基于速度矢量模型的圆轨道空间相机偏流角实时补偿

偏流角是影响线阵CCD 相机推扫成像性能的重要因素。为实现在轨有限计算资源环境下偏流角的快速计算,根据圆轨道卫星飞行与地物随地球自转的速度矢量运动关系,建立了适用于圆轨道正视与前后视成像的偏流角模型,给出卫星飞行过程中星下点相对地物的运动速度矢量作角向振动的数学表达式。根据该模型提出基于旋转CCD 方式的偏流实时补偿方案,并搭建偏流校正成像模拟平台进行了实验验证。仿真和实验表明,速度矢量模型具有更高的计算效率,计算精度和稳定性与坐标变换模型和轨道要素模型一致,能够将偏流导致的图像MTF 下降抑制到5%。该方案适用于 TDICCD 相机与三线阵CCD 立体测绘相机的偏流实时调整机构开发工作。     

影响TDICCD相机成像质量的因素分析

在高分辨率TDICCD相机的成像过程中,偏流角和速高比的变化都会影响相机的成像质量。根据卫星的运动状态,分别推导了偏流角和速高比的表达式,并分析了由其引起的附加像移。结合实际的卫星轨道参数,详细计算了偏流角和速高比随纬度的变换规律以及它们在不同积分级数下引起的像移对相机像质的影响程度,给出了像移调制传递函数大于0.95时允许的最大偏流角和相机侧摆角度。结果表明,随着积分级数的增加,由偏流角和侧摆引起的像移对相机像质的影响越来越大,当积分级数N=32、MTF_(像移)>0.95时,允许的最大偏流角和侧摆角度分别为0.62°和29.5°.     

偏流角对空间相机影响研究

研究了卫星运行中偏流角对TDICCD相机像质的影响.根据卫星运动状态,推导了偏流角的具体变化形式,以及由其在穿航方向和沿航方向引起的相机像移和由此造成的像质退化调制传递函数(MTF).并针对高度为500km的圆形卫星轨道,定量计算了偏流角导致的像移对相机像质的影响程度.结果表明:偏流角在赤道附近最大,随着纬度的升高,偏流角呈非线性减小.并且,由它引起的像移在穿航方向对相机像质的影响远大于沿航方向.对于给定的轨道参数,偏流角最大值约为3.7°,当积分级数为32时,由其引起的像移调制传递函数接近于零,严重影响了相机的成像质量.为此,提出了使用二维摆镜和调整焦平面方向两种实时补偿偏流角影响的方法.     

离轴三反大视场空间相机像移速度场模型

大视场空间相机在轨成像期间,由于地球自转、卫星姿态机动和颤振等因素导致焦面像速场呈非线性各向异性分布。为此提出了一种新的基于刚体运动学的像移速度场建模方法,考虑离轴角参数,推导了离轴三反大视场空间相机的像速场解析式。以某大视场空间相机为例,分析了侧摆成像时同速与异速像移速度匹配模式对相机成像质量的影响。分析结果表明:以传函下降5%为约束,侧摆15成像时,当积分级数大于10级时应采用异速匹配模式,积分级数为32级时,异速匹配相比于同速匹配使焦面动态MTF从0.340 8提高到0.970 2。当积分级数确定为16级时,侧摆角在12.3以内时可采用同速匹配模式。在轨成像结果证明了像移速度场模型的准确性,可为大视场空间相机像移补偿提供可靠依据。     

新型空间相机偏流角调整方法

针对目前国内光学成像侦察卫星成像模式单一、对曲线条带状目标侦察效率低下的现状,开展了以相机实时像移补偿技术为基础的一种新型空间相机偏流角调整方法的研究。介绍了新型空间相机偏流角调整方法的原理,并设计了一种可使空间相机实现实时像移补偿的偏流调整机构。区别于传统的TDI-CCD拼接后整体旋转调偏流方式,该机构实现了TDI-CCD分片旋转调偏流,以达到空间相机实时像移补偿的目的。最后,进行了偏流机构传动精度分析与测试,分析与测试结果均表明:所设计的偏流调整机构传动精度高,结构系统响应速度快,可满足相机敏捷成像侦查任务。     

