高分六号卫星甚宽视场相机的热控设计及验证

甚宽视场相机作为高分六号卫星的核心载荷,具备65.6°视场、862 km超大幅宽和8谱段成像能力。针对其自由曲面离轴四反光学系统的结构特点和任务需求,采用复合型多层隔热组件进行热隔离、高导热率石墨膜进行热疏导及分级热控等措施进行了热控设计,实现了光机结构的精密控温和高热耗/热流密度电子学设备的高效散热,并利用有限元分析软件UG12.0/Space thermal仿真分析了相机高、低温工况下的温度;通过对比热分析、热试验及卫星在轨遥测温度数据,验证了该热控方案的实际效果。在轨遥测数据显示:光机结构在轨温度水平为19.7~20.3℃,温度梯度最大不超过0.4℃,CMOS焦面组件每轨摄像12 min的情况下,温度波动在19~24℃,均满足热控指标要求,遥测数据与热分析及热试验结果偏差小于±0.5℃。表明该相机热设计正确可行,热分析及热试验过程合理可靠。

CCD摄像机大视场光学镜头的设计

为提高CCD摄像机的成像质量，同时使镜头结构紧凑、小型化，在大视场光学镜头的设计中，引入标准二次曲面和偶次非球面。根据初级像差理论，分析了非球面的位置、初始结构参数的求解规律。通过理论计算和ZEMAX光学设计软件的优化，给出工作波长为0．4～0．7μm、全视场角为80°，相对孔径为1：1．5的镜头设计实例。该镜头由7块镜片组成，包括一个标准二次曲面和两个8次方非球面；在40lp／mm空间频率处的MTF值超过0．85，全视场畸变小于3％，像质优良。

大视场时间延迟积分CCD遥感相机的精密定焦

介绍一种可以广泛应用的时间延迟积分(TDI)CCD拼接型焦面的精密定焦技术。首先,在恒温、隔振条件下将满足拼接精度要求的TDICCD焦面组件粗装至相机相应的设计位置;然后,通过数据采集与处理系统获得相机成像的调制传递函数(MTF),并通过调焦机构进行调焦,测得每片TDICCD所成像的MTF调焦量曲线,进而得到每片TDICCD的最佳像面位置;最后,根据8片TDICCD各自的最佳像面位置拟合出共同的相机最佳像面,并依此确定焦面组件外接口的修调量,完成相机焦面的精密定焦与装调。对定焦精度的分析表明,定焦误差为9.1μm,与焦深的相对误差为4.4%。最终的MTF测试实验表明,8片TDICCD的MTF值比较平均,符合相机光学镜头的MTF变化规律并且远远高于该相机全视场静态MTF≥0.2的技术指标要求。本文所介绍的大视场TDICCD遥感相机的精密定焦技术可以为同类遥感相机的研制提供借鉴。

基于小靶标拼接的大视场摄像机标定方法

为了解决在大视场摄像机高精度标定中大尺寸靶标难以制作加工的问题,提出了一种基于小靶标拼接的大视场摄像机标定方法。该方法将小靶标在摄像机视场内多个位置进行摆放,通过各个小靶标之间的刚体变换,并考虑拼接过程中存在的约束条件,将各个小靶标拼接成一个覆盖整个摄像机视场的大靶标,然后使用该大靶标对大视场摄像机进行标定。仿真和实际实验表明该方法标定精度与使用实际大靶标进行标定时标定精度相当,能够实现对大视场摄像机的高精度标定。

二维柔性拼接标定方法

针对大视场摄像机标定中高精度大尺寸靶标加工困难,小尺寸靶标标定精度不高的问题,提出了一种二维柔性拼接标定方法。二维柔性拼接靶标由多个小平面标定板(又称为子标定板)组成,每个子标定板平面上分为匹配区和扩展区,其中匹配区由编码点组成,多个子标定板通过编码点进行匹配,虚拟拼接成一个大面积的平面靶标(又称为母标定板),通过计算可以得到母标定板上的坐标值及其相应的像点,从而可以标定出摄像机的内参数。仿真和实验结果表明,该方法和大面积的靶标标定的精度相当,当大面积标定板上的标志点和子标定板扩展区标志点数相同时,其标定相对误差为2%左右。该方法的优点在于制备标定板灵活方便,可以无限制地扩展标定面积。

