空间相机离轴角引起的积分时间误差分析

光学遥感卫星中空间相机常用的离轴三反光学系统,离轴三反系统能扩大光学系统视场、提高系统调制传递函数(MTF),但是离轴角会带来积分时间不同步的问题,文章对离轴角引起的积分时间不同步而产生的成像品质影响进行了分析。首先对离轴三反光学系统的离轴角建立数学模型后,应用STK软件仿真空间TDICCD相机在不同级数下离轴角带来的摄影点积分时间和星下点积分时间的差异,然后用Matlab编写程序处理得到的不同积分时间的采样点得出结论,离轴角越大,光学系统的传递函数越小,光学相机成像品质越差。在工程应用中,对一个确定离轴角的离轴三反光学系统,通过仿真,对积分时间调整给出了相应设计建议。

多光谱TDICCD航天相机快视一体化地面检测系统设计与实现

针对多光谱时间延迟积分电荷耦合器件(Time Delay Integration Charge Coupled Devices,TDICCD)航天相机的产品研发,提出快视一体化地面检测系统的设计方案,并依托项目实现该设计方案。设计包括主机系统搭建、CXP(CoaXPress)高带宽数传采集卡、测控采集卡、图采测控上位机、光电参数测试、非均匀性校正以及刷新芯片重注等实现。采用一体化设计,所有软硬件全部集成于地检主机系统,方便携带和使用。采用模块化设计方法,使用通用的主机接口,实现多种采集卡在不同主机系统之间交叉使用;使用通用的数据传输接口、RS-422传输接口,使得采集卡不仅适用于本相机的接口协议,也能在修改现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)代码后适用于其他相机。经验证,该地面检测系统能有效完成多光谱TDICCD航天相机的功能测试、光电参数性能测试的要求,为项目顺利进行提供有力保障。

航天时间延迟积分CCD相机振动模糊图像的恢复

提出了一种对航天时间延时积分(TDI)电荷耦合器件(CCD)相机振动移变降质图像进行恢复的方法。首先介绍了TDI-CCD的工作原理及其对振动的敏感性,建立了TDI-CCD振动降质的点扩散函数(PSF)模型,指出振动对TDI-CCD相机的降质过程是空间移变的;然后提出了基于快速CCD的振动检测方法,在振动检测技术中,利用了一种改进的灰度投影算法计算振动参量;最后提出对降质图像进行逐行恢复的方法,并对模糊图像进行了恢复。分别对匀速直线运动和正弦振动进行了实验。用峰值信噪比(PSNR)作为评价标准,对恢复图像进行了评价。结果表明,匀速直线运动模糊图像的PSNR为33.98dB,恢复后其PSNR为41.14dB;正弦振动模糊图像的PSNR为39.68dB,恢复后其PSNR为45.12dB。

像移对星载TDICCD相机成像品质的影响分析

像移是影响星载时间延迟积分电荷耦合器件(TDICCD)相机成像品质的重要因素。为研究像移对TDICCD像质的影响,首先分析了像移引起图像模糊和几何变形的机理,研究了像移降质的辐射和几何方面评价参量。依据TDICCD工作原理,建立了像移影响下TDICCD相机空变降质模型,并以此为基础,计算并分析了不同形式、不同方向上的像移影响下的像质下降情况。分析结果表明,不同方向、不同形式的像移引起的成像品质下降是不同的。文章中提出的空变降质模型可以为后续的仿真及像移降质图像的恢复等提供参考。

采用FPGA的高速CCD相机的时钟发生器

采用IL E2TDICCD做为传感器 ,与计算机构成了成像系统 ,并在计算机CRT上显示出图像。主要介绍高速CCD相机的工作时钟产生电路的设计 ,采用大规模集成电路FPGA实现了该工作时钟驱动电路 ,采用AHDL语言对工作时钟驱动电路进行了硬件描述 ,并利用MaxPlus2软件对所设计的工作时钟驱动电路进行了仿真 ,最后对FPGA器件进行了编程和硬件电路调试 ,进而实现了整个CCD相机的控制。

航天TDICCD相机图像空间移变振动降质的复原

文章建立了一种航天时间延迟积分电荷耦合器件(TDICCD)相机图像空间移变振动降质的退化模型,提出了一种新的空间移变降质图像复原算法。仿真实验结果表明该退化模型和图像复原算法能有效处理航天TDICCD相机图像的空间移变振动降质,具有很好的应用前景。

