航空相机的像旋转特性分析及其补偿方法

航空相机在多航迹成像方式中,随着45°反射镜绕光轴旋转对物进行扫描,物体反射像也将绕光轴进行旋转,为此必须采取消除像旋转的措施来保证成像质量.为阐述产生像旋转的原因,分析了扫描反射镜的像旋转特性;并在探讨消除像旋技术理论的基础上,提出了一种反射镜与探测器同步转动消除像旋转的方法.在多航迹工作方式中,此方法为相机扫描机构连续扫描成像提供了必要条件.利用此方法还改进了以往步进式扫描机构的惯量大、扫描效率低的问题,并在实际工程中得以应用和证明.试验结果表明,该方法的同步旋转误差小于1/3像元,能够获得良好的图像效果.     

航空相机的像面旋转特性分析

航空相机利用45°反射镜绕光轴旋转对地物的扫描进行多航迹成像,45°反射镜绕光轴旋转时,物体反射像也将绕光轴进行旋转,造成像面信息无法配准,为此必须采取适当的措施来消除像旋转,保证相机成像质量。从产生像方旋转的原因出发,基于光学反射成像理论,通过实例分析,归纳总结出扫描反射镜、光学成像物镜、折返镜对航空相机像面旋转特性的作用和影响,给出判断像旋转方向的一般方法,并以此为补偿像方旋转的理论依据,提出了一种新型的补偿方法。通过地面试验,获得了完全消除像旋转的图像信息,结果表明：该方法的同步旋转误差造成的最大像移量小于1／3像元,能够获得良好的图像效果而没有模糊,验证了像方旋转理论的正确性,及其补偿方法的可行性和实用性。     

应用于多元探测器遥感仪的45°二维扫描镜像旋分析

航天遥感仪器中,为扩大观测范围通常采用45°反射镜扫描方案。当扫描反射镜绕轴旋转对物进行扫描时,随着反射镜的转角不同,物体反射像也将绕观测轴进行旋转。在采用多元探测器的遥感仪器中,焦平面上所成的像不允许产生像旋,否则会使各个像元所对应的视场无法配准。因此研究相应的像消旋方法,消除45°反射镜带来的像旋转,使其在采用多元探测器的遥感仪器中更好的发挥作用,已是一个十分迫切的问题。对扫描反射镜转动时,多元探测器不同像元的像旋进行分析,为像消旋提供一种方法。     

星载TDICCD 相机方位扫描像移模型研究

在应用坐标系变换方法实现星载TDICDD 相机星下点扫描像移模型的基础上,将45旋转扫描反射镜（以下简称45镜）用于TDICCD 相机成像以扩大扫描视场。首先深入分析了45镜的成像特性及K 镜消像旋的原理,并利用Matlab 对K 镜消像旋效果进行仿真,验证了加入K 镜的合理性。然后利用45镜及K 镜对光矢量的转换矩阵,建立了TDICCD 相机方位扫描时的像移模型,为后续像移分析提供理论依据。     

消除45°旋转扫描反射镜像旋转系统的研究及应用

研制了在宽波段范围内采用“Ｋ镜”来消除４５°旋转扫描反射镜像旋转的系统,并进行了理论上的推导和海洋卫星水色扫描仪的实际应用,证明该系统能很好地消除４５°旋转扫描反射镜产生的像旋转,从而提出４５°旋转扫描反射镜加“Ｋ镜”消像旋转的新扫描方式     

带摆镜的二维扫描制冷红外光学系统设计

带摆镜的像方扫描光学系统通常只在一维方向扫描成像,当摆镜在二维方向摆扫成像时,摆镜方位俯仰耦合运动带来的对光轴指向、光斑尺寸、成像性能等影响不能忽略。分析了不同的摆镜扫描光学系统的基本形式,并对像方摆镜扫描光学系统二维摆扫带来的影响进行了分析。对内轴为方位、外轴为俯仰的像方摆镜在不同的二维摆扫角度下的入射光轴指向和窗口处光斑尺寸进行了理论计算,提出了二维像方摆镜扫描光学系统设计与分析方法。利用Zemax建立了二维像方摆镜扫描光学系统模型,仿真分析了不同方位俯仰摆扫角度下的成像性能、光轴指向以及窗口挡光情况。在不同方位俯仰角度下,光学系统在17 lp/mm处MTF均大于0.4,窗口极限挡光小于21.4%。     

