数字域时间延迟积分时间CMOS相机高分“凝视”成像设计分析

为实现凝视卫星高分跟踪成像,设计了数字域时间延迟积分(TDI)互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器在凝视姿态下的成像匹配模型,推导了卫星凝视跟踪成像时相对轨道坐标系的姿态变化,采用坐标变换方法实时计算其在凝视过程中随姿态变化的行转移时间,利用蒙特卡罗方法统计计算了凝视模式下姿态指向精度和稳定度对成像的影响。利用数字域TDI CMOS原理样机和小卫星姿态控制系统全物理仿真平台对成像进行了仿真分析。结果表明,卫星的姿态控制精度在成像过程中会引起纵向的像移速度失配和横向匹配的残余像移,成像积分级数越高,图像信噪比越大。积分级数的增加对卫星姿态提出较高要求,仿真平台姿态角和姿态角速度控制精度分别优于0.05°,0.005°/s时,采用积分级数为48级能较好地满足成像质量要求。     

基于光线追迹逐点匹配的航天时间延迟积分CCD相机机动成像快速几何校正算法

基于线阵时间延迟积分(TDI)电荷耦合器件(CCD)机动成像原理,分析了灵巧卫星在姿态机动过程中动态成像的几何畸变问题。由于地球曲率及姿态机动因素导致像面空间几何映射形状不断改变,通过光线追迹逐点匹配算法推导出了机动成像方式下的空间成像几何关系数学解析表达式。利用小卫星姿态控制系统物理仿真平台对TDI CCD相机机动成像快速几何校正算法进行实验验证,姿态角确定精度与姿态稳定度优于0.05°、0.005°/s。结果表明,在卫星最大扫描角为45°时,所设计的算法能够解决机动成像几何畸变问题,提高成像质量。     

颤振对TDICCD相机像质的影响分析

为了分析卫星颤振对TDICCD相机像质的影响,给出了低频正弦颤振引起的相机像移,重点分析了滚动、俯仰、偏航三个方向的颤振对相机成像质量的影响.通过对两种卫星颤振动力学仿真数据的计算,具体研究了颤振对相机像质的影响程度.结果表明,TDICCD相机对卫星颤振幅值要求较高,且随TDI积分级数的增加,颤振的影响尤为突出,必须加以限制.     

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...     

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。     

遥感相机中时间延时积分电荷耦合器件积分级数的最优选择

针对时间延时积分电荷耦合器件积分级数对成像质量的影响,提出了一种航天遥感相机中时间延时积分电荷耦合器件积分级数的最优选择方法.构造了典型成像系统的信噪比与积分级数关系模型和调制传递函数与卫星姿态角和积分级数的函数模型;以信噪比和调制传递函数的容许值为约束条件,推导出了任意条件下时间延时积分电荷耦合器件的可选积分级数区间并给出了最优的积分级数解,给出了对应的增益设置指导函数.运用仿真实验对该方法进行验证,并与传统方法进行比较,结果表明:该方法能够选取最优的积分级数,从而获得满足信噪比和调制传递函数指标的最佳成像质量;若该值不存在,依然能获取相对最佳的折中值和视觉效果;同时,本文成像效果优于传统方法.     

遥感相机中时间延时积分电荷耦合器件 积分级数的最优选择

针对时间延时积分电荷耦合器件积分级数对成像质量的影响,提出了一种航天遥感相机中时间延时积分电荷耦合器件积分级数的最优选择方法.构造了典型成像系统的信噪比与积分级数关系模型和调制传递函数与卫星姿态角和积分级数的函数模型;以信噪比和调制传递函数的容许值为约束条件,推导出了任意条件下时间延时积分电荷耦合器件的可选积分级数区间并给出了最优的积分级数解,给出了对应的增益设置指导函数.运用仿真实验对该方法进行验证,并与传统方法进行比较,结果表明:该方法能够选取最优的积分级数,从而获得满足信噪比和调制传递函数指标的最佳成像质量;若该值不存在,依然能获取相对最佳的折中值和视觉效果;同时,本文成像效果优于传统方法.     

扫描镜稳定度对TDI CCD测量精度的影响

利用TDI CCD成像数值仿真模型,研究了TDI CCD测量系统的测角精度随扫描镜速度稳定度的变化规律。首先根据TDI CCD推扫成像的物理过程,建立了数值仿真模型,设计了从光学像和扫描镜稳定度到数字图像的仿真链路;然后利用图像重心计算方法求取图像中心坐标并得到目标点的角位置坐标;通过蒙特卡诺法进行海量打靶试验,对结果进行统计得到扫描镜各稳定度水平上的测量精度值;最后将某工程样机的扫描镜速度稳定度带入仿真模型,仿真结果表明：测试误差增大5.67 μrad,达到了像元角分辨率的1/4。在光学测量系统的系统设计时,需要考虑像元分辨率及扫描镜稳定度的综合影响,选用合适的扫描镜稳定度要求,使测量角分辨率满足用户需求。     

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。     

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。     

Degradation of modulation transfer function in push-broom camera caused by mechanical vibration

It is important to analyze the degradation of the image quality caused by camera vibration in order to determine the tolerance of stabilization in satellite attitude. An improved model for calculating the modulation transfer function (MTF) of a push-broom CCD camera is proposed, and two kinds of experiment systems are constructed to measure the degradation of the MTF caused by vibration. The calculated MTF values with respect to low- and high-frequency vibration agree with the experiment results, indicating that the model is valid for studying the stabilization of satellite attitude.     

