大视场空间相机像旋补偿机构及其优化设计

在对空间碎片进行分析研究中,大视场的天基目标探测载荷成为提高探测效率的有效方式,在实际成像过程中,由于曝光时间长,加上卫星自身在轨姿态的运动、二维转台的转动等因素,会导致空间相机在图像上产生像旋。通过齐次坐标变换法对像旋进行分析,得出相机存在±2′的像旋,并利用柔性单元和压电驱动器设计了一种新型无摩擦、无磨损、免润滑的像旋补偿机构,带动空间相机反方向的旋转对像旋进行补偿。然后对柔性单元应力和系统固有频率进行优化设计,推导柔度公式和精度公式,并对结果进行有限元仿真分析。结果表明:仿真结果与理论计算模型的最大相对误差均小于5%,该机构能够实现大视场空间相机的像旋补偿,并且具有较高的精度。

摆扫式面阵CCD航空相机的像旋转分析

航空相机在进行拍照时,通常采用45°扫描反射镜绕光轴摆扫或步进,进行多行迹摆扫式拍照,以增大对地面景物的观测范围,但当扫描镜绕光轴旋转对物体进行观测时,物体反射像也将绕轴进行旋转,目标相对探测器(CCD)产生了像旋转。通过运用光线矢量与光轴旋转变换的方法,建立了相机的数学模型。根据该模型,针对扫描反射镜旋转所产生的像旋转,利用光学矩阵建立了扫描镜转角与像旋转角之间的关系,对比各种消除像旋方法的优缺点,提出了采用扫描镜与像面旋转机构同步旋转结合的方法实现消除像旋,为工程设计提供了必要参考。

摆扫式航空遥感器像旋补偿方法

针对航空遥感器前端扫描反射镜旋转带来的像旋,提出了一种焦平面与扫描反射镜同步旋转的消旋方法。利用矢量法对像旋的方向进行了详细计算,得出消旋方向与扫描反射镜旋转方向相反的关系,提出了一种双轴系齿轮联动、双电机伺服控制的消旋方法,该方法精度高、像旋残留少,并对轴系的回转精度、齿轮的传动精度、双电机的伺服控制精度进行了检测。检测结果表明:轴系的回转精度为0.8″,齿轮的传动精度达到34″,双电机伺服控制精度优于1′。试验结果表明,用此种方法进行消旋,像旋的残留仅为0.03 mm,经过某项目成像验证,得到的图片便于拼接应用。

航空相机像旋补偿双向控制中的内环补偿器设计

为解决航空相机摆扫成像过程中存在的像旋问题,采用四通道双向控制系统对像旋进行补偿。在系统中,基于鲁棒内环补偿器结构进行了内环补偿器设计。首先利用H∞混合灵敏度优化方法求解鲁棒内环补偿器中的鲁棒控制器,再结合参考模型确定系统的滤波器,进而得到系统化设计的内环补偿器。保证系统鲁棒稳定性的同时尽可能提高干扰抑制性能,进而在两者间折衷提高双向控制像旋补偿精度。实验结果显示,本方法能够有效抑制等效干扰的影响,提高消旋补偿的精度。动态扫描下位置补偿误差的最大值和均方根分别为(1.81×10^(-3))°、(5.224 74×10^(-4))°,与传统设计相比,补偿误差分别减小了41.99%、41.73%,提高了四通道双向控制系统的像旋补偿精度。

“HY—1A”卫星海洋水色扫描仪像旋转图像校正处理

"海洋1"号("HY—1A")卫星海洋水色扫描仪由于K镜的失效而出现了像旋现象,对获得的卫星图像质量产生直接影响。基于光学反射矢量理论,分析了多元探测器并行扫描方式下45°扫描镜加K镜的扫描轨迹特征,利用图像之间的相关性,首先自动寻找K镜停转的准确角度,然后根据K镜的停转角度与多元并扫理论对像旋图像进行了校正处理,获得了可用的校正图像。

大口径像旋补偿系统的分析与设计

由成像系统和可控扫摆镜组合的具有周视功能的系统常出现像旋现象,根据反射棱镜具有调整光轴和引起像旋的性能,将不同的组合结构设计成像旋补偿系统,以相互抵消的方式来消除像旋的影响。利用平面反射镜组合代替反射棱镜的方式,消除棱镜加工等实际因素对通光口径的限制。根据反射棱镜转动定理分析扫摆镜产生像旋的原因,举例说明反射镜组合能够解决大口径扫摆光学系统的像旋问题。

基于柔性铰链的像旋补偿机构设计与分析

针对空间相机系统的像旋问题,利用柔性铰链设计一种新型的像旋补偿机构,通过带动空间相机旋转进行像旋补偿;根据柔性单元的结构特性建立柔性单元的理论计算模型,通过有限元仿真,计算多组不同结构参数的柔性单元的变形,根据理论模型分析柔性单元变形与各结构参量的关系,最终确定柔性单元的几何参数,并对其进行有限元仿真。结果表明:仿真结果与理论计算模型的最大相对误差均小于5%,验证了理论计算模型的准确性;该机构能够实现空间相机转角为-3′~3′的像旋补偿,并且控制精度较高。