空间相机用摆镜的轻量化优化设计及其对像质的影响分析

提出了一种空间相机用摆镜轻量化优化设计方法,并对尺寸为360 mm×560 mm的空间相机用摆镜进行了轻量化优化设计。以镜体厚度、切角大小、镜面厚度和轻量化筋的厚度为设计变量,以最小重量为设计目标,以面形峰值(Peak Value,PV)和均方根值(Root-Mean-Square,RMS)不大于55 nm和11 nm为边界条件进行了优化,并将整体反射镜重量从初始模型的4kg减到了1.72 kg(其面密度为8.0 kg/m~2)。然后以微重力变形条件下的最小面形为目标,对轻量化处理后的反射镜进行了侧边支撑点位置优化,其面形PV为54 nm。采用有限元分析方法对反射镜在微重力、旋转惯性和温度载荷条件下的变形及反射镜模态进行了计算和校核,其结果均满足空间使用要求。最后采用光机热集成仿真方法对空间环境条件综合作用下产生的变形对像质的影响进行了分析。结果表明,由于该空间相机用摆镜产生变形,摆扫式光学遥感器系统的传递函数下降,在70 lp/mm处由设计值0.735降至0.703,相对降幅约为4.4%,满足设计要求。     

天文望远镜无偏消旋镜装调方案设计及验证

地平式天文望远镜在跟踪观测过程中,因方位轴与地球自转轴不重合及库徳光路中的折轴反射镜在望远镜跟踪过程中相对转动,会引入物方及像方视场旋转。传统的消旋K镜可以消除视场旋转,但会带来较大的仪器偏振,不利于望远镜实现高精度偏振测量。无偏消旋镜由5块反射镜组成,通过优化设计可以保证在消除像旋的同时减小仪器偏振,但其不规则的结构设计使装调过程面临新的挑战。针对无偏消旋镜提出双光路自准直装调方案,基于MATLAB仿真分析了镜面误差及光轴偏差对装调结果的影响,并对无偏消旋镜进行实验室装调及偏振检测。结果表明:无偏消旋镜经装调后倾斜误差可控制在15 arcsec以内,其仪器偏振明显低于传统K镜。     

45°旋转扫描镜多元并扫的红外图像校正建模与仿真研究

对某遥感卫星红外扫描成像仪45°旋转扫描镜多元并扫成像中产生的图像像旋现象进行了分析,构建了图像校正模型。阐述了像旋产生的机理及图像校正方法。通过对遥感图像的仿真分析,初步验证了地面软件消像旋方案的正确性与可行性。     

45°旋转镜加K反射镜扫描特性讨论

讨论了采用４５°旋转镜加Ｋ反射镜实现多元扫描的可行性。分析表明该扫描模式虽然可以消除单独４５°旋转镜带来的像旋转问题,但只能在严格保证初始同相位、转速稳定时才能实现,且存在偏振较大的问题,建议采用时应特别慎重     

60°二维指向镜的面阵相机几何模型标定方法

三轴稳定静止轨道面阵相机需要对一定视场内的目标进行搜索和跟踪,常采用二维指向镜与面阵探测器结合的"凝视"成像的技术方案。但是具有二维指向镜的面阵相机像面存在畸变和像旋等问题,影响目标跟踪定位精度。对60°二维指向镜的面阵相机进行了畸变校正和像旋校正,提出基于内外方位元素结合的几何模型实验室标定方法。通过对指向镜法线、南北轴、东西轴的共计13个误差项进行解算优化,平均误差为0.74像元,满足实际使用需求。     

