基于CCD场输出模式下成像系统设计

采用SONY行间转移型面阵CCD ICX415AL作为传感器件,设计了一种新型的CCD成像系统,成像系统采用CCD信号专用芯片CXA1310AQ进行信号处理.使输出信号满足模拟信号PAL/CCIR标准,可以采用电视机或者配有视频卡的计算机作为显示终端.在介绍CCD ICX415AL的结构和特点的基础上,完成了时序电路和驱动电路的设计,CCD工作模式为场输出模式,可以理解为垂直方向的binning技术,并采用相关双采样(CDS)技术滤除了视频信号中的相关噪声,提高了系统的信噪比,整个系统采用现场可编辑门阵列作为核心器件,通过自上而下的模块设计.完成了CCD驱动时序,数据采集时序控制和视频信号简单处理.     

大口径离轴长条形反射镜的检测支撑机构

针对大口径离轴长条形反射镜光轴水平向检测的需要,设计了一套检测支撑结构。优化了结构参数,实现了由支撑结构引起的镜面面形误差最小化。通过比较长条形反射镜光轴水平向检测支撑的级联多点支撑结构,选择了结构简单、扩展性和调整性优良的两点单层固定支撑结构。利用集成仿真与优化方法,分析计算反射镜镜面面形误差随支撑间隔的变化趋势,确定了最优支撑间隔。最后,利用干涉仪结合补偿器的检测方式,对不同支撑间隔工况下镜面面形进行检测,验证了仿真分析的可靠性。结果表明:在支撑间隔为564mm时,由检测支撑引起的镜面面形误差最小(RMS=8.26nm),干涉检测得到的镜面面形误差随支撑间隔的变化趋势与仿真得到的趋势相符,仿真结果可靠性高。提出的方法可实施性好,可推广到其他大口径离轴长条形反射镜的设计和检测中,为离轴三反(TMA)相机的设计提供技术基础。     

基于特征提取的红外与可见光图像融合

为提高红外与可见光图像融合的效果,加快融合算法处理速度,提出了一种基于特征提取的图像融合算法。改进了数学形态学中的顶帽运算,用于提取源图像的特征图像及背景图像;设计融合规则,对特征图像及背景图像分别进行融合处理;最后重构得到融合图像。另外,对本文融合方法的参数选择进行了分析,并且设计了适用于背景图像融合的自适应加权融合规则。实验表明,该融合方法能有效获取源图像的特征信息,提供丰富的背景信息,运算速度快,易于硬件实现。     

基于退化模型的图像渐晕处理技术

针对反射镜拼接光学系统中的图像渐晕问题进行讨论,从几何光学角度分析了反射镜遮挡导致的部分光线无法在像面上成像出现的能量损失问题,对渐晕能量分布进行了定量分析。根据分析结果,提出了一种适合反射镜拼接渐晕的退化模型,采用最速下降法进行模型参数的求解,推导了Hesse矩阵的相关参数,较好地解决了不规则曲面拟合的问题,进而实现了拼接渐晕的处理。实验结果表明:文中方法能够有效地估计退化模型的相关参数,处理后图像的信噪比提高了至少15 dB,有效地去除了拼接带来的渐晕失真,且达到实时应用的要求,具有广泛的应用价值。     

空间反射镜轻量化结构的拓扑优化设计

为满足较高面形要求,实现空间反射镜的高度轻量化设计,在直径500 mm 圆反射镜的设计过程中引入拓扑优化方法.依据变密度法建立SIMP模型,在反射镜光轴方向重力的工况下,以结构整体柔度为设计约束,最小体积为设计目标,经过选代,得到了RMS值小于5nm,轻量化率达到75.83%的结构.在同等质量下,传统的三角形孔轻量化结构的RMS值为8.17nm,轻量化率为67.39%.并对优化后的结构与三角形轻量化结构在径向重力工况下进行了面形对比,计算结果满足设计要求.拓扑优化的轻量化方式在面形和轻量化率上都优于传统形式.     

