飞轮微振动对空间相机调制传递函数的影响

结合集成建模法和光线追迹法研究飞轮微振动对相机成像质量的影响.采用集成建模法,建立飞轮微振动的扰动模型、卫星和相机的有限元模型,进行瞬态响应分析,得到6个方向力或力矩单独作用下相机各反射镜随时间变化的位移.采用光线追迹法,由反射镜位移和入射光线,根据折射定律计算折射后光线的位置、方向及与光轴的夹角.由得到像面处的光斑坐标和位移,运用运动统计矩计算系统调制传递函数.结果表明:响应周期与激励周期无关;激励的作用时间长度和采样时间长度均会影响调制传递函数;不同方向振动激励造成的调制传递函数变化的大小不同,而不同方向对包含原光学系统的调制传递函数的影响类似仅振动对调制传递函数的影响;当振动分别作用My、Mz值时衰减最大,达到0.1左右.该方法较理论推导简便快捷,能获取微振动与调制传递函数的关系,为系统优化设计和隔振措施提供参考.     

飞船振动引起的空间相机像移模型分析

为了对由飞船振动引起的空间相机像移随时间变化规律进行分析,在NASA对Landsat-4卫星平台振动在轨测试结果的基础之上,提出了连续谱及各级非严格整数倍频谐波线性相加的焦面干扰力功率谱模型,推导出了相应的焦面干扰力时域模型,依据刚体运动学原理,建立了连续谱分量和各级非严格整数倍频谐波的线性相加的空间相机焦面像移模型。实验证明了由飞船振动引起的像移模型的正确性。     

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.     

基于时域集成分析的空间相机动态像移评估方法

建立了一种包括干扰模型、结构模型、光学模型及采样成像模型的时域集成分析方法,实现了空间相机从微振动干扰输入到图像输出的端到端系统集成仿真,并开发了基于MATLAB的数据转换工具,实现了结构分析与光学分析之间的序列数据传递。以某空间相机的地面微振动实验为例进行了时域集成分析,结果表明:在两种不同的成像模式工况下,该相机的动态像移统计最大值分别达到0.42 pixel和0.27 pixel,采样成像仿真得到的图像调制传递函数下降因子分别为0.951和0.974,与原始图像无明显的直观差异,为该相机微振动影响的有效预估提供了依据。     

热变形对低轨空间望远镜像质的影响分析

为了用空间望远镜实现衍射极限成像,有待解决的基本问题之一是光学表面热变形所引起的像质下降。热效应可以分为热浸泡和热梯度两类。一般来说,热浸泡主要引起焦距变化,且通常处于所允许的范围内;而热梯度则难以控制。重点分析了望远镜主镜轴向热梯度的影响,并给出了一些数值计算结果。     

线阵CCD相机细分采样成像的像质研究

从理论上推导了线阵CCD相机间歇细分采样和连续细分采样成像所得到的光电图像调制度和调制传递函数公式,并讨论了这两种采样方法对提高动态成像调制传递函数的不同效果,分析比较了它们的特点和工程应用的可能性.     

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.     

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     

微振动对空间光电载荷成像影响分析与验证

基于最小二乘法,利用面积加权的平均运动推导出了光学元件的表面平均刚体运动方程。基于微振动进行了光学系统调制传递函数(MTF)的影响分析,计算了相应的像移量及对应的系统光轴偏转角。利用刚体运动方程对频率响应分析数据进行了处理。根据系统光轴偏转角要求反推了光电载荷安装面的微振动量级要求。通过定频微振动实验实时测试了系统MTF。结果表明,分析结果与测试数据的误差均在20%以内,满足工程应用的要求,并验证了该计算方法的正确性。     

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。     

空间摄像机的热设计

根据空间摄像机的所处空间环境和结构特点,对其进行了热设计.采用被动热控措施进行热隔离和热疏导,充分利用了摄像机所搭载的卫星平台的热容;采用主动热控措施进行温差补偿,将温度拉平至热控指标范围之内.根据所采用的热控措施,针对空间摄像机进行了仿真分析,得到了满意的结果.     

