超敏捷动中成像高分辨率遥感卫星成像理论分析

对超敏捷动中成像遥感卫星角速度快（6（）/s）、角加速度大（1.5（）/s2）、成像参数随时空复杂多变等新问题,开展了超敏捷动中成像特点分析与成像参数仿真分析工作。构建了动中成像复杂模型,精确分析了动中成像合速度的变化规律。在此基础上,结合信噪比、调制传递函数（MTF）等计算公式,全面分析了不同成像条件下,动中成像系统的行频、TDI级数、姿态稳定度MTF、同步误差MTF、偏流修正误差MTF等随角速度的变化关系,为超敏捷动中成像卫星,尤其是卫星的成像电子学,提供了重要的设计依据。     

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。     

低轨凝视卫星动态跟踪对成像的影响分析

为实现凝视卫星动态跟踪清晰成像,建立了卫星对地实时跟踪成像的数学模型,推导了卫星凝视跟踪成像时本体坐标系相对轨道坐标系的姿态角和角速度的变化,设计了物像位置与速度矢量映射算法,搭建了焦平面像点与地面景物点位置与速度变化的一一对应关系,结合蒙特卡洛方法统计分析了动态跟踪成像过程中卫星的姿态变化及姿态动态跟踪精度对成像的影响。最后,利用CMOS相机和小卫星姿态控制系统全物理仿真平台对凝视成像进行了仿真分析。结果表明:卫星凝视成像过程中,像面存在卫星姿态变化及姿态动态跟踪精度引起的像在探测元上的驻留时间小于探测器的积分时间,分析及仿真得出,为满足驻留时间大于或等于积分时间的要求,仿真平台动态跟踪精度优于0.002(°)/s时,可实现500 km凝视卫星2 m分辨率动态跟踪清晰成像。     

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。     

微光ICCD相机的动态调制传递函数理论模型研究

在微光像增强型电荷耦合器件(Intensified Charge-coupled Device,ICCD)积分时间内,空间振动影响微光ICCD相机的成像,导致成像质量下降。对于振动环境下微光ICCD相机成像,采用动态调制传递函数(modulation transfer function,MTF)评价空间振动对成像质量影响。结合微光ICCD相机特有结构,提出微光ICCD相机的动态MTF理论模型,分析低频正弦振动及高频正弦振动中,振动幅度、振动周期、积分时间等不同因素对成像质量的影响。     

侧摆成像下多片TDICCD拼接相机分段异速研究

针对多片TDICCD拼接相机,为提高其在侧摆成像时的成像质量,减少系统设计难度,提出了不同成像加载参数时的行频调整模式。推导出相机侧摆时拼接TDICCD各像元的行频求解公式,建立侧摆角度与行频的关系式。以调制传递函数（MTF）作为评价相机成像质量的指标,详细分析在侧摆成像时对不同积分级数的分段异速调整方式。结果表明,侧摆成像时为满足系统对传递函数下降不超过5%的要求,侧摆角度越大,积分级数越高,行频调整越复杂,反之越简单。在积分级数不超过64级、侧摆角度不超过40°时,工作方式可以简化为按照相邻两片TDICCD同一行频工作,该结论对实际工程应用和设计具有指导作用。     

提高激光主动成像系统性能的匹配设计

光学系统及探测器的极限分辨率是影响激光主动成像系统分辨能力的主要因素,系统调制传递函数(MTF)是表征系统性能的重要指标。为了提高激光主动成像系统成像分辨率和MTF,分析了接收光学系统和探测器尺寸间的相互匹配关系,给出了光学系统参数的设计步骤,并对匹配条件和设计方法进行了实验验证。     

激光辐照条件下光学相机像质评价方法研究

倾斜刃边像分析法是调制传递函数评价方法中最常用的方法之一,该方法成像过程中光束透过能量高、实用性强,具有广泛的应用前景。将倾斜刃边像分析法应用于激光辐照条件下相机成像质量评价系统,分析方法可信有效,但需综合考虑刃边倾角度、刃边两侧灰度对比度和背景噪声等影响因素。采用倾斜刃边像分析法计算不同功率密度和光斑位置下系统不同的 MTF 曲线和 MTFA 值,结果表明:当激光功率密度偏小或光斑位置距刃边较远时,刃边对比度和MTF值影响较小;当激光功率密度逐步增大或光斑位置向刃边靠近时,局部MTF呈降低趋势变化,刃边对比度和MTF值影响逐渐增大,干扰效果也逐渐明显,尤其是在光斑覆盖目标时,MTF值无法计算,干扰效果达到最佳。因此,基于倾斜刃边像分析法可实现定性和定量评价光学相机成像质量。基于该仿真结果,建立相应的激光辐照条件下光学相机成像质量测评系统,可为光学相机激光辐照效应实验及其激光干扰效果评估提供技术支持。     

稳定平台对机载线阵相机成像质量的影响

在线阵传感器的航空摄影过程 中,飞机姿态变化会对成像造成影响,导致成像模糊。因 此根据航空投影的坐标变换方程,采用Monte Carlo算 法分析了曝光时间、稳定平台位置补偿残差以及角速度补偿残 差等参数对线阵相机成像质量的影响。结果表明,高性 能机载线阵相机必须配备高性能稳定平台;同时,灵敏度 高、曝光积分时间短的线阵探测器对于成像质量的提升 具有重要意义。     

星上TDI CCD相机成像工作模式的配置与管理?