多尺度大视场十亿像素成像技术

十亿像素相机可以获取信息量较大的图像,在天文观测、航空航天遥感等领域具有广泛的应用前景。受探测器和光学设计水平的限制,传统的大视场十亿像素成像通过小视场相机扫描和图像拼接实现。为解决传统十亿像素相机实时性不高的问题,文章研究一种新型多尺度大视场十亿像素成像技术,从实现十亿像素成像的条件出发,阐述该技术的原理、优势及应用领域;分析系统独特的技术指标,包括物理锥角、重叠率等,梳理和归纳新型多尺度大视场十亿像素成像系统走向实用化过程中必须克服的关键技术。研究结果表明,该技术可在不提高系统复杂性的情况下大幅提高监视实时性。

多光谱遥感相机光学系统设计

设计了谱段位于450～900nm,焦距f=6 000mm,F数为10的大F数、矩形视场、长焦距的折轴三反光学系统.光学系统视场角为1.6°,光学系统的畸变优于0.5%,中心面遮拦为6%时,Nyquist频率（25lp/mm）处各谱段调制传递函数优于0.65,整个光学系统成像质量达到衍射极限.同时根据所采用的多光谱时间延迟积分CCD分析了相机各谱段的静态调制传递函数,可以满足多光谱遥感相机的设计使用要求.

长度约束下双相机外参数不稳定定向

动态立体视觉测量技术在几何量测量特别是大视场测量中应用越来越广。在分析动态双相机立体视觉测量相对定向算法的基础上,提出了一种基于一定数量距离约束的相机不稳定定向算法。在测量场中固定放置一定数量的一维标定靶标,双相机获取标定靶标上点的中心坐标,由极线几何约束快速准确解算双相机外参数,每次测量根据标定靶重新定向相机,由靶标补偿相机在测量过程中的位置变动,保证在测量场中即使相机站位发生位置变化仍可精确测量。实验中对分布范围2.5 m×1.6 m×4.5 m测量场中90个自反射目标点进行测量,选用5对点间距离作为距离约束,并与V-STARS/S进行结果比对。结果表明在相机站位发生明显变动情况下,90个空间点三维重建位置误差小于0.160 mm,标准差小于0.042 mm。将该方法应用于合成孔径雷达测量,得到相近结果。

面阵摆扫型无人机载大视场高光谱成像技术研究

提出了一种面阵摆扫型无人机载大视场高光谱成像技术,控制基于马赛克型滤光片分光的画幅式高光谱相机在翼展方向进行扫描实现大视场、高光谱分辨率成像。进行外场飞行试验,获取了像质清晰的大视场、高光谱分辨率对地观测图像,飞行作业效率为8.64km^2/h,较单相机成像,作业效率提高约3.4倍。系统光机结构简单,体积、重量优势明显,在无人机高光谱遥感方面应用前景广阔。研究成果对推动无人机载光谱成像技术向大视场、高光谱分辨率方向发展具有一定的参考价值。

星用广角线阵CCD相机的机载试验

在卫星遥感中利用广角线阵CCD相机对地球资源信息进行“粗查”,并同时利用高分辨率CCD 相机进行“详查”的遥感器组合是一种可行的方案。文中介绍广角CCD 相机的研制及利用小型无人机进行机载试验的结果。在方案设计中主要讨论几何分辨率和辐射分辨率两项指标,也兼顾讨论诸如扫掠宽度和覆盖周期等问题。为获得好的机载试验效果将相机安装在双轴稳定平台上。

