嫦娥一号卫星干涉成像光谱仪电子学设计

介绍了嫦娥一号卫星用于获取矿物光谱信息的干涉成像光谱仪电子学系统设计.概述了电子学系统的技术指标、系统组成、工作模式、外部接口和设计原则,详细描述了焦平面组件设计、视频处理和时序控制组件设计和EMC设计,给出部分正样产品实物照片以及地面实验和在轨飞行图像.各项地面试验和一年的在轨飞行结果表明该设计达到了预定的技术要求.     

“嫦娥一号”上的科学探测仪器

“嫦娥一号”上搭载了8种24台件科学探测仪器，重130kg，即微波探测仪系统、γ射线谱仪、X射线谱仪、激光高度计、太阳高能粒子探测器、太阳风离子探测器、CCD立体相机、干涉成像光谱仪．     

星载差分吸收光谱仪噪声分析及处理方法

噪声对星载大气痕量气体差分吸收光谱仪信噪比具有重大影响,其是衡量光谱仪成像质量和痕量气体反演能力的标准。为量化并去除光谱仪系统噪声从而提高信噪比,分析了光谱仪噪声来源并给出了相应噪声模型,在此基础上建立了光谱仪信噪比模型。研究了入射光强度、积分时间和系统增益对系统信噪比的影响。通过光谱仪辐射定标试验数据对不同工作模式和不同参数与信噪比的关系进行了对比验证。并提出主要系统噪声的处理方法：利用线性拟合取截距法确定系统偏置噪声;在地面利用暗电流温度相关性获得温度修正因子实现载荷在轨暗电流校正;在探测器响应线性范围内利用两点校正法对PRNU噪声进行修正。结果表明：全幅成像模式下,可见1通道电子学偏置噪声响应DN值2 625,可见2通道电子学偏置噪声响应DN值2 763;暗电流噪声在CCD成像面温度高于0 ℃时占主要部分,温度下降至-20 ℃时其余噪声起主导作用,验证了CCD最佳制冷温度;光谱仪信噪比随着入射光响应和积分时间的增加而增大,系统增益不会影响信噪比;PRNU噪声通过校正得到明显改善,由3.32%下降到0.47%,提高了光谱仪成像质量。该噪声分析和处理方法对后期光谱数据的痕量气体反演提供帮助。     

像增强器在高速成像应用中的高重频特性

为了解决像增强器在高重频下的成像应用问题,建立了像增强器高重频特性成像实验平台,并开展了ICCD相机双帧成像与曝光时间、双帧延迟时间之间关系的实验研究.实验结果表明ICCD相机第二帧成像问题是由第一帧曝光时像增强器饱和造成的,增大CCD的AD采样增益可避免灰度值反转现象和"浮雕"效应.本文研究可为像增强器在高重频条件下的成像应用提供理论和实验依据.     

干涉成像光谱仪CCD象元响应非均匀性校正研究

在阐述一般成像系统中CCD象元响应非均匀性校正的原理与算法的基础上,通过对星载可见光干涉成像光谱仪CCD象元响应非均匀性校正的相对辐射定标原理及所获定标数据的深入分析,研究出了一种适于对可见光及红外干涉成像光谱仪系统CCD象元响应非均匀性进行校正的方法,有效解决了干涉成像光谱仪系统探测器阵列非均匀性校正这一工程技术难题.     

大孔径静态干涉成像光谱仪曝光时间控制技术

为了克服不带电子快门的CCD成像探测器曝光时间无法控制的问题,提出了改变驱动时序的设计方法.在帧频确定的情况下,通过在水平读出之后增加电荷释放状态,将一帧之内多余时间段的电荷迅速排放掉,可以有效地控制CCD曝光时间,并克服CCD最小曝光时间为水平读出时间的问题.实验结果表明,大孔径静态成像光谱仪系统的抗饱和性能得到了很好的改善且此方法的非线性度为4.61%.     

实体Sagnac干涉仪的设计

以嫦娥一号卫星干涉成像光谱仪为例,介绍了Sagnac干涉仪的设计思想,共光路及横向剪切原理、剪切量的计算方法以及干涉仪分束面上分束区与透射区的设计.该Sagnac横向剪切干涉仪作为嫦娥一号卫星干涉成像光谱仪的核心部件,经检测与在轨运行,表明设计正确,经受了包括月食低温在内的各种恶劣的航天环境的考验,获得了大量清晰的月表多光谱图像.     