基于锁相环的遥感相机采样电路设计与优化

高分辨率时间延迟积分电荷耦合器件(TDICCD)遥感相机成像系统设计中,通道数量、高频时钟品质、高速数据传输误码率与相机小型化设计已经成为相互制约的矛盾。目前,为了减小系统体积质量、提高图像信噪比,将采样电路放入相机主体的焦平面附近是目前遥感系统小型化的主要趋势。因此,在相机主体与图像处理器之间,高速数据传输和高速时钟抖动是采样电路的主要设计难题。文章设计了一套基于锁相环(PLL)的高速采样电路,抑制了高速时钟抖动,消除了相位差;设计了一种超前滞后滤波器作为锁相环电路的环路滤波器。通过仿真和实测分别得到了滤波器电路的相位裕度和锁定时间等参数;同时在电路板布局布线时,通过合理地切割地平面、优化时钟的走线,抑制了模数混合部分的量化噪声。电路中使用了串行传输技术实现高速大数据量的传输;最后,文章中对误码率和图像信噪比进行实测,测试结果满足实际工程应用的需求。该设计同传统采样电路相比较,在尺寸、质量、数据传输率、图像信噪比等方面均有较大优化。

TDI CCD相机的总体设计

介绍了时间延迟积分 ( TDI)技术的基本概念 ,TDICCD芯片的结构 ,并在此基础上给出了利用 TDI

TDI-CCD全景航空相机快速自动检调焦方法

为了提高航空相机的实时侦察能力,提出了一种针对时间延迟电荷耦合器件(TDI-CCD)全景航空相机的快速自动检调焦方法。在检焦过程中,焦平面上的靶标图案经相机自身光学系统成像在TDI-CCD上,同时调焦反射镜沿光学系统主光轴在镜头后截距给定范围内连续快速移动,利用TDI-CCD的全帧转移工作模式,对经光学系统调制后的靶标图案进行高速采集,结合精密调焦驱动结构对采集到的图像进行高空间分辨率的定位。采用梯度算子、拉普拉斯算子、傅立叶变换、小波变换等7种聚焦评价函数对采集的调制靶标图案进行了比较分析,给出了各种算法的检焦精度。实验结果表明,本方法的检焦时间小于1s,采用小波变换作为评价函数的检焦重复性精度优于9.6μm,满足成像系统对离焦量允许值的要求。

畸变对TDI-CCD空间相机的影响分析及抑制方法研究

随着电荷耦合器件（CCD）的不断发展，时间延迟积分电荷耦合器件（TDI-CCD）已成为高分辨率、大F数、轻小型空间相机器件的首选。但受到光学系统畸变的影响，在TDI-CCD积分成像过程中，将不可避免地存在像移，并最终导致成像模糊，使图像调制传递函数（MTF）下降。分析了光学系统畸变引起像移的原因，并给出受畸变影响产生的MTF下降系数fMT，D关于光学系统畸变的表达式。从光学系统设计角度研究了限制fMT，D的方法，给出了光学系统设计结果。设计了焦距f＇=9000mm，F数为13．33，成像谱段为400700nm的偏视场同轴四反射低畸变、大视场光学系统。设计结果表明，在使用视场角2ω=2°范围内，波像差优于λ／21，受畸变影响产生的fMT，D为0．969，证明该系统很好地抑制了光学系统畸变对积分成像的影响。研究可为高分辨率、宽视场、大F数的轻小型空间相机的设计提供参考。

焦面拼接反射镜热稳定性对MTF的影响

光学拼接是扩大航天相机视场的有效方法。焦平面采用光学拼接时,拼接反射镜的热稳定性对探测器的共线性和共面性有一定的影响,共线性和共面性误差会引起时间延迟积分电荷耦合器件(TDICCD)的光学调制传递函数(MTF)的下降。文章首先在三维欧式空间建立拼接反射镜热变形前后的平面方程,通过计算TDICCD顶点关于反射镜平面方程的镜像点得出反射镜热变形对TDICCD共线性和共面性的影响;其次,为了对热稳定性进行有效评价,以MTF为其评价函数,分别对TDICCD的共线性误差、共面性误差对TDICCD相机MTF的影响进行了分析,给出了两种误差引起MTF下降的计算公式;最后,以某测绘相机光学拼接焦面为例,对拼接反射镜的热变形引起的探测器的共线性和共面性进行分析,并对不同积分级数下传递函数的下降进行了分析。结果表明,当积分级数为128级时,TDICCD共线性误差引起的飞行方向(X向)MTF下降近似为零,在线阵方向(Y向)MTF下降小于0.025%;共面性误差引起的MTF下降小于0.05%。

卫星偏流角的矢量计算方法研究

对一种近地圆轨道遥感卫星偏流角的矢量计算方法进行了研究。基于考虑地球自转时偏流角的定义和相关坐标系,将计算偏流角用的速度矢量分解为数个速度的矢量和,由坐标系转换关系,根据卫星地面物点定位信息确定其相对速度,推导出卫星本体坐标系中偏流角的计算公式。算法的基本运算无需求导,可有效避免求导过程中牵连速度计算,具有模型准确、计算简便、结果精确、物理意义清晰、排查错误容易等优点。在不同三轴姿态角、载荷视物前向角和侧向角条件下进行了数学仿真计算,结果发现计算结果与偏流角定义相符,卫星偏流角随星下点地理纬度和纬度幅角的变化分别为封闭类圆和1/2周期的类正弦曲线,而视物前向角、侧向角,滚动角,俯仰角对偏流角的影响较小。该计算方法已用于高分五号(GF-5)卫星的星上偏流角计算软件。