全景式航空遥感器TDI CCD精密装调必要性分析及实现方法

为保证全景式航空遥感器的成像质量,对其TDI CCD精密装调展开了研究.首先介绍了全景式航空遥感器及TDI CCD的工作原理;然后对TDI CCD时间延迟积分方向与摆扫像移方向夹角引起的TDI CCD调制传递函数的下降展开理论研究,计算结果表明全景式航空遥感器TDI CCD必须进行精密装调;最后给出了全景式航空遥感器TDI CCD精密装调的实现方法.装调结果表明,该方法可达到很高的装调精度,当级数为200级时,装调误差引起TDI CCD在乃奎斯特频率处的调制传递函数下降为0.999 9,完全满足全景式航空遥感器的使用要求.     

基于光学相关的空间相机像移测量方法研究

为了测量由卫星姿态不稳定或振动等原因引起的空间相机的亚像元像移,使用了光学联合变换相关的方法对安装在相机焦面上的辅助面阵CCD采集到的相邻两帧图像进行相关运算.给出了使用该方法测量像移的原理,提出对联合变换相关器的输入面采用拉普拉斯卷积核进行边缘锐化,对功率谱相减并以0值进行二值化的处理方法提高像移测量准确度,并使用该方法对不同信噪比下的不同景物进行了像移测量仿真.结果表明:对于信噪比SNR=1的输入图像,当像移范围在 0~55个像元内时,该方法的像移测量误差小于0.2个像元.     

Image improvement based on sub-pixel post-integration for a staring imaging system in geostationary orbit

This paper proposes the post-integration technology based on sub-pixel image registration and image fusion to improve the signal-to-noise ratio （SNR） of remote sensing images without motion degradation caused by satellite vibration. A two-dimensional vibration system is set up to simulate satellite disturbance. Image sequences with different exposure times are captured using a high-speed CMOS camera. The displacement plots are compared with the motion data measured by the grating linear encoder. These plots indicate that the accuracy of the registration algorithm is better than 0.1 pixels. The sub-pixel image fusion shows an improvement in image quality, thus indicating that this technology is powerful for staring imaging systems in geostationary orbit.     

从Pleiades剖析新一代高性能小卫星技术发展

综述了著名的新一代极限性能高分辨小卫星Pleiades,说明了该卫星的技术特点,同时给出了其关键技术指标,并且有针对性地剖析了Pleiades在多星组网轨道设计、一体化超分辨焦平面设计、一体化综合电子学设计及敏捷姿态控制系统设计等方面所采用的先进技术和设计理念。在此基础上,提出了适应我国国情的小卫星新技术发展方向,包括CMOS TDI模式成像技术、高动态范围视频成像技术、基于可重构模块的柔性化集成技术、基于软件总线的星载软件设计技术以及星载一体化设计技术等,为今后我国研发具有更高的地面分辨率、在轨成像效率和成像质量的新一代高性能小卫星提供了新的思路。     

用于实时数字稳像的灰度投影算法研究

基于灰度投影算法构建了一个实时数字图像稳定系统，阐述了灰度投影算法应用于数字稳像的基本问题.深入分析和研究了算法在稳像系统中的中值滤波、区域选择、参考帧选择等优化问题.该系统的硬件由振动平台、光学镜头、CCD、图像采集卡和计算机构成；软件编程基于DirectShow平台，通过Visual C++实现.通过对稳像试验结果的定量评价与分析表明，该灰度投影稳像算法具有简捷、快速、准确的特征，是实现摄像机实时数字稳像的一种切实可行的方法.     

卫星振动频率和振幅对高光谱成像质量影响的仿真分析和实验研究

在星载推扫式高光谱成像仪成像过程中,卫星平台以振动为典型形式的姿态运动会导致探测器上不同的地物信息相互混叠,引起高光谱图像质量的退化。为了更有效地抑制、校正与补偿卫星振动引入的成像误差,针对典型色散型推扫成像光谱仪受平台振动而产生的空间维、光谱维质量退化的机理进行仿真分析和实验研究。通过分析其曝光时间内的光谱混合过程,得到了地物光谱和卫星姿态之间的关系,建立了推扫光谱成像退化模型。该模型综合考虑了不同姿态振动模式的影响,只要给出每个时刻的卫星平台姿态参数,即可通过普适的系数矩阵计算得出每个混合像元的平均混合比,进而获得仿真的退化高光谱数据立方体。详细推导了平均混合比的一般表达形式,对振幅、频率等振动参数对光谱混合的影响分别进行了定量分析。以实际运动状态下拍摄获得的高光谱数据立方体为例,进行了退化仿真和地面模拟运动退化实验,并对退化前后的高光谱数据进行了评价。结果表明,退化仿真和实际退化效果吻合,平均混合比能够直接反映高光谱图像退化的程度;卫星振动造成高光谱图像空间维质量恶化,使不同地物目标的光谱发生了混叠;高光谱数据的退化程度主要由振幅决定,振动频率对退化的影响较小。