空间相机自适应曝光

为实现空间相机的自适应曝光,提出了一种根据场景高亮度信息设置曝光参量的测光、解算、成像工作模式.在空间相机前加装大尺度面阵测光相机,在空间相机推扫某一区域前,测光相机首先采用预设的曝光参量获取该区域图像,实测当前区域的高亮度信息;再将该高亮度设为空间相机的饱和亮度,解算空间相机的曝光参量;随着卫星的转动,空间相机采用该曝光参量完成位置区域拍摄成像,实现空间相机的自适应曝光.地面验证实验结果表明:与采用固定的较小的曝光参量相比,本文方法可以减小欠曝光图像数量;根据某次实验结果统计,图像的灰度范围由37提高到253,图像熵显著提高.该方法能够根据当前场景内容充分利用成像系统的动态范围并提高图像的灰度层次和图像质量.     

空间相机热光学分析与试验验证

为了对空间高分辨率相机热设计提出准确的技术要求,基于光学波像差的基本理论,对某高分辨率空间相机的温度场进行热光学分析.在此基础上确定了热控指标,并在真空罐中进行热真空成像试验,验证了热光学分析的正确性和热控指标的合理性.结果表明:最佳焦面位置与相机温度水平的关系近似成线性关系,最佳焦面位置变化量约0.08～0.1 mm·℃-1|当温度水平在(20±1 )℃之间变化时,像面处在系统焦深范围内,系统传递函数变化量在0.02左右|当径向温差和轴向温差会大于2 ℃引起最佳焦面位置发生移动,若不调焦,传函会明显下降.     

多光谱遥感相机光学系统设计

设计了谱段位于450~900nm,焦距f=6 000mm,F数为10的大F数、矩形视场、长焦距的折轴三反光学系统.光学系统视场角为1.6°,光学系统的畸变优于0.5%,中心面遮拦为6%时,Nyquist频率(25lp/mm)处各谱段调制传递函数优于0.65,整个光学系统成像质量达到衍射极限.同时根据所采用的多光谱时间延迟积分CCD分析了相机各谱段的静态调制传递函数,可以满足多光谱遥感相机的设计使用要求.     

飞轮微振动与整星耦合特性参数补偿算法研究

为了提高飞轮与整星耦合特性影响成像像移理论预估的精度,提出了一种星上飞轮安装刚度和阻尼参数的数值补偿算法.首先,建立补偿算法数学模型,基于飞轮径向摇摆模态以及线性整星微振动传递函数模型,通过联合飞轮在专用测量平台上的扰振实测数据以及星上安装后所致成像像移实测数据构建优化函数,实现对星上飞轮安装刚度以及阻尼参数的补偿.其次,采用该算法对某型号卫星上的飞轮安装刚度以及阻尼进行了补偿和估计,最后对参数补偿前后的飞轮扰振所致像移分别进行理论预估与对比.对比结果表明:参数补偿后的预估像移数据较补偿前预估像移数据更接近实测像移数据且径向摇摆模态固有频率曲线更加明显,证明此参数补偿算法可行.本研究显著降低了整星微振动分析过程中飞轮在星上安装刚度与测试平台安装刚度不一致所带来的分析误差,为飞轮与整星耦合特性安装等效参数求解提供了一种思路.     

基于FPGA的空间面阵CCD相机驱动时序发生器与下位机的一体化设计

在分析e2v公司的CCD47—20 Backthinned NIMO型CCD器件驱动时序关系的基础上，结合空间面阵CCD相机电子系统的总体要求，完成了基于FPGA的驱动时序发生器与下位机的一体化设计。选用FPGA器件作为硬件设计载体，使用VHDL语言对一体化的时序与控制通信系统进行了硬件描述。针对ALTERA公司的FPGA器件EP1C6Q240C8对设计进行了RTL级仿真及配置，完成了一体化系统的硬件电路。硬件实验结果表明，所研制的基于FPGA的一体化的时序与控制通信系统不仅可以满足CCD芯片和视频处理的时序要求，还可以与CCD相机上位机进行可靠的串行通信，监测和控制相机的工作状态．