推扫式线阵TDI CCD扫描调制传递函数分析

 根据线阵TDI CCD离散采样的特点,以采样间距内成像调制度均值为基础,构建了推扫成像模式下线阵TDI CCD扫描方向的调制传递函数。该调制传递函数的数值分析表明：对于像元为10 μm的线阵TDI CCD,行转移驱动时钟相数为4, 3或2时,Nyquist频率处调制传递函数值分别为0.363,0.333或0.255;行频误差为1%及3%时,不同积分级数下调制传递函数变化曲线表明,增大行频误差及增加积分级数将使调制传递函数值减小,图像分辨率降低。成像实验结果符合所构建调制传递函数的定量分析结论。     

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MTF的时间延迟积分CCD成像系统同步误差分析

通过像移调制传递函数MTF分析了TDI CCD行扫速率与运动像不同步时对相机成像质量的影响。为验证速度失配对TDI CCD相机成像质量的影响，针对应用环境，利用高对比度靶标对TDI CCD动态成像进行了仿真实验和动态测试，结果表明，在奈奎斯特频率范围内，只要将相机动态成像系统的同步误差控制在±2%的范围内，并使图像时钟处于连续多相的工作方式，就可以基本上消除同步误差对成像质量的影响。     

高速多光谱 TDI CCD 成像电路系统

为实现多光谱TDI CCD的高速高信噪比成像,利用可空间应用的多光谱TDI CCD传感器研制出了高性能成像电路系统。该系统以现场可编程门阵列（ FPGA）为核心逻辑单元,带有RS422外围通信控制接口,并采用CAMERALINK接口输出图像数据。系统具有动态推扫成像的能力,可同时输出全色和彩色两种模式的图像数据。利用灰度条纹的靶标对传感器的3个多光谱（ R、G、B）感光区标定白平衡,利用彩色条纹的靶标对系统进行成像测试,在驱动频率为15 MHz的情况下,系统单片CCD输出的图像数据率达到1.2 Gbps。试验结果表明,获取全色图像的信噪比达到了53.56 dB,各多光谱图像的信噪比较高的也在40 dB以上,满足空间对地高分辨多光谱遥感成像的技术指标要求,对高速空间多光谱遥感相机的研制具有借鉴意义。     

探月光学

介绍了我国首次绕月探测嫦娥一号卫星的主载荷CCD立体相机与干涉成像光谱仪的原理、设计思想、技术措施与特色、设计结果以及在轨图像质量评估与检测. CCD立体相机采用一个广角物镜加一块面阵CCD的独特技术方案,从而使立体相机具有结构紧凑、小型轻量、配准精度高、航天环境适应性强等优点. 4种曝光时间与4种电子学增益共16组合,可以实现同轨不同纬度的曝光量调整. 干涉成像光谱仪采用了大比尺缩小的图像传递、2×2像元合并、矩形孔径光阑、2种曝光时间与3种电子学增益共6种组合的在轨曝光量调整等技术措施. 在轨运行表明,各项技术措施有效,达到了预期目标.     

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。     

光学双向推扫空间相机的设计与实验

对于搭载单向积分TDI探测器的推扫式空间光学相机,探测器的积分方向是限制卫星敏捷机动任务规划的一项重要限制。利用在光学系统中加入法线方向与光轴成一定角度的平面镜可以改变系统物像正倒关系而不影响光程及像质的特点,设计了光学双向推扫系统。为了验证其方案的合理性,设计并装调了光学双向推扫相机工程样机。对该相机进行外景成像实验,成像实验结果与预期一致,光路切换效果明显,验证了其适应两种飞行方向的能力。总结工程样机研制过程,提出了后续需要考虑的问题,为后续光学双向推扫相机在型号上应用打下基础。     

适用于推扫式成像光谱仪的CCD拖尾扣除方法

拖尾(smear)现象是面阵CCD器件的固有问题。在推扫式成像光谱仪中,拖尾对成像的作用形式较为特殊,传统的扣除方案已不再适用,急需新的适合这一应用场合的方法。通过建立光谱仪中拖尾现象的数学模型,分析并仿真了常规拖尾扣除方法的失真问题,提出了适合推扫式光谱仪器的新方法。新方法使用已知图像信息估计景物的光谱分布,以此计算光学暗行通道所代表的拖尾信号在每个应用通道中的贡献,进而实现拖尾现象的扣除。遥感图像处理结果的较为理想的LSF表明,新方法效果良好,适用于推扫式成像光谱仪中CCD拖尾现象的扣除。     

星载微光立体成像技术及实现

为了监测夜间和晨昏时段的低云大雾,实现云的三维立体成像,对微光立体成像的关键技术进行了研究。首先,介绍了微光立体成像原理,分析了成像需要解决的宽视场覆盖和多镜头布局。然后,介绍了实现微光探测需要解决的低照度成像技术及其实现方法。最后,针对观测目标照度变化较大的问题,提出了动态范围拓展技术,介绍了后期数据处理中的云雾监测技术。仿真计算结果表明：采用电子倍增CCD（EMCCD）探测器和推扫扫描成像模式、集成探测器组件以及多台相机拼接方案可有效实现微光立体成像,相机扫描幅宽超过2800km;高程分辨率〈817．7m。提出的成像技术可在低照度条件下监测低云大雾,获取高分辨率的三维立体云图,满足气象海洋探测的需求。     

TDICCD亚像元技术应用于小相对孔径光学系统

TDI CCD器件和亚像元成像技术都是实现相机小型化的有效途经,TDI CCD器件和亚像元成像技术结合应用于小相对孔径光学系统具有重要的应用价值.就成像系统需要满足Nyquist频率处静态传函≥0.2条件对系统进行了分析、讨论,并就设计中引入信噪比指标提出了一点建议.     