基于数字微镜器件技术提高面阵CCD相机动态范围的研究

提出了一种采用数字微镜(DMD)器件作为SLM调制面阵CCD的设计方法.解决普通CCD相机在拍摄高反差场景时,图像上出现过曝光或欠曝光,造成丢失细节的现象.该方法通过场景预测成像,确定CCD按多曝光区域的划定和曝光时问.利用DMD微镜凋制功能,实现CCD分区分时曝光.同时设计一种图像数据结构提高了面阵CCD动态范围.实验证明,该方法不但提高了成像质量,高亮和背光处细节可清晰地表现.而且增强了图像数据的动态范围.实现了实时获取高动态范围、高质量的图像及数据,不再需要软件"融合".     

CCD成像电子学单元光电参量测试系统

针对空间光学相机重要组成部分的CCD成像电子学单元的光电参量测试需求,介绍了CCD成像电子学单元光电参量测试必要性,提出了对CCD成像电子学单元光电参量进行系统测试的试验方案,并设计、研制了测试装置。对于该装置进行了系统调试与标定,得到单色仪波长定标系数为1.003 29,并对CCD成像电子学单元辐射性能测试中积分球的稳定性及均匀性进行了测试,测试结果满足要求。通过标准探测器标定待测探测器,得到待测探测器的相对光谱响应度。整套装置满足测试要求。     

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...     

Analysis of a moderate resolution Fourier transform imaging spectrometer

A moderate resolution Fourier transform imaging spectrometer based on a modified Michelson interferometer is presented. The moving part of the interferometer is a moving wedged prism (MWP) instead of a moving mirror. The principle of the interferometer is described and the optical path difference as a function of the displacement of the MWP is calculated. Theoretical calculation and analysis are presented for the two moveable directions (hypotenuse and right angle side) of the MWP. The modified Michelson interferometer is not so sensitive to the non-uniform variation of moving speed and the environmental vibrations compared with the conventional Michelson interferometer. It is compact and has a large numerical aperture. The interferometer facilitated by CCD camera and the accompanying digital hardware and software are becoming the imaging spectrometer with moderate resolution is applicable in ultraviolet-infrared region.     

基于在轨成像物理机理的立体测绘相机建模与仿真

基于在轨成像物理机理的立体测绘相机成像建模与仿真综合考虑了大气辐射传输、卫星运行平台、光学系统成像、相机辐射响应等各个环节,采用数值模拟技术进行精确建模,可用于进行成像过程端到端的完整分析,评估成像系统设计可行性及成像质量。本文以可见光立体测绘相机为例,采用高精度高、分辨率地表物理模型作为输入源,首先结合立体测绘相机内外方位元素计算正视相机和前视相机CCD光敏面各亚像元区域中心的观测向量,然后根据目标相机的成像参数得到地面目标在相机入瞳处的辐亮度,最后通过光线追迹算法和光学系统点扩散函数模型计算探测器靶面的辐通量,经由探测器辐射响应模型得到数字影像。实验结果表明,正视相机几何物理模型定位精度达124 m,前视相机定位精度达193 m,能够较为可靠地模拟出立体影像,模拟方法可行。     

基于迈克耳逊干涉仪的空间调制型干涉成像光谱仪

试制了一台基于迈克耳逊干涉仪的空间调制型干涉成像光谱仪原理样机。样机将迈克耳逊干涉仪光路中的一面反射镜偏转一个小角度,使经两平面镜反射后的两束光波面之间产生一维连续的光程差,在图像传感器的像面上形成空间调制干涉条纹,构成空间调制型干涉成像光谱仪。一系列原理验证性实验表明:光谱仪原理正确可行,实验结果与理论相符,并且具有高通量,高信噪比,大视场和体积小,重量轻的优点。     

TDI CCD立体相机内方位元素测试技术研究

依据星载单镜头TDICCD立体相机立体成像及测绘要求,结合普通测绘相机内方位元素,提出了星载单镜头立体相机内方位元素由焦距、主点位置、立体成像角(前后视交角)、图像畸变等元素组成。给出了立体相机内方位元素测试的方法,针对立体相机成像特点给出了计算内方位元素的算法,对其进行了实际测量和验证,其测量结果符合设计要求。     

