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.

SDRAM在大视场TDICCD空间相机中的应用

该文针对大视场空间相机中需要缓存的图像数据量大的问题,对高速大容量存储器SDRAM控制技术进行了研究。首先,说明了大视场空间相机中图像数据缓存的需要,根据CCD图像数据和图像缓存工作特点,提出了基于行使能和刷新操作驱动和基于仲裁策略的SDRAM控制器。然后,为了提高图像数据缓存可靠性,针对缓存小数据量场合,提出了(6,8)纠错算法,针对缓存大数据场合提出了RS(143,127)和RS(142,126)码纠错算法。最后,在XX-X空间多光谱相机样机的成像系统上进行了试验验证。实验结果表明:两种控制器工作频率能够达到131 MHz,正常工作时,行使能驱动控制器存取速度达到127.08 MBps,仲裁策略控制器存取速度达到139.788 MBps,两种纠错算法在507 B/row内可以纠正32 b错误。基本满足空间相机中的稳定可靠、高效率的缓存图像数据要求。

ADV212在大视场多光谱TDICCD空间相机中的应用

针对空间多光谱相机中CCD输出数据量大、谱段间冗余小和行频可变等导致常见基于矢量量化、预测和变换编码的整体压缩方案硬件实现困难的问题,提出了一种基于ADV212的空间相机图像压缩方案。依据ADV212工作原理和CCD图像特点,提出了Custom-specific工作模式,在该模式下,使用提出的图像帧和中断处理策略,并以流水线作业的方式实现单片ADV212处理8通道CCD图像;分析了影响图像压缩质量的2个参数,提出了(10,5)量化步长设置方法,使码率控制误差减小了16.385%;使用地检设备对ADV212压缩系统进行了试验验证。结果表明,压缩系统能快速稳定地工作,在压缩比指标2∶1～32∶1内,PSNR均在30dB以上,与传统方法相比,在正常工作压缩比为1bpp时平均PSNR提高了2.49dB。有效的解决了整体压缩方案硬件实现困难的问题。

应用相位相关法的TDICCD空间相机像移测量方法

空间相机亚像素精度的像移高精度测量是一项技术难题。文章针对高分辨率TDICCD空间相机的成像特点提出一种直接测量像移的方法,该方法利用高速图像传感器获取图像序列,然后采用基于局部上采样的相位相关法来测定亚像素像移变化曲线。Matlab软件的仿真实验结果表明,该方法对图像噪声和灰度变化有很高的容忍度,其测量精度在图像信噪比高于10dB时优于0.1个像元。

空间视觉测量相机地面检测及显示系统

为了给空间视觉测量相机的研制提供测试环境,充分测试空间视觉测量相机的功能及性能,基于相机的工作特点和实际测试需求,设计了空间视觉测量相机的地面检测及显示系统。地面检测及显示系统由一台高性能计算机、一台图像接收设备、图像显示软件和通信软件组成,适用于空间视觉测量相机单机、环境试验等多种情况测试。通信软件采取分布式设计,分为1个中心服务器软件、4个客户端软件;软件采用MFC架构,多线程方式运行,软件间采取TCP/IP协议进行通信。其中中心服务器软件负责与相机之间进行通信,通信协议为RS422;4个客户端软件分别实现对相机的指令控制、遥测数据的显示及监测、自动运行及在轨更新功能验证。经过多次单机测试及超过400 h的环境试验测试,空间视觉测量相机地面检测及显示系统运行稳定,对相机的各项功能及性能均能实现测试覆盖,能够满足相机研制过程中的各项测试及试验需求,提高了相机研制的测试效率。

基于三色球的单目相机三维空间定位算法研究

为了实现无工装夹具条件下的机器人焊接,提出基于三色球的单目相机三维空间定位方法,利用球在任意角度成像的几何不变性,结合球的半径信息实现球的深度信息的提取,解决了传统单目相机无法实现三维空间定位的难题。定位算法引入颜色滤波简化三色球的识别,改进霍夫圆检测算法,提高了三色球的识别精度。研究了球的深度信息计算模型,并推导了相关公式,实现了单目相机下球的三维坐标计算。构建了基于3个标准球的焊接工件定位模型,通过工件上3个定位点设置的标准球实现焊接工件定位。基于三维微位移平台设计了定位精度检测实验平台,并开展了相关实验。实验表明,三维空间定位算法的定位误差在±0.24mm以内,满足焊接工件定位的精度要求。

