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。

空间TDICCD相机动态成像地面检测系统的设计

设计了一种空间TDICCD(时间延迟积分电荷耦合器件)相机动态成像地面检测系统,用于模拟相对空间飞行器的地面像移,验证TDICCD相机的像速匹配能力和动态成像质量。系统采用精密转台和偏流转台模拟卫星绕地球运动和卫星受地球自转影响而在不同纬度产生不同的偏流运动。精密转台用永磁力矩电机驱动,用锁相锁频伺服控制策略控制稳速精度达到0.0297%。偏流转台用步进电机控制,偏流角的平均转角速率约为0.02°/s,偏流角位置的数据引导跟踪精度优于±5′。设计的检测系统的精度满足TDICCD相机动态成像检测的指标要求,已在某型号空间可见光相机的研制中获得了应用。

颤振对TDICCD相机像质的影响分析

为了分析卫星颤振对TDICCD相机像质的影响,给出了低频正弦颤振引起的相机像移,重点分析了滚动、俯仰、偏航三个方向的颤振对相机成像质量的影响.通过对两种卫星颤振动力学仿真数据的计算,具体研究了颤振对相机像质的影响程度.结果表明,TDICCD相机对卫星颤振幅值要求较高,且随TDI积分级数的增加,颤振的影响尤为突出,必须加以限制.

偏流角对TDICCD相机像质的影响分析

为分析TDICCD相机成像过程中偏流角对相机像质的影响,根据卫星轨道方程写出了偏流角随纬度变化的具体形式。基于此分别研究了其在卫星穿航方向和沿航方向引起的像移量和对相机成像质量的影响,并利用极地圆轨道参数详细计算了偏流角引起的像移对像质的影响程度和在MTFdrift>0.95的情况下调整偏流角的时间间隔。结果表明,偏流角是纬度的函数,由它引起的像移在穿航方向对相机像质的影响较为严重,必须采取补偿措施加以校正。

随机振动对星载TDICCD影响分析

研究了星载TDICCD的成像机理 ,着重分析卫星扰动引起TDICCD随机振动 ,造成图像质量下降 ,给出了典型的振动传递率和可行的振动抑制方法 为了提高TDICCD减振的能力 ,对TDICCD实施隔振和阻尼抑振控制技术 同时分析了振动控制的基本原理和设计原则 。

TDICCD交错拼接的精度检测

焦平面组件是遥感相机的重要组成部分,TDICCD的交错拼接可以获得大尺寸的焦平面。由于TDICCD交错拼接的焦面长度一般较长,常规的检测方法很难获得准确的检测结果。本文采用对拼接TDICCD像元直接监测的方法,使用直线度<2μm/m的气浮导轨,搭载显微系统对像元进行空间位置检测,并对已经完成拼接的600 mm长焦平面进行了精度检测,得到的检测误差<3μm。对遥感相机地面成像试验所得到的图像的分析表明,图像反映的拼接精度与检测所得到的结果吻合,从而验证了检测结果的准确性及检测方法的可行性,实现了长焦平面的高精度检测。

速高比对TDICCD相机的影响分析

高分辨率星载时间延迟积分电荷耦合器件(TDICCD)相机在侧摆成像过程中,速高比变化会引起相机图像运动角速度的变化,恶化相机的像质。因此研究卫星相机成像时速高比的变化规律,并分别从成像地面景物的纬度变化和相机侧摆角度的变化两个方面研究速高比变化对成像质量的影响。通过实例计算,给出了时间延迟积分(TDI)行积分时间调整的时间间隔和相机成像时允许的侧摆角度范围。最后分析了视场变化对相机像质的影响。

TDICCD相机平台振动所致的MTF空间移变降质

卫星振动不仅会引起TDI(Time Delay and Integration)CCD相机像元采样的不规则性,还会引起像元弥散斑空间分布的不一致性,导致图像传递函数(Modulation Transfer Function,MTF)产生空间变化,从而制约高分辨率图像振动复原质量。本文从卫星振动对TDICCD相机推扫成像采样过程的作用机理出发,结合理论推导与仿真研究,得到了平台振动引起的图像空间移变降质及表征方法。然后在振动复原模型的基础上,推导得出MTF空间移变降质对复原处理误差的影响,并基于实际卫星图像开展了复原实验。实验结果表明:当振动所致图像MTF空间移变降质小于15%时,复原处理后的图像与理想图像的结构相似度优于0.95,而且处理误差所导致的图像失真不影响判读质量。

