联合变换相关法测量空间相机像移的抗噪性研究

为了研究使用联合变换相关器测量空间相机像移时噪声对测量精度的影响,分别对相关器加入背景噪声和图像噪声,通过仿真得到5种不同处理方法在不同噪声水平下的测量误差,并利用搭建的实验平台验证了使用联合变换相关法测量空间相机像移的有效性。结果表明,相比于其它相关器处理方法,使用功率谱相减并以0值为阈值二值化的方法得到的像移测量精度较高,即使对于SNR=1的输入图像,在含有背景噪声时,像移测量误差不大于0.12个像元,完全满足空间相机的使用要求。     

基于亚像素边缘检测的高精度圆孔参数测量方法研究

为改善用机器视觉对圆孔参数测量结果,减小误差,在利用圆形标定板标定像素当量的基础上,对一种基于亚像素边缘检测的高精度圆孔参数测量方法进行了研究。用改进的Zernike矩亚像素边缘检测方法对边缘点作进一步的细化和筛选,用7×7模板替代原5×5模板,设计新阈值判断标准检测亚像素边缘,再对检测到的边缘点偏离像素进行抑制以获得更精确的图像边缘点;用最小二乘法进行圆形拟合获得圆形参数。给出了改进算法的基本步骤。用实验讨论了在自然光条件下,相机曝光亮度,以及相机与被测物体距离对测量结果的影响。结果表明:改进的方法对环境适应性强,易实现,曝光亮度30~50时测量精度较好;相机与物体距离50~60cm时,测量精度可达0.02mm。该法在高精度的工业检测中有广泛的应用前景。     

基于惯性参考基准的像移测量与图像复原

卫星上存在高、中、低频率的微振动源,引起光学载荷光轴抖动,造成遥感图像成像品质下降。文章提出了一种基于惯性参考基准的像移测量与图像复原方法,介绍了该方法的原理和涉及的关键部件。为验证该方法的可行性和性能,研制了一套地面试验验证系统,包括验证相机(含惯性参考基准单元、哈特曼传感器)、积分球、靶标、平行光管、隔振平台、激振器、六自由度支撑台,以及相应的图像复原软件等。测量了试验环境的背景噪声,开展了像移测量精度试验,在此基础上完成了多种工况下的图像恢复试验。结果表明,基于惯性参考基准的像移测量误差均方根值不超过0.12像元,基于测得的像移数据可显著提升像质,图像的调制传递函数一般可提升至原图的1.38～1.52倍。该方法获得的像移数据还可以反馈给稳像镜,实时补偿星上微振动,有助于直接获取高品质图像。     

基于图像的高精度实时光学稳像控制系统

针对空间CCD相机由于平台振动造成的成像模糊问题,研制了一套光学稳像控制系统。利用高速CCD帧频高特点,结合基于图像的像移测量原理,设计了像移补偿闭环控制算法,实现了光轴的稳定控制,从而实现了相机稳定成像,提高图像清晰度。实验结果表明稳像控制系统动静态性能稳定,在一定带宽范围内有效减小甚至消除了平台振动对相机成像品质的影响。     

一种用于无人机航空相机标定的角点检测算法

在实现无人机航空相机的高精度标定中,模板图像中角点提取的精度是至关重要的因素。为了实现高精度角点的提取,以及亚像素角点像素的修正,提出了基于Hessian矩阵的X型角点形状算子的亚像素角点提取方法。实验分析验证,该方法提取精度较高,提取过程简单,计算量小,大大简化了标定过程。     

基于成像拖尾效应的图像测速算法

根据相机成像拖影长度与相机运动及曝光时间的关系,提出一种基于成像拖尾效应的图像测速方法,给出了用航拍相机进行图像测速的实施方案。建立了影像与成像平面和地面景物间的相对运动模型,设计了基于互相关分析的拖影长度测量方案,给出了测量算法,并分析了像素尺寸和成像比例等对测速精度的影响。算例表明：该法对速度无剧烈变化的准匀速运动的测速效果较好,为飞行器实时飞行速度测量提供了一种解决方案。     