空间相机中的偏流角分析

高分辨率星载TDI-CCD相机在成像过程中,偏流角会对相机的成像质量产生影响.因此根据卫星轨道方程给出了偏流角和偏流角角速度随纬度变化的具体形式,基于此分别研究了偏流角在卫星穿航方向和沿航方向引起的像移量和它对相机成像质量的影响.结果表明,偏流角是纬度的函数,由它引起的像移在穿航方向对相机像质的影响较为严重,必须加以校正.并针对极地圆轨道详细计算了像移对像质的影响程度和在MTF偏流角＞0.95的情况下偏流角需要调整的最小时间间隔.     

高分七号双线阵立体测绘相机系统集成与测试

2019年11月3日发射的高分七号立体测绘卫星搭载了前、后视两台高分辨率遥感相机，分别从前、后两个方向对地面同一景物进行不同角度的观测，从而形成立体测绘影像。在立体测绘相机的实验室研制阶段，需要确保双线阵相机的线阵水平、共焦一致性、内方位元素与畸变的高精度测试。为了满足高分七号双线阵相机上述技术指标的要求，采用了计算机辅助焦平面快速装调方法以及高精度内方位元素与畸变测试方法，所用方法提高了装调与测试效率，保证了测试精度，相机共焦性优于±0.04 mm，线阵水平优于±1′，畸变测试精度优于2.3 μm，可为其他大比例尺测绘遥感相机的研制提供参考。     

九谱段离轴长线阵相机视轴建模分析

常规的视轴测试采用单台经纬仪读取俯仰绝对数值的定位方式,探测器的线阵、视轴平行于整星坐标系+Y、+Z方向。区别于常规测试,离轴相机视轴不再遵循探测器视轴与基准镜平行的原则,并且整星坐标、立方镜坐标及视轴线阵三者是空间分离的,因此提出了一种新的测试方法,实验前需要将视轴调整到相机坐标系理论位置,并且四色与五色线阵平行。借助于钻模支架,利用经纬仪分别将相机视轴和整星坐标引出到相机立方镜a和钻模立方镜b,通过立方镜坐标系的方向余弦矩阵,将相机视轴引出到整星坐标。对视轴精度以及九谱段线阵多维定位进行分析,给出实验采集的图像。结果表明,视轴矩阵满足要求,定位引出方法合理可行。     

面阵CCD航测相机像移补偿技术研究

航空相机在拍照瞬间由于飞机的飞行运动和姿态变化而产生像移,要提高照相分辨率必须通过像移补偿来实现。采用在相机与飞机间增设三轴稳定平台的机械式像移补偿法来补偿姿态像移和前向像移,三轴稳定平台的三轴按照与飞机姿态变化角速率相等、方向相反进行旋转补偿姿态像移,三轴稳定平台的俯仰轴以飞行方向反方向、角速率等于速高比旋转补偿前向像移,并采用坐标变换法计算像移补偿后的残差,通过分析面阵CCD相机像面各点在进行像移补偿后的像移残差均小于1/3像元,符合成像要求。     

数字域TDI CMOS相机调偏流方法

为了解决现有的机械式调偏流的像移补偿方法存在的,需要复杂的调偏流机构所带来的问题,提出一种适用于数字域TDI CMOS遥感相机的图像调偏流方法。该方法基于数字图像,通过配准图像像素在数字域对位累加来调整偏流角的失配量。最后为了验证提出算法的有效性开展了成像实验,结果表明在26.56°偏流角情况下直接成像的图像对比度传函为0.132 8,而应用图像法调偏流后提升为0.444 7,证明图像调偏流方法能明显改善成像效果,可行有效。该方法摆脱调偏流机械结构思路的限制,精度高而又简单易行,无需要任何附加硬件开支,有助于改进目前国内现有的像移补偿体系。     