惯性空间TDI相机长弧段星源主动扫描设计

为了有效扩大惯性空间观测的幅宽范围和成像信噪比,提出了一种基于星等与光学多参量的映射函数的卫星与载荷姿频协同补偿的TDI相机长弧段星源主动扫描设计方法。首先,基于黑体辐射能量密度公式,构造TDI光学参量与极限探测星等之间的映射函数;然后,采用齐次坐标变换和欧拉轴最优路径规划方法,建立惯性空间卫星恒速机动和载荷动态实时补偿的长弧段星源扫描成像模型,完成动态星源无拖尾高信噪比成像。最后,基于平行实验理论,搭建由TDI相机和动态星源模拟器组成的实验系统,并完成了扫描成像实验和误差分析。实验结果表明,本体坐标系相对惯性坐标系的欧拉角速率为8.5(°)/s时,积分级数为96,TDI相机行频为1 kHz,成像时长10 s,TDI相机成像过程中星图成像信噪比最大值为7.325,扫描区域立体角为5.4232 rad。惯性空间TDI相机长弧段星源主动扫描可实现对星源高信噪比成像,并大幅拓展了成像观测范围。

基于微型空间相机的红外加热笼仿真与设计

在航天器热控技术领域,常采用红外加热笼模拟各表面的到达外热流,但随着模拟表面特征尺寸的逐渐变小,需要重新评估该模拟方法的合理性和准确性。本文基于某微型空间相机,以对外热流最为敏感的散热面为研究对象,开展红外加热笼仿真分析与优化设计的研究。采用有限元法建立红外加热笼-黑片热流计的系统仿真模型,分析了传统红外加热笼控制方法对模拟表面总到达能量和热流密度均匀性的影响。基于上述结果,通过适当扩大加热笼尺寸和调整热流计粘贴位置,提高模拟表面的热流密度均匀性,保证总到达能量满足保守设计原则。对比分析得出,优化设计前后散热面热流密度的统计方差由102.0下降至27.0、均匀性提升效果显著。本文研究内容也可为其他空间微小表面外热流的准确模拟提供参考、借鉴。

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。

面向空间机械臂遥操作的虚拟相机成像技术

对于采用虚拟图形预测仿真克服天地不确定大时延的地面遥操作,为使任务专家准确监视、预测并遥控空间机械臂的运动,本文研究了Open Inventor软件开发包中虚拟相机的成像技术。分析了真实相机与虚拟相机的成像原理,推导了虚拟相机的透视投影和视口变换矩阵。依据二者的成像原理,对真实相机和虚拟相机的成像进行了一致性分析,并展开定量及定性验证。研究表明:基于Open Inventor开发包搭建的中国空间站及空间机械臂的仿真系统,可对空间机械臂的末端及肘部相机进行虚拟成像并准确模拟真实成像,为空间机械臂通过地面遥操作安全精准地完成在轨任务奠定了基础。

轻型高灵敏暗弱空间目标探测光学相机技术

天基光学相机是空间目标探测的重要手段,世界主要航天大国大力发展天基空间目标探测技术以确保空间态势感知能力。首先介绍了国外应用于微纳卫星平台的典型空间目标探测光学相机,分析了天基光学探测手段的优势。其次针对基于微纳卫星平台的空间目标探测应用需求,提出“高效率镜头结合高灵敏器件”解决方案,并对光学相机进行了性能评估与设计参数分解。最后针对应用指标要求开展了系统设计与相机研制,并通过地面试验进行了性能验证,达到了预期探测效果,实现了5 kg级光学相机优于13星等的探测能力,可广泛部署于微纳卫星平台,为我国空间碎片研究、航天器碰撞预警提供高实时性数据支撑。