激光扫描成像中旋转多面体的分析计算

对旋转多面体激光扫描成像系统作了理论描述及定量分析。为了保证扫描像点处于同一平面,将多面体置于成像物镜之前,当激光束以相对于光学系统光轴为2α角入射时,确定了入射光在多面体反射面上的位置、多面体中心转轴以及光学系统光轴三者之间的相对位置关系。推导了系统光学扫描角、扫描效率和入瞳漂移等参数的数学公式,分析了它们与入射光直径、入射角、多面体几何尺寸等因素之间的变化关系。结果表明,为减小系统的入瞳漂移和增大扫描效率,应以较小的入射角入射;进行系统设计时,若给定扫描角,扫描效率一般选择在0.4～0.7范围内较合理。     

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。     

宽角航空侦察CCD相机设计

提出了一种新的宽角航空侦察CCD相机的设计方案.由光学转筒和反射镜旋转装置组成相机的基本结构,光学转筒被安装在与航向平行的位置上,反射镜被安装在光学转筒内与航向垂直的位置上.在航空侦察过程中,相机通过旋转光学转筒获取具有一定重叠率的局部图像序列,并分别由光学转筒和反射镜旋转装置补偿由滚动和俯仰姿态扰动产生的像移,提高单幅图像的质量.与传统的航空侦察相机相比,采用这种方案的相机具有体积小、视场宽、分辨率高和重叠率可调等优点,并且无需额外的姿态扰动像移补偿装置.最后,利用某次飞行测试中的三航道图像来验证方案的可行性.结果表明,该方案可以满足航空侦察大视场、高分辨的要求.     

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。     

CT fan beam reconstruction with a nonstationary axis of rotation

To reconstruct an image using computed tomography (CT), the axis of rotation must pivot at the same point on the reconstruction plane that the X-ray source and the CT detector assembly rotate about around the imaged object. This pivot point is used as a reference point for backprojecting pixel values to their proper coordinates. Reconstructing an image with a nonstationary axis of rotation would backproject pixel values to incorrect coordinate points. A convolution filtered backprojection algorithm has been derived for correcting images that were acquired with a nonstationary axis of rotation using the fan beam geometry with a collinear (flat) detector. The correction method accounts for the vertical displacements of the axis of rotation as the CT scanner rotates around the imaged object, as may be the case when sagging occurs. Software simulations are performed to show how the algorithm corrects for the shift in the axis of rotation     

MEMS二维静电驱动扫描镜设计和分析

给出了一种静电驱动二维微扫描镜的设计和制造方案,所设计的扫描镜具有绕X轴和Y轴转动的两个自由度,并具有体积小、功耗低、频率高等优点。推导了镜面旋转角表达式并分析了吸合效应。利用POL YMUMPS工艺完成了对扫描镜的加工,并着重分析了关键工艺步骤。结合有限元分析软件,对微扫描镜的频率特性以及静态旋转特性进行了分析和研究。分析结果表明,在120V和160V的电压下,扫描镜可分别产生沿X轴方向的±5.0°和沿Y轴方向±4.4°的偏转角。优化后的扫描镜能够工作在单频率状态下,具有较高的响应速度。     

基于地球椭球的离轴式双线阵相机像移补偿

离轴反射式双线阵立体测绘相机的视轴和光轴分离,由于地球为椭球体,视轴和光轴对应的地物点的距离随星下点与升交点的地心角而变化。而成像传感器与光轴垂直,对视轴对应的地物点成像,这些因素导致离轴反射式双线阵立体测绘相机的像移速度和偏流角随离轴角等变化。在对离轴反射式空间相机的成像原理进行分析的基础上建立其等效简化模型,推导了基于地球椭球的离轴反射式双线阵立体测绘相机的像移速度和偏流角计算公式。并以某离轴反射式双线阵立体测绘相机为例,对正视相机和后视相机统一调整行周期与偏流角对成像质量的影响进行分析。分析结果表明,以调制传递函数下降不超过5%为约束,当积分级数大于4 时应分别调整正视相机和后视相机的行周期。统一调整偏流角时应以正视相机和后视相机偏流角的均值为准,积分级数应取89 以内。