一种可实现两档切换降落相机的镜头设计

设计了一种用于深空探测的新型宽视场多光谱降落相机,通过两档切换,实现了1.5m^+∞以及30cm两档成像范围的目标探测.在1.5m^+∞档,能实现着陆器下降过程中对被测星体表面的全色成像;在30cm档,采用蓝绿、红色以及近红外三个独立的发光二极管光源阵列分别对着陆后近距离目标进行照明,通过对采集到的多光谱图像进行处理,可实现目标组成成分的鉴定.取降落相机设计谱段420~900nm,方形视场49.5°×49.5°,F数5.4,当目标距离为1.5m^+∞时,焦距f′1为12.9mm;目标距离30cm时,焦距f′2为12.5mm.系统中第一镜采用近似无光焦度的前置弯月透镜,利用镜片的开合完成不同成像范围的档位切换,使系统焦距在两档切换时变化不大,目标不易丢失.分析可知,镜头在35lp/mm处,系统调制传递函数均达到0.6以上,成像质量接近衍射极限;全视场畸变优于1.2%;第一镜倾斜、偏心公差设计合理.该设计解决了以往定焦降落相机在着陆后无法对近距离目标清晰成像的问题.

超大视场测月天文定向方法

利用超大视场相机测月成像实现了天文定向,推导了详细的计算公式。通过实测检验了定向方法的可靠性,跟踪拍摄15min,内符合精度优于±7.5″,外符合精度约为±20″。基于相机成像的天文定向方法改变了利用经纬仪人眼照准的传统模式,一定程度上降低了对作业员的技能要求,且超大视场相机能对月球进行连续跟踪拍摄,无须复杂的伺服控制装置。由于月球上也有重力场,月球上观测地球也有地相变化,后期如能实现定向装置的自动安平,本方法同样适用于月球车对地球成像实现天文定向。

大视场空间可见光相机的杂散光分析与抑制

空间相机用于对空间暗弱目标的探测与监视,视场外杂散光的进入会降低像面对比度,严重时甚至会导致相机无法工作。大视场光学系统对杂散光尤为敏感。针对此问题,本文以一大视场空间相机为例,分析其杂散光的来源,通过研究杂光传输机理并总结抑制措施。为满足其轻小型的指标要求,在尺寸限制下分别设计挡光环垂直光轴和倾斜的遮光罩及光阑等消杂光结构。TracePro软件仿真结果显示:倾斜挡光环遮光罩的效果更好,该结构在杂光抑制角外的的点源透过率(PST)均达到10-7量级,系统至少可以满足6.5星等目标的探测,验证本文消杂光结构方案的有效性,为后续的系统优化提供了一定的参考。

宽幅相机一体化焦面调整机构设计与精度分析

针对空间宽幅相机对调焦和调偏流的要求,设计了一种一体化焦面二维调整机构,能够同时实现调焦和调偏流功能,并基于蒙特卡罗法对机构进行了精度分析。机构总重12kg,调焦范围为(-4^+4)mm,调焦单元定位精度优于0.0045mm,调焦分辨力优于2.1μm;调偏流单元调偏流范围为(-5^+5)°,定位精度为1.48",调偏流分辨力优于0.18",各项指标均满足设计要求。一体化焦面二维调整机构结构紧凑,占用空间小,结构强度好,承载能力强,适用于大尺寸焦面空间相机。

锥摆扫一体化空间相机成像模式设计

针对高分辨相机难以实现超宽覆盖的问题,本文设计了锥摆扫一体化成像模式。通过对锥摆扫一体化成像原理进行分析,建立了锥摆扫一体化成像模型;然后,设计了最佳地面轨迹模型,并分析了轨道速度、平台旋转角速度和摆扫转动角速度的关系,并基于地面轨迹给出了曝光时间、帧频的计算方案。最后,通过MATLAB进行算例仿真,并对地面覆盖宽度和地面像元分辨率进行分析。结果表明:在轨道高度为500 km,像素尺寸为2.5μm,焦距为360 mm,像元数为5120×5120时,取相机安装倾角为30°,摆扫成像帧数为10,地面覆盖宽度达到1105.7 km,是星下点推扫成像的31.1倍,并且地面像元分辨率在6.4 m以下。锥摆扫一体化成像模式可以完全覆盖地面目标,并且在保证一定分辨率的条件下大幅增大幅宽。

