打造一流的民用遥感卫星相机——高分-1卫星相机研制纪实

高分-1是我国高分辨率对地观测系统的首发星,依靠星上搭载的6台相机,这名"排头兵"刷新了我国民用卫星在分辨率水平和地面覆盖范围上的纪录。其中,2台高分辨率相机按一定角度并排装载在卫星上,实现了扩大观测幅宽的目的;4台宽覆盖多光谱CCD相机通过对地面景物推扫成像,获取4个谱段的宽覆盖、中分辨     

光学遥感成像系统调制传递函数补偿技术

在分析逆滤波和维纳滤波的基础上,针对CBERS卫星成像系统特性,对光学遥感成像系统调制传递函数补偿(MTFC)技术进行了研究和改进。从MTFC曲线形状角度,提出较大幅度提高中频而适当提高高频信息的MTFC补偿曲线优化设计思想,在增强图像清晰度的同时,有效抑制了噪声。文章以CBERS-02B卫星高分辨率相机(HR)成像系统为例,试验结果表明:MTFC能够显著提高图像品质,同时也会引入一定的噪声,最后对MTFC的适用性给出了建议。     

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。     

多场景高分辨率遥感图像快速拼接技术

光学遥感卫星拍摄过程中大视场与高分辨率间的相互矛盾,引起国内外研究人员的广泛关注。提出一种基于相机参数保持的快速拼接算法。该方法对高分辨率图像进行降采样处理,利用降分辨率图像的配准信息恢复相机参数,能够改进拼接过程,提高拼接效率。实验结果表明,相对于传统拼接方法,该算法能够将配准时间缩短2倍以上,将遥感图像的拼接质量提升5%~35%, 适用于建筑、森林、农田、湖泊四类场景。通过对存在噪声、亮度差异及不同模糊程度的遥感图像进行拼接实验,验证了该方法的鲁棒性和可行性。     

全球卫星导航系统兼容性评估方法研究

目前,卫星导航系统兼容性评估方法主要是计算机仿真验证,难以复制真正的导航系统运行条件,改变任何一个参数都需要重新进行仿真,计算量和分析量很大,并存在较大误差。文章以卫星导航接收机为落脚点研究导航信号的兼容性。首先,根据干扰信号对全球导航卫星系统接收机捕获、载波跟踪、数据解调等的影响,推导了即时相关器输出的信号功率对噪声功率加干扰功率之比的模型,建立了基于频谱隔离系数的等效载噪比模型,利用相对较简单的等式就获得了干扰的一级评估;其次,具体分析了GPS C/A码自干扰时导航信号到达地面的功率、天线增益,以及星座功率增益等参数;最后,给出GPS C/A码自干扰时等效载噪比衰减的测试结果,在信号捕获时,多普勒频移为kHz的整数倍C/A码自干扰对所需GPS C/A码的等效载噪比衰减程度最大,达到9.6dBHz。该方法可以为中国新一代卫星导航系统信号设计提供参考。     

轨道末期星载相机侧摆成像匹配分析与实验

通过分析卫星轨道末期星载TDI CCD相机成像面临的数据读出频率过大、像移失配严重等瓶颈问题, 提出了轨道末期卫星侧摆成像匹配方案. 依据轨道衰减高度, 设计侧摆成像匹配模型, 计算出轨道高度与匹配成像侧摆角度之间的变化关系, 对侧摆成像时的像移速度矢量、偏流角度、成像畸变等进行了定量的可行性分析, 并利用蒙特卡洛方法分析了满足侧摆成像的卫星姿态指向精度和稳定度. 利用基于小型三轴气浮台的小卫星姿态控制系统和TDI CCD相机成像系统进行仿真试验, 结果表明, 仿真图像的MTF函数和互相关相似性测度均在0.85以上, 侧摆成像匹配方案能较好地满足轨道末期成像需求.      

模态综合在遥感卫星颤动响应分析中的应用

高分辨率遥感卫星对地观测时,星上部件的运动使星体产生颤动响应,该响应会对成像质量产生一定影响。介绍了基于混合界面综合方法的遥感卫星动力学模型及其简化计算方案;给出了运动部件拢动影响下遥感卫星的颤动响应分析仿真结果。这些结果可供卫星总体部门参考。     

虹湾地区高分辨率成像轨控方案

为了获取分辨率更高的全月面图像数据,并对嫦娥三号任务预选着落区之一的虹湾地区进行高分辨率成像,“嫦娥二号”卫星提高了CCD立体相机的分辨率,并通过降轨机动进一步降低轨道高度,在远月点高度100km和近月点高度15 km的椭圆轨道(简称试验轨道)的近月点附近对虹湾地区进行高分辨率成像.由于卫星能源的限制,卫星在该轨道上不能长时间停留.为了保证成像质量,要求太阳高度角必须高于15°.另外,必须有足够的测控弧段来满足测定轨道精度要求.这些约束条件都对该轨道的控制实施方案设计提出了很高的要求.文章结合嫦娥一号任务的工程实践经验,基于中国自身的测控资源和测控条件,对试验轨道进行了特性分析,根据成像约束条件和测定轨要求,给出了试验轨道的控制计算方案,提出了固定开机时刻和燃料最优两种计算方法解算控制参数.计算结果和误差分析结果表明卫星在试验轨道内满足安全和成像要求,确认了该方案的正确性和可行性.     

