平面场景和建筑物成像的几何分析

为了识别采集图像中的平面场景以及建筑物,利用摄像机参数,对平面场景及建筑物成像过程进行了几何分析。首先,根据相机参数以及相机飞行状态分析平面场景成像畸变;然后,对平面场景上的建筑物形状的成像进行几何分析;最后,将相机上采集到的平面场景及建筑物的图像像素数与真实平面场景及建筑物的尺寸建立联系。实验结果表明:已知相机参数及飞行状态的情况下,可以对平面场景及建筑物形状信息进行推导,从而完成目标识别与跟踪。本方法适合在典型建筑物、孤立建筑物、建筑群中具有明显形状特征等情况下对立体目标进行自动捕获与跟踪。     

实现同步轨道(GEO)高分辨力对地观测的技术途径(上)

在地球静止同步轨道(GEO)上实现高分辨力对地观测,具有一系列独特优点,远为其它轨道所不及。然而,对于36000 km的远程高分辨力可见波段观测,要求望远镜必须具备20 m以上口径的主镜。传统的空间相机,如果要有如此大的口径,其总质量将超过1000 t,无法发射到GEO上。无支撑薄膜望远镜和大口径衍射望远镜,可以大幅度降低主镜质量面密度,从而降低整个相机系统的总质量,可算是一种极好的技术途径。分步发射与在轨装配,则提供了可供此类观测系统实施从地面转运到GEO的技术手段。基于变换成像原理的傅里叶望远镜,将高分辨力的取得,由增大接收口径转变为加大发射间隔,用大面积回波能量探测加上傅里叶分量重构,取代常见的目标图像直接探测,突破了远程高分辨力观测的致命瓶颈。近完美透镜为突破衍射极限提供了可能性,从而为超分辨力观测开拓出一片科学的新天地。负折射率材料(左手型材料)可制成完美透镜,而光子晶体是负折射率材料的热门选择之一,基于表面等离子激元(SPP)的光子器件则是其另一种选择。     

实现同步轨道(GEO)高分辨力对地观测的技术途径(下)

在地球静止同步轨道(GEO)上实现高分辨力对地观测,具有一系列独特优点,远为其它轨道所不及。然而,对于36 000 km的远程高分辨力可见波段观测,要求望远镜必须具备20 m以上口径的主镜。传统的空间相机,如果要有如此大的口径,其总质量将超过1 000 t,无法发射到GEO上。无支撑薄膜望远镜和大口径衍射望远镜,可以大幅度降低主镜质量面密度,从而降低整个相机系统的总质量,可算是一种极好的技术途径。分步发射与在轨装配,则提供了可供此类观测系统实施从地面转运到GEO的技术手段。基于变换成像原理的傅里叶望远镜,将高分辨力的取得,由增大接收口径转变为加大发射间隔,用大面积回波能量探测加上傅里叶分量重构,取代常见的目标图像直接探测,突破了远程高分辨力观测的致命瓶颈。近完美透镜为突破衍射极限提供了可能性,从而为超分辨力观测开拓出一片科学的新天地。负折射率材料(左手型材料)可制成完美透镜,而光子晶体是负折射率材料的热门选择之一,基于表面等离子激元(SPP)的光子器件则是其另一种选择。     

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。     

航天时间延迟积分CCD相机摆扫成像快速几何校正设计与分析

为实现在轨卫星机动成像条带的快速准确拼接和应用,针对高分辨力卫星在轨推摆扫相结合的机动成像模式,提出了一种光线追迹像移匹配数学建模方法。通过对卫星机动过程中的摆角变化、地球表面面型的影响分析,利用摆扫过程中姿态对地指向不断改变导致的交轨方向速度失配量和成像变形量,补偿相机像面各点处的像移量从而进行快速几何校正。利用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。分析结果表明,成像过程中随着扫描角的增加,像面上的像移量增大,成像变形情况也变严重。利用均方误差分析仿真成像与实验成像质量,仿真成像与实验成像相差-0.000011左右,较好地满足地面卫星相机成像仿真需求。对不同扫描角下存在速度失配的图像进行快速几何校正,该校正后图像的均方误差变小。该校正方法具有效率高,便于拼接应用的优点。     