一种像旋扫描变焦红外光学系统

基于光学消像旋原理，研究了通过像旋扫描以扩大光学系统视场的途径，并建立了一个设计模型。该模型是一个三次成像的变焦结构，采用了别汉棱镜作为一维扫描器件，为保证不同温度时的成像质量，使用了主动消热差技术。系统采用了480×6的线阵长波红外（7．7～10．3μm）探测器，F数为2．6，线阵长度为12．29mm，通过像旋扫描获得了半径为探测器线阵长度的圆形总视场，并采用倾斜和偏心探测器的方法实现了冷光阑匹配，其视场为4．4°／17．6°，对应焦距为320／80mm。系统除别汉棱镜外采用了九片透镜，其中3个非球面。系统在全视场范围内具有接近衍射限的像质。

航空光电成像像移与像旋运动补偿控制技术综述

本文从控制的角度综述了大视场、高分辨率需求下,航空光电成像系统像移与像旋运动补偿控制技术的先进技术及研究进展。结合像移与像旋运动补偿控制发展趋势,将其分为单一执行器补偿控制和多执行器协同补偿控制两大类。对于单一执行器补偿控制,从控制照准架、控制光路折转、控制成像介质运动的三个角度进行了总结;对于多执行器协同控制,从指令协调、机械联动和多执行器信息交互三个角度,对协同补偿控制方案进行了梳理和分析;最后从五个研究方面对像移与像旋运动补偿控制的难点和未来发展趋势进行了展望。研究结果有助于航空光电成像领域学者快速全面的了解像移与像旋运动补偿控制的研究现状和发展趋势,为进一步提升航空光电成像装备的综合性能提供有益借鉴。

像旋扫描在红外成像系统中的应用研究

分析了采用像旋扫描原理扩大视场的途径,并建立了一个二次成像结构的设计模型。采用别汉棱镜作为像方一维扫描器件,并通过偏置致冷型中波红外探测器,实现了光学系统出瞳与冷光阑的完全匹配。此外,采用光学被动消热差以保证不同温度下的像质。该模型的相对孔径为1:3,波长为3.7～4.8μm,焦距为34mm,视场为±20°。通过采用8片透镜(2个非球面),在全视场范围内获得了接近衍射限的像质。

反射式探测系统中数字消像旋的简易方法

当探测器置于旋转平台下方时,由于平台的旋转,在探测器像面上接收到的像将按一定规律作旋转运动.根据系统基本结构,分析了成像系统的光学传输成像模型,提出了数字消像旋的简易方法,对图像处理系统的实际输出结果进行处理,而不需要采用光学消像旋和电子图像消像旋等方法,提高了系统探测处理的实时性,降低了系统设计的难度,具有较强的实用性.

周视大像旋稳海天线方位截距补偿算法

为使两轴周视光电探测系统在三自由度扰动和大像旋条件下搜索并跟踪水面目标,在虚拟天际线焦平面像五自由度解析表达式基础上,推导出以目标像点和像旋中心线距离作为补偿截距的周视大像旋稳海天线方位截距补偿算法。通过对补偿截距与系统焦距的比值求反正切函数得到补偿角的绝对值,将目标像点和像旋中心点坐标转换到方位旋转坐标系下,并以转换后二者横坐标的代数差正负号作为补偿量的符号判据。该算法是在存在非线性大角度像旋情况下使目标像点逼近像旋中心线,与俯仰机构的向量角补偿算法联动能够使目标像点始终逼近焦平面原点。数学模型仿真验证了单次补偿能够将残差减小到1%左右,真实工况试验也验证了方位截距补偿算法的合理性。

周视大像旋稳海天线向量角补偿算法

为使两轴周视光电探测系统在三自由度扰动和大像旋条件下搜索并跟踪水面目标,在虚拟天际线焦平面像五自由度解析表达式基础上,推导出焦平面坐标系铅直轴的方向向量和该坐标系下海天出射平面法向量夹角的余弦表达式。该式求反余弦后减π/2,得到焦平面铅直坐标轴的方向向量和海天出射平面法向量小于π/2的夹角,该夹角的0.5倍作为俯仰反射镜的净作动量,目的是克服非线性像旋使包含目标信息的虚拟海天线的像线通过焦平面中心。该算法与方位补偿算法联动能够使目标像点始终逼近焦平面原点。通过数学模型仿真和真实工况试验都验证了俯仰机构位置环海天线向量角补偿算法的合理性。

像旋补偿系统快速微调机构的结构研究

针对大型天文相机在旋转方向上出现的像旋现象,用无摩擦、无磨损、免润滑、易维护、分辨率高的柔性铰链轴系设计了一种快速微调机构,使其直接带动相机进行机械消旋.柔性轴系由八个倒圆角柔性单元均匀阵列分布组成,根据单个柔性单元的结构特性应用力学理论建立了该机构的理论模型,分析了刚度与结构参量的关系.进行了有限元仿真,并通过实验进行测试,结果表明:有限元仿真与理论分析最大误差为3.215%,实验测试结果与理论分析最大误差为4.875%,验证了理论公式准确可靠.通过理论公式建立数学模型,方便快捷地确定了该快速微调机构的最优结构参量,实现了满足技术要求并且工作力矩尽量小的设计目标.