为了解决星上TDI CCD相机成像工作模式较多、工作模式切换时间较长、配置效率较低等问题,提出了一种高效、可靠的成像工作模式配置和管理方法。首先,分析了星上TDI CCD相机成像单元的内部结构和工作特点;其次,针对成像工作模式中大量的轨道参数、姿态参数和时间参数,结合相应的图像数据提出了一种成像工作模式的有效管理方法;然后,对成像工作模式中比较重要的配置参数(增益、偏置、积分级数和行频)的配置过程分别进行了详细的介绍;最后,对五个增益配置点下TDI CCD相机的响应度进行了检测,同时在4级和8级的积分级数下进行了外场成像试验。实验结果表明:所提出的配置方法准确、可靠,TDI CCD相机响应度的线性较好,且外场成像质量较好、层次分明,实现了星上成像工作模式的有效、可靠的配置和管理。     

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。     

低照度宽幅航空相机系统设计

为了满足低照度环境下航空影像信息快速获取的需求,对一种低照度宽幅成像系统进行了研究。基于相机摆扫成像的工作模式,明确了采用大相对孔径低畸变的光学系统,配合真空制冷的低噪声高灵敏度CMOS探测器成像,并通过高速振镜进行扫描像移补偿的技术路线。详细阐述了相机机械构型的设计思路,总结了一套可工程应用的低照度成像能力计算方法。研究了振镜补偿像移的基本原理,并对相机主体框架进行了仿真分析计算。依据该设计和研究结果,完成了低照度宽幅航空相机的加工装配。该相机具有0.1 m （航高1 km）地面像元分辨率, 成像照度适应范围为10~100000 lx,并且在速高比≤0.04时,可实现3倍航高的大收容宽度。系统的成像质量优良,实测镜头在77 lp/mm时,中心视场传递函数大于0.45。实验室和外场飞行试验所获取的图像清晰,对比度和分辨率高,可以满足使用需求。同时,该相机实际包络尺寸为190 mm×140 mm×140 mm,质量仅为2800 g,具有轻小型的特点。     

Satellite image blind restoration based on surface fitting and multivariate model

Owing to the blurring effect from atmosphere and camera system in the satellite imaging, a blind image restoration algorithm is proposed which includes the modulation transfer function （MTF） estimation and the image restoration. In the MTF estimation stage, based on every degradation process of satellite imaging-chain, a combined parametric model of MTF is given and used to fit the surface of normalized logarithmic amplitude spectrum of degraded image. In the image restoration stage, a maximum a posteriori （MAP） based edge-preserving image restoration method is presented which introduces multivariate Laplacian model to characterize the prior distribution of wavelet coefficients of original image. During the image restoration, in order to avoid solving high nonlinear equations, optimization transfer algorithm is adopted to decom- pose the image restoration procedure into two simple steps： Landweber iteration and wavelet thresholding denoising. In the numerical experiment, the satellite image restoration results from SPOT-5 and high resolution camera （HR） of China ＆ Brazil earth resource satellite （CBERS-02B） ane compared, and the proposed algorithm is superior in the image edge preservation and noise inhibition.     

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。     

微纳卫星高分辨视频相机光机结构设计与试验(特邀)

针对20 kg级微纳光学遥感卫星微型化视频相机要求,详述了其光机系统的设计、装调和试验,以及所使用的集成优化设计技术。该相机采用卡塞格林结合校正镜的光学系统,包括两个反射镜和一个校正镜组,为了获得最优的力热稳定性,反射镜采用了碳化硅材料。首先,基于20 kg级微纳视频卫星的任务及总体设计,提出了其所搭载的视频相机的指标要求;然后,分别介绍了该视频相机光学和光机结构系统;为了进一步提高轻量化率,在满足光学性能要求的同时,利用光机集成优化方法进行了轻量化设计,优化后光机系统质量仅3.03 kg,整机质量仅4.76 kg,一阶基频120 Hz以上;最后,开展了系统装调和地面力学摸底试验,试验结果表明其动力学性能和稳定性良好。     

An attitude algorithm based on the band seamless splicing imaging for agile satellite

In order to realize fast maneuvering imaging of the target area with high resolution agile satellite, a new attitude matching algorithm is developed. A strict mosaic imaging model of ray trace and the velocity vector mapping are built according to the strip mosaic imaging principle and the relationship between imaging target and the camera focal plane. The three-axis attitude is deduced based on the principle of optimal tracking of the maneuvering path. Finally, the geometric scaling simulation is carried out through the time delayed and integration (TDI) charge coupled device (CCD) prototype system, satellite attitude control physical simulation platform and the LED earth target simulator. The experimental results show that the algorithm could realize the matching band seamless splicing imaging of the target very well, confirming the correctness of the algorithm.     

星载红外探测器快速反射镜控制系统设计

像移补偿是保证星载红外探测器成像质量的关键技术之一,针对某星载红外探测器光学系统的设计特点和成像工作模式,为补偿红外探测器在轨运行方向产生的像移和摆扫方向产生的像移,提出分别对俯仰方向快速反射镜和方位方向快速反射镜实施控制的方案。首先介绍红外遥感原理及像移现象;其次详细分析红外探测器光学系统的设计特点和光学系统组成;然后重点分析了红外探测器在轨工作中的像移产生的原因,并计算出在轨运行方向产生的像移量和摆扫方向产生的像移量;最后提出像移补偿方案,阐明其工作原理,并对像移控制系统硬件设计进行了详细分析。计算结果表明所设计的像移补偿系统的运动范围和运动加速度满足红外探测器技术指标的要求。