星载TDICCD相机像移对成像质量的影响分析

通过分析给出了偏流角变化、速高比变化和姿态精度导致的像移量及其与调制传递函数的对应关系,结合卫星轨道和相机参数,在不同积分级数下引起的像移对相机成像质量的影响进行了仿真。结果表明,随着积分级数的增加,像移对相机成像质量的影响越来越大,尤其表现为偏流角及速高比的变化。为此,在轨运行期间须对其采取补偿措施,为保证高质量的图像,卫星平台必须具有高精度、高稳定度的姿态控制系统。

高分辨率TDICCD相机轻量化技术

高分辨率可见光相机是航天侦察最重要的手段之一。随着用户对分辨率的要求不断提高 ,光学系统的焦距不断增长。长焦距TDICCD相机代表着长焦距传输型相机的发展方向 ,而焦距的增长意味着相机尺寸和质量的增加。文章介绍了国外轻量化技术的一些成果 ,从结构、材料、探测器等方面讨论了我国高分辨率相机轻量化的技术途径。

航天高速TDICCD相机视频信号采样技术

针对航天高速TDICCD相机,为了提高其成像质量,提出了对相关双采样信号进行纳秒级延时的精确采样方法和对驱动芯片的温度漂移进行自适应补偿的方法。首先介绍了相关双采样(CDS)的原理,分析了采样位置对TDICCD相机的影响,然后提出了利用FPGA内部进位链资源实现纳秒级延时从而对采样信号进行精确调整的方法,同时分析了驱动芯片的温度漂移效应导致对CCD输出信号的影响,提出了一种针对温度漂移对采样信号进行自适应调整的方法,来满足采样时序关系。利用实际工程中的成像系统对采样位置精度及高低温环境分别进行了实验。实验结果表明,提出的方法能实现采样信号的精确调整,有效的提高图像的动态范围,同时能对驱动芯片温度漂移进行自适应补偿。未补偿前,在低温度-36℃时图像的信噪比为37.4dB,补偿后图像的信噪比为51dB。

平台姿态误差对TDICCD相机成像几何质量的影响

研究卫星平台姿态误差对TDICCD相机成像几何质量的影响有助于提出姿态指标设计要求以提高相机几何成像质量,以像点位移为中间参量,研究平台姿态误差和成像几何质量指标之间的定量关系。基于平台姿态误差引起的像移速度、偏流角和积分时间等成像参数误差分析,结合严密几何成像模型推导像点位移的误差模型,建立从像点位移量到相邻像元间角度畸变、长度畸变、像元分辨率和定位误差等几何质量指标的定量模型,构建从平台姿态误差到相机成像几何质量指标的完整定量分析链路。仿真实验结果表明,偏航角姿态误差是影响成像几何质量的主要因素。

便携式TDICCD遥感相机成像检测系统设计

针对原有TDICCD相机成像检测系统的体积庞大、移动困难、功耗大、不利于外场实验的问题,设计了一套便携式航天遥感相机成像检测系统。首先给出了TDICCD相机的结构以及图像输出时序,然后具体介绍了便携式成像检测系统的硬件设计以及软件设计,最后对某TDICCD相机进行了检测试验,处理10 min遥感图像的时间为10 s,系统现已稳定工作时间为3 000 h,实现了对图像数据和辅助数据的全自动判读,对相机的工作异常进行自动报错处理,判读准确、快速,节省了人力并降低了误判率。本文所研制的便携式成像检测系统工作稳定,适合外场实验,可靠性高。

影响TDICCD相机成像质量的因素分析

在高分辨率TDICCD相机的成像过程中,偏流角和速高比的变化都会影响相机的成像质量。根据卫星的运动状态,分别推导了偏流角和速高比的表达式,并分析了由其引起的附加像移。结合实际的卫星轨道参数,详细计算了偏流角和速高比随纬度的变换规律以及它们在不同积分级数下引起的像移对相机像质的影响程度,给出了像移调制传递函数大于0.95时允许的最大偏流角和相机侧摆角度。结果表明,随着积分级数的增加,由偏流角和侧摆引起的像移对相机像质的影响越来越大,当积分级数N=32、MTF_(像移)>0.95时,允许的最大偏流角和侧摆角度分别为0.62°和29.5°.