高频像旋光学目标模拟装置结构设计

像旋补偿精度是影响大口径天文望远镜成像质量的关键因素,其受制于检测装置,难以在地面全物理仿真状态下进行定量测试。模拟装置既要满足高频响应特性还要具有较高的晃动精度,因此,设计难度较大。提出了一种将压电陶瓷与定心密珠回转轴系相结合的柔性铰链弹片对称布置的设计方案。密珠轴系主轴采用"T"形设计来缩小轴系整体的空间尺寸;对称布置柔性铰链弹片的方式可实现预紧和消间隙,同时降低摩擦力矩引起的运动迟滞等现象。用有限元法对结构在极端工况下的静力学和动力学进行校核,仿真结果表明:结构最大应力为121.1MPa,满足强度要求;一阶频率为42Hz,高于整机频率。

四反射镜结构极坐标红外惯性稳像平台像旋研究（英文）

针对极坐标式直接稳像平台结构和间接稳像平台的四反射镜成像光路结构,推导其两框架运动所引起的像旋角度。结果表明俯仰框和滚转框的运动均会引起像旋。四反射镜间接稳像结构像旋随着离轴角增大,滚转框运动所引起的像旋角度也逐渐增加,在小离轴角时,滚转所引起的像旋也较小。直接稳像结构像旋角度与滚转框架角的正切值成正比,与俯仰框架角的余弦值成反比。仿真结果表明,四反射镜结构像旋比直接稳像结构的要小,对成像质量影响小。

像旋条件下TDI阵列对点目标响应的计算

对用于大范围搜索点目标的红外扫描相机,采用二维指向镜会引起像旋,若不采取消像旋措施,会使得点目标响应产生畸变。文章阐述了像旋产生的原因,给出了考虑像旋的TDI探测器采样过程的计算方法,并定义了偏移量函数,以衡量像旋对点目标采样的影响程度。通过仿真计算,得到在不同像旋角条件下TDI阵列对点目标采样值偏移量的统计数据。考虑到加入消像旋措施的高成本,提出改变探测器像元尺寸以改善像旋条件下点目标响应情况的新方法,仿真计算结果表明该方法可起到类似于加入消像旋措施的效果。最后,简要分析了探测器像元尺寸的变化对探测率的影响。

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。

二维指向镜像旋校正及拼接方法

在卫星探测领域,为了扩大探测器的成像视场,研究人员提出了二维指向镜配合凝视成像的观测模式,二维指向镜具有体积小、质量轻的特点,能够实现全方位探测。由于二维指向镜绕俯仰轴和方位轴旋转,而探测器像面固定不动,这种工作模式会引入像旋误差,如不加以校正将造成探测目标的离轴信息失真,无法得到探测目标的准确方位信息。为此,本文提出了一种二维指向镜像旋校正方法,根据像旋产生的光学机理,构建二维指向镜成像模型,通过对该模型的逆向推导实现像旋校正。此外针对卫星探测领域对大视场成像的需求,本文提出了一种像旋校正图像拼接方法,该方法不受图像之间重叠区域大小的限制,能够得到缝合紧密、自然的大视场图像拼接结果。最后,用探测器采集了一组九宫格像旋数据,并进行了像旋校正和图像拼接,结果表明,所提方法能够成功校正图像的像旋畸变并得到完整的大视场拼接图像。

航空光电侦察平台内藏式扫描系统像旋分析及补偿

为了解决传统光电侦察平台外露球形结构增大飞机雷达散射截面的问题,提出一种采取双反射镜绕俯仰轴和方位轴旋转实现大角度扫描的方法,该扫描方式的外露尺寸小,可与载机进行共形设计以保证飞机隐身性能。基于光反射矢量理论,对扫描系统成像特性进行了研究,对双反射镜绕俯仰轴和方位轴旋转所产生的像旋进行了定量分析,得出了像旋角大小和方向与双反射镜旋转角度和方向的确切关系,并以此作为像旋补偿的理论依据,提出一种通过控制消旋棱镜消除像旋的双向控制方法,实现扫描镜与消旋机构的严格协同运动。通过成像实验进行了验证,消除了所产生的像旋,计算可得消旋精度均方根值小于8′,实现了较高精度光学消像旋。