低温反射镜组件结构设计与支撑特性分析

红外光机系统在低温环境工作能够抑制背景噪声提高探测灵敏度,也提高了反射镜组件结构设计难度。低温反射镜支撑结构设计主要问题是由反射镜与连接件热线胀系数不同导致的温度变化工况下的面形变化。对工作于240 K的?450 mm反射镜组件进行结构设计,反射镜材料为SiC,连接件材料为殷钢,采用背部中心单点支撑形式与三角形轻量化形式,并设计柔性连接件提高低温面形表现。对主要设计参数进行优化分析,得到各参数对面形的影响曲线。优化后,反射镜光轴方向重力面形为8.585 nm,径向重力面形3.710 nm,240 K低温面形5.086 nm,一阶模态277 Hz,轻量化率89.4%。     

负压吸附式环形气垫导轨的计算方法

根据负压吸附导轨的工作原理,利用流体力学的性质,系统地建立了导轨的承载能力和气膜厚度的数学模型,得出4个结构参数、气源气压与承载能力和气膜厚度的关系。最后通过实验证明了该导轨气膜厚度在1～3μm时,刚度稳定,最大变化量约为10%,且计算刚度与试验刚度的误差小于12%,能够适用于高精密器械的移动元件或承载元件。     

空间相机碳纤维框架的设计与优化

设计了一个应用于轻小型空间相机的碳纤维框架。根据光学系统中各光学元件的空间分布特点,通过比较选择结构性能和工艺性能优异的M40J碳纤维复合材料完成了相机框架的结构设计,并使用TC4预埋镶嵌的方法解决了碳纤维框架接口精度低的问题。对碳纤维框架进行区域划分,采用集成仿真与优化设计方法、遗传算法全局寻优与单纯型下山法局部寻优的组合优化策略对碳纤维框架各区域结构参数进行优化设计。经过优化,碳纤维框架包含TC4预埋件的总质量为15.6kg,仅占相机整机质量的18.4%,相机的一阶频率达104.8Hz。最后通过力学环境试验得到相机整机一阶频率为102Hz,与仿真结果相符,进一步验证了设计的合理性和正确性。文中提出的碳纤维框架方案对轻小型空间相机设计有一定的借鉴意义。文中所采用的优化方法可广泛应用于空间相机光机结构设计中,能大幅度提高设计效率,缩短研制周期。     

小型CMOS相机系统设计及其硬件实现

采用MT9V032型CMOS数字图像传感器设计了一款完整的小型化、低功耗相机.基于初级像差理论,设计了焦距为12.95mm、F数为5的光学系统.该系统体积小、结构紧凑,在空间频率83线对每毫米处,各视场调制传递函数均优于0.5;电子学系统以现场可编程门阵列作为时序控制平台,控制CMOS输出数字视频信号,数字视频信号通过差分芯片以低压差分信号格式输出到图像采集卡,最后在计算机上成像.实验结果表明,这种相机像质良好、功耗低、移植性强、可靠性高.当时钟为26.6MHz时,帧频为60帧/秒,并可通过调节内部寄存器的值实现多种模式,特别适用于对相机体积以及成像质量要求较高的场合.     

大口径空间相机像质的微振动频率响应计算

由于大口径空间相机对空间环境变化和卫星内部振源引起的微振动十分敏感,本文研究了影响成像质量的微振动频率响应的计算方法,以改善相机的在轨动态成像质量。该方法通过实际光学模型取代线性光学模型,建立微振动光机集成模型,从而计算影响成像质量的微振动频率响应。首先,建立大口径空间相机有限元模型,进行结构频率响应计算,得到采样频率点的光学表面节点位移和相位。然后,通过蒙特卡洛分析方法,建立微振动光机集成模型,以均方根光学系统动态传递函数和视轴漂移衡量大口径空间相机动态成像性能。最后,研制了大口径空间相机力学样机,对其进行了振动试验,验证了有限元模型的正确性。试验结果表明仿真结果与试验结果接近,误差均在5%以内,满足大口径空间相机动态成像质量分析的要求。