关于遥感卫星TDICCD相机动态范围设计的思考

文章对卫星可见光TDICCD相机的动态范围进行了研究,从成像品质的角度对动态范围提出了要求,并对相机动态范围在轨动态调整的实现途径进行了初步分析,提出了未来空间相机动态范围设计的发展方向建议。

长线阵TDICCD空间相机像移匹配及MTF分析

长线阵TDI(time delay and integration)CCD空间相机通过机动成像可以获得更宽的地面幅宽,缩短重访周期。由于角度变换和地球曲率等因素,相机不同视场位置的像移速度和偏流角存在差异,TDICCD焦面越长,机动角度越大,差异越大。通过像移解析模型计算像面上各点像速矢量,定量分析空间相机在侧摆和俯仰成像时视场上各点像移速度和偏流角差异对调制传递函数(MTF)的影响,并以MTF为约束确定各工况下的像速匹配模式和参数指标。分析结果表明:侧摆成像时,以沿TDICCD积分方向上的MTF退化为主;俯仰成像时,垂直于TDICCD积分方向上的MTF退化较多。以某工程实例计算:以传函下降5%为约束,以最大侧摆角40°成像时,可采用32级积分级数。俯仰30°成像时,可用积分级数不能超过8级;俯仰10°成像时,积分级数不超过16级。

基于目标的全色TDICCD空间相机信噪比分析

TDICCD是近几年发展起来的一种新型光电传感器,作为焦平面器件已广泛应用于空间相机的设计和制造.本文分析了待观测目标太阳高度角及亮度的影响因素,建立了光能量从待观测目标到空间相机入瞳的亮度传递数学模型,提出了一种基于目标的全色TDICCD空间相机信噪比快速预估计算方法.以模拟极轨卫星所携带的TDICCD相机为例进行了预估分析.结果显示,此模拟北纬20°待观测目标全年星下点太阳高度角范围为41.5°～76.7°,F数为15的TDICCD相机可以获得的最大信噪比大于40dB.本文的推导可用于TDICCD空间相机的预研和总体设计,同时达到验证卫星任务规划与轨道设计合理性的目的.

TDICCD拼接相机的像元响应非均匀性校正方法

为了解决光学TDICCD成像系统在拼接模式下的像元响应非均匀性问题,研究了TDICCD像元校正的原理和实现方法。提出了视频处理器在不同增益、不同偏置和TDICCD在不同积分时间下进行像元校正的方法,设计了在现场可编程门阵列(FPGA)平台下进行了程序实现和验证的方法。实验数据分析表明:成像系统单片TDICCD的非均匀性由4.72%降低到0.27%,恶劣环境下TDICCD成像系统的图像非均匀性可以降低2.55%。该像元级校正算法简单,可靠性高,能够满足星上成像的要求;在不同的增益、偏置和积分时间下能够很好地解决TDICCD成像系统的像元响应非均匀性问题。

TDICCD图象传感器在侦察相机中的应用

根据TDICCD器件的特性 ,讨论了速高比对TDICCD的同步控制、曝光控制的影响 ,给出了分辨力与曝光量的实验曲线 ,提出了利用TDICCD的自动调焦技术 。

适于空间TDICCD相机的图像压缩系统设计

提出了一种适于空间TDICCD相机的复杂度适中、高性能的图像压缩系统。其压缩系统主要分为离散小波变换(DWT)单元和位平面编码(BPE)单元。DWT采用两个并行的9/7整数1D DWT完成2D DWT;BPE单元从扫描方法、并行扫描、转移字存储及并行计算方面对传统CCSDS算法进行了改进,使其更适合CCD空间相机的应用。最后,使用地面检测设备对设计的图像压缩系统进行了试验测试。实验结果表明,该图像压缩系统可以稳定可靠地工作,与传统压缩系统相比,平均PSNR提高了0.97 dB,具有较高的数据吞吐率,在系统时钟频率为50 MHz时数据吞吐率达到12.8 Mpixels/s。非常适于空间TDICCD相机的应用。