空间光学平台调偏流分析

为减小偏流角对TDI-CCD(Time-Delay Integration-Charge Coupled Device,时间延迟积分-电荷耦合器件)相机成像的影响,分析了侧摆成像时偏流角产生的原因和计算方法,定量计算了偏流角在沿航方向和穿航方向产生的像移,并通过仿真分析了偏流角影响因素及其残差对成像的影响。最后通过实际飞行试验发现,平台调偏流时偏航方向的姿态角存在振荡,即偏流角存在残差。经分析,此现象产生原因除了卫星平台本身的姿态扰动外,主要是卫星平台响应机制,即卫星平台对调偏响应过慢导致平台调偏流出现超调现象。该分析结果对空间光学相机平台改进有一定的参考价值,并已应用于某型号卫星的改进型。

基于四元数的偏流角跟踪与条带拼接成像研究

根据小卫星星载相机存在后视角或安装相机摆镜导致相机实际光轴无法与星体主轴平行的状况,为避免用欧拉角时的姿态解算与转序问题,提出了一种基于四元数的卫星偏流角跟踪与条带拼接成像姿态控制方法。用四元数描述卫星姿态,根据相对轨道系目标四元数,绕相机光轴转动偏流角,以此作为成像模式目标四元数,实现绕空间轴的偏流角跟踪控制。给出了姿态规划算法:固定偏置姿态确定偏流角跟踪后的目标姿态和目标角速度,用迭代法提高偏流角控制精度,并在姿态机动过程开始即进行偏流角跟踪,保证姿态机动到位和高精度偏流角跟踪的同时实现。基于内干扰力矩前馈方法设计了姿态机动控制律。以同轨双条带拼接成像为例,给出了成像控制方法:在对日或对地定向基础上,计算偏置目标姿态和目标角速度,并调用姿态机动控制算法;姿态机动到位后,若需当轨完成多目标姿态机动,则用姿态机动控制算法保持姿态偏置飞行和偏流角跟踪控制。数学仿真结果验证了该算法的有效性和高精度。

空间TDICCD相机图像压缩的提升小波变换实现技术

空间时间延迟积分电荷耦合器件(TDICCD)相机图像压缩2维(2-D)离散小波变换模块的基于常用硬件实现方法实现效率低,为此提出一种适于电荷耦合器件(CCD)图像的(128,N)快速2-D提升小波实现结构.在CCD图像行方向上,采用16个提出的1维(1-D)行提升小波变换模块快速实现结构并行分解图像,每个模块采用4个延时寄存器的值作为中间值并用2步预测更新步骤融合的结构来计算行小波系数;在行小波系数的列方向上,提出了一种基于多路复用技术的(32,16)列提升小波变换结构,最终实现了2-D提升小波变换.结果表明,2-D提升小波变换模块能快速稳定地工作,分解1帧图像仅需60.198μs,与传统方法相比,节省时间达到49.90%,节省逻辑资源10.71%,节省寄存器资源11.80%,节省存储器资源12.98%,有效地解决了CCD图像压缩小波变换硬件实现效率低的问题.

高空间分辨率大视场遥感相机图像的高速高可靠传输系统研究

提出一种适于高空间分辨率大视场遥感相机的图像高速高可靠传输系统。首先,分析了TLK2711的通信链路,提出了基于同步控制字的高速串行传输策略;深入分析了噪声对传输可靠性的影响,进而提出(17,16)纠错编码算法,分析了纠错编码在大视场空间相机中应用的可行性;最后,在某大视场TDICCD空间相机样机上进行了系统测试。实验表明,本文系统可以实时传输80路高量化数据,整个系统有效数据吞吐率可达13.02Gbit/s;所提出的(17,16)纠错编码算法纠错能力强,运算速度快,易于硬件实现,每512Byte数据可纠正32bit的错误,提高了空间相机高速串行传输的可靠性;系统在不同的传输速度下工作均表现出令人满意的效果。

基于面阵CCD-TDI模式编码感知的高分辨率遥感计算成像

针对推扫式遥感成像,基于压缩感知(CS)理论,提出一种利用低密度探测器获取高分辨率遥感图像的新方法。在推扫过程中,采用可编码的行间转移面阵电荷耦合器件(CCD)并使其工作于时间延迟积分(TDI)模式,在随机曝光控制电路的控制下实现对场景信息的编码感知;通过计算成像,从感知的数据中重构出高分辨率遥感图像。这种基于CCD-TDI模式编码感知的高分辨率遥感计算成像方法,可以增强成像分辨率和提高输出图像信噪比。仿真结果验证了本文方法的有效性。