满足实际工程的需求。     

摆扫式TDI-CCD航空相机传感器MTF分析

TDI-CCD与普通线阵CCD相比具有很多优点,因而广泛应用于航空航天成像领域。在介绍TDI-CCD特点和摆扫式TDI-CCD航空相机扫描成像原理的基础上,分析了扫描像移的大小及行周期,推导出了由几何尺寸、电荷转移损失率、电荷分立运动、速度失配等因素引起图像传感器的调制传递函数退化表达式,给出了传感器线列方向和TDI方向的调制传递函数,提出了提高传感器调制传递函数的几种方法,对TDI-CCD航空相机整机设计提供了参考。     

光锥与TDI-CCD耦合监控中测试目标的一种实现方法

为了给光锥与时间延迟积分电荷耦合器件耦合监控装置提供有效的被测运动条纹，分析了传统推扫成像实验装置的不足之处，设计了电子显示目标滚屏运动装置.采用光学相机对印刷条纹静止成像，并用TDI-CCD数字相机对监视器屏幕上的运动条纹动态成像.实验结果表明，该方案解决了高分辨率的鉴别率图样无法在监视器或投影仪上精确显示的困难.与传统的实验室模拟装置相比，该方案提高了鉴别率条纹的运动稳定性，减小了条纹运动速率与TDI-CCD扫描行频间的失配误差，不仅能够对耦合过程实施监控，而且还能用于耦合系统的像质评价.     

航天TDI-CCD亚像元相机的MTF研究

讨论了不同步采集和偏流角带来的像移对航天TDI-CCD亚像元相机系统相机调制传递函数的影响.通过对成像工作方式中所产生的速度失配和方向失配的调制传递函数影响的分析,得出了提高相机采集同步精度和消除偏流角的方法.     

基于线阵TDI-CCD器件的扫描成像系统设计

提出了由步进电机控制振镜运转,基于线阵TDI-CCD相机的扫描成像设计方案.通过研究线阵TDI-CCD器件的结构与工作原理,得到对振镜扫描速率和相机行扫描速率进行同步的方法,实现了空间位置配准.采用EC-11相机进行成像实验,扫描成像系统输出了可辨别的图像.     

航天光学遥感器像移速度矢计算数学模型

随着地面影像分辨力愈来愈高的要求,航天光学遥感器实时精确补偿摄影时地物产生的像移,已成为必需解决的关键技术之一。论述了航天光学遥感器在对星下点摄影时,通过建立从地面景物到像面的七个坐标系,进行14次线性变换,获得了具有15个参量的像面位置方程、像面速度方程,推导出像面上像移速度矢的计算公式,对影响像移速度矢的11个参量进行误差分配,以及应用蒙特卡罗法(统计试验法)进行误差综合。该理论方法已得到了实际应用,从获得的遥感图像达到的分辨力、奈奎斯特(Nyquist)频率处的传递函数、信噪比和平均灰度层次均充分证明了该研究结果的正确性。     

宽覆盖型光学遥感相机侧摆像移速度计算

根据宽覆盖相机的特性,分析了其侧摆成像的几何关系。建立了地面物点到相机像面的空间坐标变换关系,在此基础上,推导了基于圆地球模型的相机侧摆像移速度计算公式,并以像移失配传递函数MTFmismatch作为评价方法分析了相对像移匹配残差对像质的影响。以某宽覆盖型相机为例,计算了不同侧摆角和不同地心角条件下的像面像移速度。计算结果表明：像面各点的侧摆像移速度均不相同,且变化趋势也不相同,远地点处像移速度相对变化量最大。在侧摆角为25°且积分级数为48的条件下,像移失配传递函数的最大值为0.681。外场成像试验结果表明,积分级数控制在16级以内时的相机成像质量良好。     

视轴角控制误差对航天相机成像质量的影响分析

为了降低飞行器倾斜成像工作过程中视轴角误差对TDICCD空间相机成像质量的影响,提出满足相机成像质量的视轴角范围及控制误差的要求。根据空间相机成像机理,给出了焦面像移速度以及由视轴角误差引起的像移速度匹配误差计算公式,分析了视轴角对地面像元分辨力的影响。并以调制传递函数(MTF)为约束条件给出了不同积分级数下视轴角的范围。通过实际工程参数计算得出,当视轴角控制误差为0.8时,满足96级TDICCD成像质量要求的视轴角应不大于12.75;若要满足96级TDICCD倾斜成像时视轴角达到25,则视轴角控制误差应优于0.4。     

基于线阵CCD空间滤波效应的航空相机像移速度测量方法

基于空间滤波测速原理,提出了利用线阵CCD空间滤波效应进行航空相机像移速度测量的新方法。对线阵CCD输出图像进行隔行采样,模拟了多狭缝的空间滤波特性,实现了对航空相机像移速度的光学非接触测量。通过研究空间滤波器的功率谱密度函数,对影响线阵CCD空间滤波特性的关键因素进行了特性分析,并在实验上验证了利用线阵CCD推扫图像模拟多狭缝空间滤波器测量像移速度的可行性。结果表明,对于5～53.2 mm/s范围内的像移速度,测量误差导致的像移量误差不大于1/3 pixel,能够满足航空相机像移补偿精度的要求。     

CCD相机动态传递函数核心测试设备的设计

高分辨率CCD相机的动态传递函数测试设备主要用在实验室条件时使用,模拟相机在飞行状态时地面景物的空间运动轨迹,综合评价相机系统在自身动态像移补偿、偏流角控制下的成像质量。与传统的静态传递函数相比,该项指标能够更好地反映CCD相机在实际工作状态下的成像质量。以动态传递函数测试的基本原理为基础,提出了系统中的关键测试设备—动态目标发生器的研制思路,并对设备的测试精度进行了分析,得到了动态目标发生器光学/机械系统的工程化设计方案。     

微通道板的饱和效应对条纹相机动态范围的影响分析

条纹相机通常采用微通道板的内增强或外增强这两种方式来提高信号探测阈值, 也由此引入了微通道板饱和效应对系统动态范围的限定. 通过一个非连续电阻电容打拿极链的通道模型, 对微通道板的饱和效应进行了描述,说明了在条纹相机中, 微通道板输入输出的线性范围限定于通道的贮存电荷, 即使是在外增强方式中采用低阻抗微通道板,传导电流的补偿作用也极其有限, 微通道板内增强和外增强条纹相机应具有相近的动态范围, 低阻抗微通道板仅在高重复率的连续拍摄时方可发挥功效, 同时还说明了微通道板增益的正确设置对条纹相机动态范围的重要影响.