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。     

TDI线扫相机光学通道建模与仿真

卫星相机建模与仿真研究不论在民用还是军事领域都具有重要的理论研究和实际应用价值。根据TDI线扫相机的工作原理建立了一个TDI线扫相机光学通道的数学模型,该模型包括从景物到TDI CCD离散图像的几何投影关系和能量传递关系两部分,对于确定的成像系统,给定景物参数和光学系统参数,就可以确定对应图像传感器上的离散图像。为了验证模型,对一幅卫星图像进行了计算机仿真。建立的模型可以用来研究当成像条件改变时对图像的影响,进一步还可以用来发展虚拟卫星相机系统。     

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 %。     

基于TDI-CCD的高速小目标交汇测量系统

介绍了TDI CCD图像传感器的工作原理和成像特点 ,提出了基于TDI CCD的交汇测量系统 ,初步分析了该交汇系统行扫描速率和目标运动速率的同步控制问题。同一般线阵CCD组成的交汇测量系统相比较 ,TDI CCD构成的交汇测量系统能够提高探测灵敏度、扩大动态探测范围、增大信噪比 ,从而大大提高系统对目标的捕获几率。同时亦可减小照明光源的亮度及功耗。对大靶面、高速小目标物体运动轨迹的精密测量具有重要意义。     

大视场宽谱段高分辨率分波段机载紫外-可见光成像光谱仪设计

紫外-可见光(200～500 nm)成像光谱仪是空间遥感的重要组成部分,本文基于机载紫外-可见成像光谱仪的特殊性和实际应用要求,提出了一种采用面阵CCD的摆扫式成像光谱仪,这样既克服了传统线阵CCD摆扫式成像光谱仪空间分辨率低的缺点,同时又弥补了推扫式成像光谱仪视场范围有限的缺点,能够满足大视场、宽谱段、高分辨率成像光谱仪的应用要求;此外,考虑400～500 nm波段中200～250 nm波段二级光谱的影响和<290 nm的短波区和>310 nm的长波区两个波段相差3个数量级的辐射波动,采用了分波段、分系统的方式独立进行消杂光光谱成像。在系统结构设计方面,本着高性能、低成本的设计理念,选用了两镜同心系统作为望远系统,Czerny-Turner平面光栅结构作为成像光谱仪系统的光学设计方案;设计了一种不使用任何辅助光学元件,全部采用球面镜结构的成像光谱仪。整个系统结构简单、紧凑,性能优良, 可行性好。全谱段、全视场调制传递函数值在0.6以上。     

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。     

星载微光成像仪CCD像元异常响应动态检测与校正

地球的夜间微光信号强度是白天反射的可见光强度的百万分之一，星载微光CCD成像载荷像元响应特性的微小变化将显著影响成像质量。针对CCD推扫式载荷在轨响应特性的分析表明，异常响应导致微光图像中出现多条强弱不一的沿轨亮线，且具有数量时变性、位置随机性和响应非线性的特征。针对异常响应校正中无统一参考目标以及像元响应差异的非线性问题，提出了一种空间域松弛匹配而辐射域严格映射的修正方法。通过计算沿轨方向像元辐射均值的相对偏差，利用直方图分析确定亮线检测阈值并实现自动检测。在此基础上，针对每一条亮线采取先建立参考辐射值、后排序映射的方法实现亮线校正。为验证算法效果，分别选取包含海表、沙漠、湖冰、大雾和冰川等5种典型均匀场景的微光观测数据进行测试。测试结果表明，校正处理后图像中亮线基本消失，整体非均匀性相对改进44%、强亮线非均匀性相对改进60%,典型暗背景图像的信噪比由2提升至4.2。该方法具有逐像元实时检测与校正的特点，适用于无星上定标装置的推扫式CCD光学遥感卫星业务化辐射校正处理。     

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。     

遥感相机自动检焦技术研究

将基于图像处理的自动检焦技术应用于线阵CCD推扫成像的空间遥感相机中。图像法检焦的关键在于对焦评价函数的选取。通常对焦评价函数是在摄影目标不变的情况下得出的,而推扫成像的线阵CCD相机在任意时刻所拍摄的景物都是不同的,这就给对焦评价函数的选取增加了难度。用功率谱的方法对任意景物在空间频域进行分析表明,功率谱对于自然景物具有一定的不变性。由此建立了基于功率谱的对焦评价函数,采用小波去噪与亮度归一化相结合的图像预处理技术有效地去除了图像噪声和亮度变化对对焦精度的影响。通过对功率谱评价函数进行加权处理,提高了对焦评价函数曲线的灵敏度。仿真实验表明了所构造的对焦评价函数是可行的。