抗光轴扰动的双目视觉测量方法

针对交会对接过程中双目测量相机受空间环境影响其光轴指向发生扰动的问题,提出一种抗光轴扰动的双目视觉测量方法。通过辅助光路将固定于卫星本体的参考标志分别成像于两侧像面的边缘,根据其图像变化估计光轴扰动变换矩阵,补偿因光轴扰动而产生的像面变化,从而实现抗扰动测量。理论推导表明：只要参考标志位于两侧相机视场内,便能够校正相机光轴扰动。利用地面试验平台进行了光轴扰动校正的仿真试验,试验结果表明：当两侧相机光轴存在扰动时,该方法能够有效校正光轴扰动,极大地提高了三维位置的测量精度。     

基于点源阵列的星载面阵CMOS相机静态PSF测量

点扩散函数(Point Spread Function,PSF)能够完整表征物空间一点发出的光经过相机系统在像空间的分布特性,是空域图像复原、图像超分等处理的关键先验信息。针对基于点源的星载面阵CMOS相机静态点扩散函数PSF测量受点源相位影响、采样点少的问题,分析了相位模型,建立了相位理论模型模板库,提出了基于相似性度量函数模板匹配的相位确定方法,首次形成一套点源阵列靶标设计及数据处理方法,并对该PSF测量方法进行蒙特卡洛仿真,结果表明文章提出的方法对信噪比变化不敏感,具有较强稳定性,以二维高斯分布标准差衡量,测量精度达到95%。将该方法用于"高分四号"卫星全色CMOS相机的静态PSF测试,证明了该方法在星载面阵CMOS相机静态PSF测试工程应用中的可行性。     

一种空间推扫型光学成像系统几何映射方法

卫星光学遥感器在轨成像会受到颤振的影响,因此图像品质受姿态稳定度的影响很大,而高分辨率图像受到平台误差的影响更加明显。通过研究空间相机的几何模型,提出了一种从地球坐标系到空间光学遥感器坐标系之间的转换关系;分析了在轨卫星的姿态误差和运动源,并在几何模型中加入了内外方位元素特征;然后进行了空间TDICCD相机的成像仿真实验。为了在像面上模拟颤振,分别进行不同模态的颤振仿真,并且对视线范围内多模态综合作用进行仿真。仿真实验是基于三个轴系方向的,并且计算了TDICCD仿真图像的几何畸变量,模型中几何畸变量的测量尺度达到亚像素级,结果有利于指导卫星平台和遥感器的参数设计。     

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.     

高分辨率敏捷卫星颤振对成像的影响分析方法

高分辨率敏捷卫星在轨姿态机动成像过程中,姿态控制执行机构的控制力矩陀螺（Control Moment Gyro, CMG）在正常工作时会产生附加的扰动力和扰动力矩,经振动传递,造成相机内部敏感光学元件之间的相对运动,从而对图像品质造成影响。为了研究 CMG 颤振对高分辨率敏捷卫星成像的影响,文章采用集成建模分析方法,构建包括扰动、结构、控制、光学在内的颤振集成模型。以某型号空间相机为研究对象,对此相机的动力学特性和光学系统敏感度进行了分析,得到相机敏感光学元件的振动响应,以及颤振在相机焦面产生的像移,研究了CMG颤振对高分辨率敏捷卫星成像的影响分析方法,可为其他类型颤振的影响分析提供参考。     

相机摆放方式对推扫成像试验的影响分析

为了减小空间TDI CCD相机外场成像过程中相机摆放方式引入的误差,更准确地评价相机成像性能,提出了一种相机最佳水平摆放角、半径以及成像仰角的计算方法。建立了推扫成像的像移矢量数学模型,定义了像移矢量与水平摆放角、半径之间的函数关系,对工程近似进行了误差分析。建立了相机仰角与像移失配率之间的函数关系,提出了最佳仰角的计算方法。分析结果表明：在常规大气条件下,水平摆放角为0°,摆放半径为0, 仰角为7°时,相机摆放方式对成像影响最小,成像结果最能客观反映相机性能。     