神龙一号参数测量用高速两分幅相机

采用长焦距镜头的后工作空间全口径分光原理,利用门控型像增强器、CCD相机、基于大规模可编程集成电路的高速快门控制触发系统等部件,研制了具有较高时间分辨能力和高灵敏度的两分幅高速相机,并在此基础上建立了束参数的高速测量系统。两分幅相机的最高快门速度约3 ns,幅间间隔时间则具有以0.5 ns的步进进行调节的能力;快门时间及幅间间隔时间可以分别独立调节,最大可到1 s;同时具有较好的线性度和空间响应的均匀性,等效背景噪声低到约5 electronspixel-1s-1,并且分幅相机灵敏度调节范围大。该系统一次可以拍摄两幅图像,图像阵列可达到1 0241 024,满足神龙一号的各种测量要求。     

极紫外平场光栅光谱仪的研制和性能测试

研制了一台高分辨率极紫外光谱仪,用于磁约束等离子体诊断。采用一块具有平场特性的全息球面变线距光栅作为分光元件,光栅公称线密度为1 200 lines·mm-1,掠入射角为3°。一台可深度制冷、背照式面阵CCD作为光谱探测器,用机械快门控制曝光时间。通过CCD在光谱聚焦面的移动,可以记录的光谱范围为5～50 nm。用Penning放电光源测试了光谱仪的性能; 利用光源的标准谱线,进行了波长标定,波长精度为0.003 nm,并计算出系统各参数的实际值;当入缝宽度设置为30 μm时,在20 nm附近,光谱分辨率达0.015 nm,达到设计指标。     

单目多视点立体图像提取及应用

设计并实现了一种基于广角相机和平面镜的单目多视点立体图像摄像系统,给出了硬件装置的设计指标和优化方法;同时,在研究了硬件系统的标定方法基础上,实现了其在三维测距方面的应用。多枚平面镜构成的对称斗型腔体被放置在广角相机前面,物体光线经过不同平面镜反射后,投影到相机图像平面的不同区域,在相机投影平面上生成物体多个影像,形成单目多视点投影图像。该类图像等价于视点不同的多幅图像,可以使用多视点立体视觉算法实现三维测量。     

时空分辨平焦场光栅谱仪

 利用2 400 lp/mm或1 200 lp/mm的平焦场光栅谱仪、门控宽微带X光单分幅相机及可见光CCD记录系统建立了一套时空分辨平焦场谱仪X光谱诊断系统。介绍了该谱仪系统的结构、工作原理和实验调试方法。利用该谱仪在星光激光装置上进行了时间分辨铝等离子体发射谱线的实验测量，获得了清晰的时间分辨铝等离子体谱线。在神光Ⅱ装置上初步观测到了时空分辨铝样品吸收谱，谱分辨为0.02～0.05nm。     

Use of a wide angle CCD line camera for BRDF measurements

In order to determine the Bi-directional Reflectance Distribution Function (BRDF) of natural surfaces a CCD line camera is used. This allows measurements under natural conditions with a high azimuth and zenith angular resolution in a short time. The CCD line spans a field of view of 80° as the zenith angle range. For covering the azimuth range, the camera is mounted on a rotating device and an extendible boom provides an aerial platform. This set up allows the measurement of the [almost] complete reflectance distribution of the surface below the camera for the 30-s rotation period of the camera. The camera used for this set up is the wide angle airborne camera (WAAC), which was developed at the DLR for airborne stereo imaging purposes. This paper presents the radiometric calibration of the system and shows the initial results of our approach in measuring the BRDF with high angular resolution for a short period.     

大孔径静态干涉成像光谱仪中双通道Mach-Zehnder横向剪切干涉仪的设计

大孔径静态干涉成像光谱技术是一种时空联合调制的傅里叶变换成像光谱技术,其核心元件通常采用Sagnac横向剪切干涉仪。这种结构会使进入干涉仪的光线有一半沿原路返回,降低了能量利用率。文章提出一种改进型Mach-Zehnder横向剪切干涉仪结构,克服了能量利用率低的缺点,在实现横向剪切的同时,还具有双通道输出的优点。本文通过光线追迹的方法,得到剪切量的一般表达式,并分析了各种误差源对剪切量误差的贡献。为大孔径静态干涉成像光谱仪的设计提供了新思路,可为该类型的成像光谱仪的设计与优化提供理论指导。