基于光斑高斯拟合的大视场星相机定焦方法

针对高精度立体测绘任务对星相机的使用要求,提出了一种基于光斑高斯拟合的星相机焦面定焦方法。首先,搭建了基于星点靶标和平行光管的定焦系统,通过移动靶标在中心和边缘视场获取多幅不同程度的离焦图像;其次,采用基于平方加权的质心定位算法计算各视场靶标点像的精确位置用于像面拟合;然后,采用Gibbs采样/马尔可夫蒙特卡洛法对每个光斑进行高斯曲面拟合,获取星点的高斯半径,通过对各视场的最佳焦面位置进行最小二乘拟合,得到最佳像面。对上述定焦方法进行了试验验证,结果表明星相机在各视场的能量集中度测量值与设计值符合,星相机在轨拍摄的星点图像满足要求。

大口径宽视场双波段扫描红外相机光学设计

通过分析计算,设计了一种大口径宽视场折射式红外相机光学系统。该系统设计用于超长线阵扫描红外相机的地面演示成像,它能同时对短波2μm—3μm、中波3μm—4.5μm双波段成像,且同时具有24°的大视场和150mm的宽口径,成像质量接近衍射极限。该系统在航天遥感领域应用广泛。

空间相机共轴三反红外光学系统设计

针对空间光学系统长焦距、大视场、轻质量、小外形尺寸、大相对孔径、高成像质量的特点和发展趋势,利用ZE-MAX求解并优化空间相机共轴三反光学系统的结构参数,设计出了焦距为5 000 mm,F数为10的共轴三反射光学系统。设计结果表明:该系统视场角达8°,空间频率为50 lp/mm,调制传递函数值均大于0.4,接近衍射极限,满足高分辨率空间相机不同的使用要求。该设计对空间相机红外光学系统结构选型、设计与制造具有一定的理论指导作用和意义。

宽视场遥感相机像移速度模型及补偿策略

宽视场遥感相机在轨成像期间,受地球自转、卫星颤振、姿态机动等因素影响而产生像移,导致成像质量降低。为此,提出了一种适用于宽视场遥感相机的像移速度模型,并考虑了离轴角对计算精度的影响,推导了离轴三反相机像移速度和偏流角解析式。以某卫星为例,仿真分析了3种典型成像模式下像移速度和偏流角在焦面的分布情况,仿真结果与定性分析结果一致,验证了像移速度模型的正确性。在此基础上,针对侧摆兼具俯仰成像模式,提出了相应的像移补偿策略。补偿效果表明,卫星侧摆35°兼具俯仰35°成像时,采用全局优化偏流角匹配策略能保证整个焦面区域的调制传递函数（modulation transfer function,MTF）均大于0.95（16级）;采用局部优化偏流角匹配策略能保证焦面重点观测目标的MTF大于0.95（96级）;采用提出的像移速度匹配策略在分11组调节行周期情况下,能保证整个焦面区域的MTF均大于0.95（16级）。仿真结果表明,提出的像移补偿策略能有效解决侧摆兼具俯仰成像时的像质下降问题,可为宽视场遥感相机像移补偿提供可靠依据。

基于柔性立体靶标的摄像机标定

针对大视场摄像机标定中,大尺寸靶标加工困难,小尺寸靶标标定精度不高等问题,提出一种基于柔性立体靶标的摄像机标定方法。柔性立体靶标是由多个小平面靶标(又称子靶标)灵活组合的一种靶标形式,将多个小的子靶标摆放在视场周边,以其中1个子靶标坐标系为基础建立柔性立体靶标坐标系。以子靶标之间位置关系不变为约束条件,将各子靶标特征点的局部坐标统一到柔性立体靶标坐标系下,建立以重投影误差为最小的目标函数,采用非线性优化方法得到摄像机参数的最优解。仿真和实验证明采用柔性立体靶标可以达到与相同靶标区域大小的大平面靶标相当的标定结果。