TDI CCD成像电路系统响应模型的研究

为建立准确的时间延迟积分电荷耦合元件(TDI CCD)成像电路系统的响应模型,根据成像系统的信号处理流程,详细分析了CCD传感器、预放电路与视频处理电路等主要环节对系统响应的影响,并结合理论响应模型,针对实际的处理流程,建立了实际系统的理论响应模型。利用某航天相机TDI CCD成像系统进行了暗电流噪声、视频处理电路噪声等专项测试实验,并在不同的拍照参数与光辐射条件下进行了辐射定标实验,分析了具体的实验图像数据,采用最小二乘法的线性拟合与二次多项式拟合分别得到了系统响应的近似数学模型和高精度数学模型,拟合决定系数R2分别达到了0.992和0.9998。利用该响应模型可以准确计算卫星在轨拍照时地物的辐射特性,并为合理选择相机在轨拍照参数提供依据。成像实验表明,系统响应模型准确,参数设置合理,满足相机在轨拍照的任务要求,提高了相机在轨工作的效率。     

“NextView计划”与光学遥感卫星的发展趋势

美国国家地理空间情报局(NGA)发起的“NextView计划”是在“未来成像体系”(Future Imagery Archtecture,FIA)计划失败的背景下提出的。“NextView计划”由WorldView-1和GeoEye-1两颗商业光学遥感卫星组成。卫星的地面像元分辨力分别为0.5 m和0.41 m,是目前世界商业卫星中分辨力最高的两颗卫星。本文介绍了“NextView计划”项目实施的依据,描述了WorldView-1和GeoEye-1两颗卫星的技术指标、工作模式和特点,并对未来光学遥感卫星的发展趋势做出了预测,认为未来光学遥感卫星将向“更高、更快、更小、更准、更艳”的方向发展。     

平面场景和建筑物成像的几何分析

为了识别采集图像中的平面场景以及建筑物,利用摄像机参数,对平面场景及建筑物成像过程进行了几何分析。首先,根据相机参数以及相机飞行状态分析平面场景成像畸变;然后,对平面场景上的建筑物形状的成像进行几何分析;最后,将相机上采集到的平面场景及建筑物的图像像素数与真实平面场景及建筑物的尺寸建立联系。实验结果表明：已知相机参数及飞行状态的情况下,可以对平面场景及建筑物形状信息进行推导,从而完成目标识别与跟踪。本方法适合在典型建筑物、孤立建筑物、建筑群中具有明显形状特征等情况下对立体目标进行自动捕获与跟踪。     

实现空间高分辨成像的数字域时间延迟积分CMOS相机设计及分析

为使具有诸多优点的互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器更适合空间高分辨成像,寻求空间高分成像的新型技术,提出了更利于微光成像和推扫成像的卷帘数字域时间延迟积分(TDI)算法。同时研究数字域TDICMOS相机成像质量,详细分析了其噪声来源和特性,并建立了数字域积分图像信噪比(SNR)与积分级数的关系模型,讨论了积分时间和光照度对SNR的影响。最后利用设计的IBIS5-B-1300卷帘数字域TDI CMOS原理样机开展验证实验。实验结果表明本文算法能明显提高成像质量,数字域10级积分图像SNR由未积分的19.07dB提高至29.21dB,而且级数越大,SNR越大。理论分析和实验验证均表明M级卷帘数字域TDI可使图像SNR提高M(σAD+σCMOS)/(MσAD+槡MσCMOS)倍,其中σAD和σCMOS与选择的CMOS传感器有关,另外σCMOS还受积分时间和光照度的影响。