多谱段相机红外光学系统杂散辐射分析

杂散辐射是影响多谱段红外相机成像性能的主要因素。为了确保系统在各种工作状况下正常运行,需要分析并抑制相机光学系统中的杂散辐射。在详细分析了其红外光学系统中杂散辐射主要来源的基础上,针对系统特殊的光机结构,在杂光分析软件中建立光机系统模型;围绕遮光罩选取了8个太阳方位、16个离轴角进行光线追迹,得到太阳杂光在像面上产生的辐照度,据此来评价系统杂散辐射水平;同时分析了指向镜滚动轴和俯仰轴在两个方位内的转动以及地球大气杂散辐射对像面辐照度的影响。最后,对于影响严重的杂散辐射,进行了有效的抑制措施。结果表明,可以忽略地球大气的杂散辐射,当太阳杂光入射角大于58时,系统能满足对像面辐照度的技术要求,多谱段相机红外光学系统可在此范围内正常工作。     

A wide-field relay optics system for the Caltech Submillimeter Observatory

Relay optics designed for use with imaging arrays at the Caltech Submillimeter Observatory are described. An off-axis ellipsoidal mirror with foci displaced from the conjugate planes is used to achieve a Strehl ratio >0.88 over a 2′ square field of view (corresponding to a far field of 15 × 15 diffraction beams) at a wavelength of 350µm. The mirror also provides an aperture-stop image just prior to focus which allows compact entry into cryogenic camera dewars. Using a compensating ellipsoid in subsequent camera optics, the Strehl ratio can be improved to >0.95 at all points across the field, even for off-axis chop angles of the telescope’s secondary mirror as large as 2′.     

航天TDI推扫式光学遥感器机动成像质量

从分辨率和辐亮度两个角度出发,对TDI推扫相机机动成像模式下的成像质量进行了分析。首先,提出了视轴追迹法分析计算TDI和线阵两个方向的分辨率,通过构建侧摆和星下点之间的坐标转换矩阵,得到不同机动角度下TDI和线阵方向的单位矢量,随后计算出这两个方向的单位矢量沿着视轴方向在地面的投影矢量,结合相机的参数和轨道高度、地球半径等计算出地面像元分辨率。同时根据卫星在地面的投影速率得到不同视场的积分时间,并分析以中心视场为积分时间基准下,边缘视场在不同TDI级数下的MTF退化情况。以某遥感型号为例进行了具体的分析计算,并根据MTF的退化情况对侧摆角度提出了要求,计算结果表明,边缘谱段在大侧摆下TDI级数为60时,MTF已下降为0,在轨使用时要慎重选用级数。然后,结合理论计算和在轨图像分析了了不同侧摆角度下大气对图像对比度的影响,通过分析表明侧摆会改变大气传输路径,从而影响目标的对比度,分析结果可以为后期的图像校正提供参考。     

大视场离轴三反光学系统设计

与传统折射光学系统相比,离轴反射光学系统具有小体积、轻量化和无色差等特点,因此被广泛应用于望远镜系统和空间观测系统等领域。随着目前自由曲面的广泛应用,首先分析了离轴三反光学系统的初始结构参数确定方法,然后在系统的主反射镜设计中引入Zernike边缘矢高形式的自由曲面,最终设计了一款有效焦距为700 mm,视场角为10°,F/#为4.5,系统总长为597.58 mm的离轴三反光学系统。该系统在71.4 lp/mm处各视场的调制传递函数(MTF)值均大于0.28,畸变均小于0.1%,结果表明,该系统在有效视场内成像质量较好。该系统的设计方法对类似的离轴三反光学系统设计具有一定的参考价值。     

一种红外相机的像面标定

本文通过对红外相机的光机结构、成像介质TDICCD的工作原理、成像原理的简单描述.从光学成像,机械装调的角度出发介绍了一种红外相机的像面标定方法,即相机通过离轴反射式平行光管对黑体上的目标直接成像,通过观察与CCD相连的示波器显示的电信号的幅值强弱来判定是否调准像面.经实际应用证明,该标定方法是一种切实可行的方法,适用于实际工程.     