微振动对高分辨率空间相机成像影响的集成分析

文章应用集成建模思想对某型高分辨率空间相机进行了微振动影响的结构-光学集成分析。首先分别建立了该空间相机的微振动载荷模型、结构有限元模型和光学系统模型。然后对微振动载荷作用下的结构有限元模型进行动力学分析,获得空间相机各光学元件的响应位移,并输入到Code V光学模型中做光学系统仿真分析,得出MTF下降和像移情况。通过结果数据的对比分析表明,空间相机对沿坐标轴平动和转动的6种微振动载荷具有不同的响应敏感性,为改进设计、隔振抑振提供了参考。     

一种基于图像形态学的深空图像模糊复原方法

针对深空目标与空间相机相对运动造成的图像运动模糊问题,文章提出了一种基于图像形态学的运动模糊复原方法。首先运用图像形态学细化的方法消除图像中的冗余信息,快速提取图像中目标的特征;其次运用最小二乘法直线拟合方法对目标运动方向进行估计,再利用连通域划分结果对目标运动长度进行估计;最后采用约束最小二乘方滤波对退化模型进行逆推导运算来实现目标运动模糊复原。通过实验验证结果表明：文章提出的基于图像形态学的深空图像运动模糊复原方法能够正确估计运动模型参数,通用性强,易于在轨实现,可以处理目标与相机相对运动造成的运动模糊问题,在目标运动方向不一致的图像中取得了良好的复原效果。     

姿态对地指向不断变化成像时的偏流角分析

 针对敏捷卫星在三轴姿态机动过程中同时进行推扫成像的偏流角问题,基于线阵TDICCD推扫成像原理,分析了动态成像过程中的偏流原理,通过速度矢量法推导出动态成像方式下的偏流角数学解析表达式。数值仿真分析表明：当相机推扫速度方向与星下点速度方向的夹角η为0°（沿航迹方向推扫成像）或180°（沿航迹反方向推扫成像）,偏流是由地球自转产生的,数值较小;当夹角为0°＜η＜180°时,偏流是地球自转和轨道运动共同产生的,偏流角数值较大;当夹角η=90°（垂直于航迹方向推扫成像）时,偏流角随地理纬度的增大而增大。基于以上结论,采用姿态偏航控制对偏流角进行调整,可以实现在三轴姿态机动过程中开启光学有效载荷进行推扫成像的动态成像技术。     

侧摆摄影偏流角和速高比的计算模型

像移会使图像质量退化,分辨率下降,为此必须对像移进行补偿。文章从空间相机像移补偿的角度出发,建立了卫星遥感中偏流角和速高比的概念;通过坐标转换推导出了卫星在星下点、侧摆、俯仰摄影模式下偏流角和速高比的计算公式,从而可考虑对所产生的像移进行补偿。     

一种基于调节三镜的空间光学相机离焦补偿方法

离焦补偿是空间光学相机获得良好成像品质的关键。文章基于空间光学相机的技术特点分析其离焦补偿方法,提出调节三镜的离焦补偿方法。利用CODE V光学软件对某高性能光学小相机的光学系统进行仿真分析,获得离焦补偿精度、离焦补偿范围与系统成像品质的关系。为保证光学系统对移动三镜倾角控制要求,对三镜调焦机构直线精度及其力学稳定性进行了测试,最后对相机进行了地面外景成像验证与在轨测试。仿真及试验测试结果表明,调节三镜能有效地补偿空间三反相机在轨各因素引起的系统离焦,满足相机在轨成像品质要求。     

采样式成像系统中混叠影响的初步研究

由于采样的固有局限性 ,绝大多数可见和红外的采样式成像系统都存在着不同程度的频率混叠 (或者虚假响应 )问题。伴随着对高分辨率遥感图像的追求 ,采样式成像系统中混叠对图像质量的影响程度一直是人们所关心的问题 ,并提出了不少混叠的量化及容忍程度的方法和标准。文章采用Shade提出的混叠标准 ,对当今的IKONOS、Quickbird、Pleiades等卫星上的高分辨率空间相机进行了仿真和计算 ,分析了这些采样式成像系统中频率混叠的程度 ,并就得到的理论结果提出了建议和看法