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。

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。

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。

空间TDICCD相机的便携式图像检测设备

空间TDICCD相机的研发过程中多数图像检测设备采用基于采集卡、海量存储器、PC服务器的结构从而限制了其使用环境,不能适应所有的检测任务。对其检测原理、关键技术和实现进行了详细的讨论。进而提出了一种便携式的图像检测设备。该设备的物理尺寸为320 mm×250 mm×100 mm,采用锂电池供电方式最长可工作3 h,本设备功能完善适应了80%的空间TDICCD相机的图像检测任务。

空间TDICCD相机动态信噪比计算方法研究

信噪比是空间光学相机系统的主要设计指标之一,可用于表征相机的辐射性能。文章通过建立遥感卫星轨道模型,分析计算一年中任意时刻用太阳高度角和卫星观测角描述太阳、卫星、地面目标点之间的相对位置关系,并将计算得到的卫星观测角和太阳高度角等参数导入大气传输软件MODTRAN,输出在相机入瞳处的地面目标光谱辐亮度,再根据信噪比的计算方法,最后完成TDICCD相机动态的信噪比计算值。通过该方法,可以计算任一时刻任一观测目标的信噪比,这将有利于判断在某一时刻的能量是否满足观测要求,以随时改变TDICCD的探测器级数,使得成像像质达到最佳。

大视场TDICCD空间相机全通道高可靠快视系统

提出了一种适于大视场时间延迟积分电荷耦合器件（TDICCD）空间相机的全通道高可靠快视系统。首先,建立TDICCD图像滚屏显示模型,能够有效模拟TDICCD相机线阵输出的推扫过程,进而提出基于硬件的行频自适应实时滚屏显示方法;然后,针对高速图像数据缓存不可靠问题,提出易于硬件实现的（16,16）纠错编码算法;最后,在某空间相机原理样机上进行了测试。结果表明,本系统的行频自适应范围为0.52~7.68kHz,可对数据率高达13.02Gbit/s的80通道12bit量化图像进行实时滚屏拼接显示与缩略显示,图像细节表现能力强;加入（16,16）纠错编码算法的SRAM缓存在1 024Byte内可纠正82bit错误,提高了图像缓存的可靠性。系统工作稳定,可移植性强,已成功应用于大视场TDICCD空间相机的研制与检测中。

用于空间相机设计的高精度光线追迹方法

空间光学系统在应用需求牵引下,向着大尺度、高精度、复杂化等方向发展,像差随着焦距与口径的增大呈幂指数增长,微小的误差扰动就会引起像质的大幅退化,因此对光线追迹算法的精度和稳定性提出了更严苛要求.本文从误差分析理论出发,提出了光线追迹精度表示模型,依据模型分析了计算过程误差来源,并设计了高精度光线追迹算法.数值仿真实验和典型空间相机设计案例结果表明,本文方法在精度上较原有方法提高了5—6个数量级,残差平均比Zemax小近3个数量级,数值稳定性也得到了极大提升.

月基极紫外相机光子计数成像探测器Ge膜的空间质子辐照稳定性

光子计数成像探测器是月基极紫外相机等空间成像载荷的核心成像器件。Ge膜作为探测器的电荷感应层,在空间质子辐照环境下的稳定性直接影响系统的成像质量。采用Monte-Carlo法仿真了500 nm Ge膜被10、50和100 keV高能质子辐照后,Ge膜内部的质子浓度分布与空位缺陷分布。仿真结果表明,50 keV质子在Ge膜内部产生的空位缺陷对膜层内部损伤最大。对100、230、350和500 nm厚度Ge膜分别进行50 keV质子辐照实验,经方阻仪测试显示,越厚的薄膜辐照后方阻变化越大,500 nm比100 nm Ge膜方阻增加量高约500 MΩ/。通过原子力显微镜(AFM)表征发现,500 nm Ge膜辐照后出现膜层凸起与分离,均方根表面粗糙度由1.63 nm增至约10 nm。研究结果表明,在满足方阻要求的前提下,通过对Ge膜厚度的合理设计,可以有效减小高能质子辐照带来的损伤。