离轴天线在卫星激光通信系统中的应用

现有卫星激光通信终端通常采用同轴两反天线结构,该结构存在接收视场小、发射效率低等缺点。为消除同轴两反结构存在的固有缺陷,提高卫星激光通信系统的瞄准和捕获效率,研究了利用离轴三反结构提高卫星激光通信系统的性能。首先根据基本像差理论,推导得到离轴三反光学结构的初始结构方程。利用离轴结构具有更多设计参量的优势,对离轴三反结构进行优化设计,给出了设计实例。计算机仿真得到的光学传递函数、点列图、衍射包围圆能量和波前误差等均表明:离轴三反结构与同轴两反结构相比,具有更加优异的性能,能够满足卫星激光通信系统不断提升的性能要求。     

成像光谱仪的离轴反射式光学系统设计

高分辨率成像光谱仪要求光学系统在宽视场和宽波段范围内具有高的空间分辨率和光谱分辨率。根据同轴三反光学系统初级像差理论计算初始结构,并分别将孔径光阑置于主镜、次镜和三镜焦点,通过光阑和视场离轴,设计了无中心遮拦的离轴反射式光学系统。其光谱范围为1.0~2.5 m,焦距f=1 600 mm,相对孔径为1/ 5,视场角为6.861.48,满足成像光谱仪宽视场、大相对孔径离轴三反消象散光学系统的设计指标。     

可见光全天时遥感相机光学系统设计

由于微光遥感可在夜间和晨昏时段等低照度条件下对地物进行探测,该遥感相机利用微光遥感与传统可见光遥感进行互补,实现可见光波段全天时对地观测。考虑系统长焦距（500 mm）、大视场（5°×2°）、大相对孔径（F数为3.8）、小型化、高光学效率等各方面因素,该遥感相机最终采用离轴三反结构形式,采用双探测器共光路、分视场形式实现微光、可见光探测器同时成像。对光学系统设计和成像质量进行了详细分析,传统可见光波段各视场MTF优于0.4@200 lp/mm,微光可见光波段各视场,MTF优于0.75@77 lp/mm,MTF接近衍射极限,结果表明:根据光学载荷研制发射流程,从加工、装调、一次调焦和不调焦四个过程详细分析了系统公差,给出了公差分配结果。此外,对该光学系统的可扩展性进行了分析说明。     

高分辨率空间相机俯仰成像的像移补偿方法

为了使高分率空间TDI（Time Delay and Integration） CCD相机适应卫星大俯仰姿态角,以增强空间遥感的时间分辨率,分析了卫星大俯仰姿态对高分辨空间相机成像的影响,使用光学投影方法,定性分析了俯仰成像时不同视场处的像移速度差异;根据TDI CCD工作方式,提出了横向像移图像生成原理,建立了横向像移图像的恢复模型,并完成了仿真验证和算法精度分析。分析结果表明:卫星俯仰姿态越大时,像面不同视场处横向像移速度差异增大;从仿真实验和精度分析可以看到俯仰成像时采用横向像移图像恢复方法可以得到无横向像移的图像,横向像移图像采集位数越高,恢复后的图像灰度值误差越小。横向像移图像恢复方法增强了空间相机对卫星大俯仰姿态的适应能力,极大地提高TDI CCD空间相机敏捷成像能力。     

空间激光通信离轴两镜反射望远镜自由曲面光学天线设计

同轴两反结构作为空间激光通信光学天线时常存在接收视场小、发射效率低等缺点。同时,因中心遮拦造成的能量损失,也会大大降低通信系统的瞄准和捕获概率。针对此缺陷,提出采用离轴两反天线结构并引入自由曲面设计以提高通信系统的性能。由初级像差理论推导得出离轴两反系统的初始结构,并采用Zernike多项式自由曲面面形,增加系统设计自由度,提高系统平衡像差的能力。给出入瞳口径与焦距相同的同轴两反和离轴两反系统的设计实例,并比较二者的光学传递函数MTF、点列图、衍射包围圆能量、波前误差等。结果表明:离轴两反自由曲面天线的像质明显优于同轴两反天线,因而该种天线结构的使用可提升空间激光通信系统的整体性能。