基于遗传算法的多模型Kalman滤波算法 及应用研究

基于长航时无人机惯性/天文/卫星(INS/CNS/GPS)组合导航系统模型,针对复杂环境所引起的系统模型参数变化导致单一固定参数滤波器精度降低问题,提出了一种基于遗传算法的多模型自适应Kalman滤波算法,并与单一模型下的Kalman滤波器方法进行了比较.仿真结果表明,与采用单一模型的Kalman滤波算法相比,该方法不仅能大大提高导航系统的精度和可靠性,而且还可以较好地辨识出组合导航系统惯性器件噪声统计模型参数.      

基于deramp的星载聚束式SAR改进ECS算法

基于两步成像算法和ECS(Extended Chirp Scaling)成像算法,提出一种结合Deramp预处理的星载聚束式SAR(Synthetic Aperture Radar)改进的ECS成像算法.Deramp预处理是基于SPECAN算法的思想,将信号通过非空变的方位滤波器实现批压缩,该方法在保证成像分辨率的前提下,通过deramp处理消除了由采样率不足导致的方位频谱混叠特别是在星载SAR高分辨率聚束模式下.尽管ECS算法中的子孔径处理可以降低对系统脉冲重复频率的要求,但是脉冲重复频率依然受到单点多普勒带宽的限制.所介绍的方法可以进一步降低ECS算法中子孔径分割处理对脉冲重复频率的要求,使得ECS的算法的应用更为广泛.通过对点目标进行仿真和成像,成像指标评估验证了该算法的可行性.     

波束跃度对星载SAR滑聚模式成像影响分析

针对星载合成孔径雷达(SAR,Synthetic Aperture Radar)滑动聚束模式方位向天线波束无法实现空间连续运动而引入虚假目标的问题,提出了波束跃度对成像质量影响的定量化分析方法.首先在方位向天线波束控制前提下,构建了星载SAR滑动聚束模式回波信号的数学模型.在此基础上,采用成对回波理论定性与定量化分析了波束跃度对成像质量的影响,尤其给出了天线最小波束跃度与虚假目标幅度和位置的定量映射关系,并讨论了不同波段下,虚假目标对分辨率、峰值旁瓣比、积分旁瓣比以及系统增益的影响,为系统顶层合理论证天线最小波束跃度指标提供了可靠的理论依据.通过计算机仿真实验验证了提出的理论分析方法的正确性.     

CCD光学遥感器参数选择研究

介绍了由衍射受限非相干成像系统的衍射分辨率引出的截止频率及混叠的概念. 为了对采样成像系统获得的图像质量进行量化, 使用图像质量因子(λF/P)表示探测器对光学系统线扩散函数采样的程度. 进一步分析了光学遥感器参数选择与信噪比的关系. 选择实际的焦距9 m, F 数为18 的空间光学系统, 利用ZEMAX 软件的像模拟功能, 对选择8.75 μm 和13 μm 像元尺寸的CCD 所获得的图像进行了模拟仿真. 仿真获得的结果验证了图像质量因子和信噪比对图像分辨率的影响.      

无人飞行器自主着舰实时场景的仿真实现

为给垂直起降无人飞行器视觉自主着舰算法研究提供经济可行的解决方案,实现了无人机自主着舰场景的软件仿真以提供算法研究中所需的合格场景图片.基于机器视觉理论,通过分析无人飞行器机载摄像机在自主着舰时考虑了透镜畸变参数的针孔成像模型,给出了无人飞行器着舰靶标的成像公式,并介绍了软件仿真中畸变模型实现时出现的问题及解决办法.为了使仿真图像更逼真,综合考虑了无人飞行器着舰实时场景中所存在的主要干扰,如光照不匀,运动拖影及电气噪声和大气流动和海面悬浮颗粒造成的白噪声等,在C+ +和Windows环境下实现了无人飞行器自主着舰的仿真图像和数据的实时生成.最后展示了部分仿真结果.     

SAR图像超分辨与点扩展函数扰动校正算法

推出基于贝叶斯概率公式的SAR(合成孔径雷达)图像超分辨的最大估计(EM)算法,实现SAR图像雷达截面积的重建.本算法成功地将图像场景的先验知识纳入到图像的重建过程之内,有效提高了图像的分辨力,并采用点扩展函数参数化模型,通过估计该模型的参数,抑制点扩展函数扰动的影响.二者结合,有效地实现了SAR图像的超分辨.本算法的关键是构造合理的点扩展函数模型,能够同时拟合SAR图像数据和成像系统参数的相关信息.     

飞行时间成像系统的数字仿真技术

飞行时间传感器的仿真主要用于评估基于光相位信息的深度数据的处理算法,现有的方法包括基于对场景三维模型生成的特定噪声模式的仿真模型和基于光信号传播的物理过程仿真模型两大类,为飞行时间成像系统建立了特定的仿真平台.但现有的工作并未考虑环境光干扰对测量数据间的非线性耦合关系,而这种关系是附着/着陆敏感器的重要设计要素之一.本文针对小行星附着任务的需求,研究并建立了包含环境光矢量的飞行时间成像仿真环境,验证了包括环境光模型的飞行时间成像仿真方法,对于飞行时间成像技术在光照条件下的成像性能的评估具有重要意义和应用前景.     

高分辨率相机采用集成微反射镜器件校正像差

对已报道的各种集成微反射镜器件进行综述，对其特点和性能进行比较和评价；提出了采用ＭＥＭＳ工艺制造的微反射镜阵列器件作为能动器件，在星载空间高分辨率可见光相机中进行像差校正的想法，并给出对光学波前误差实时校正的具体方法。     

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.