晨昏轨道微光相机成像策略研究及仿真验证

为满足晨昏轨道微光相机大动态范围成像要求,针对EMCCD器件,提出一种微光相机成像策略。该策略通过对积分时间及电子倍增数的设计及选取,制定若干成像档位,相机成像过程中,利用文章中提出的图像灰度最大值法实时计算结果决定档位动作,实现微光相机成像参数实时调整。通过地面仿真及在轨验证,该策略能够保证微光相机在大动态范围内获取高信噪比、高品质图像,具有良好的实时性、鲁棒性和有效性。     

基于集成信号处理芯片的CCD相机视频电子学系统设计

集成信号处理芯片的使用大大简化了CCD（Charge Coupled Device）相机视频电子学系统的设计,减小了系统的噪声,提高了系统的成像品质。通过对某项目CCD相机电子学系统的分析,介绍了基于9942集成信号处理芯片的CCD相机视频电子学部分的设计方法。这种基于集成信号处理芯片的相机视频电子学系统设计方法对今后遥感相机的设计具有较好的实际借鉴意义。     

基于FPGA的CMOS图像传感器LUPA-4000时序设计

文章在分析CYPRESS公司CMOS图像传感器LUPA-4000驱动时序的基础上,采用现场可编程逻辑阵列(FPGA)作为其硬件实现平台,使用Verilog作为该时序设计的编程语言,设计了在其极限频率66MHz下,包含系统校时功能、积分时间可调功能、并行操作功能、多斜率积分功能和NDR(Non-destructive readout)功能的驱动时序。该设计不仅能产生正确的时序以驱动芯片正常工作,而且充分开发了该器件的辅助扩展功能,大大增加了器件使用的灵活性,有效提高了该传感器的成像品质。经软件仿真和结合硬件平台的测试证明:该设计的正确性和稳定性均满足要求。此时序设计驱动下的探测器芯片动态范围更大、工作更灵活,适合于空间探测,尤其适用于空间暗目标的动态跟踪。     

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。     

滤光片装调误差对成像品质的影响

采用离散滤光片分光技术设计了面阵全色/多光谱相机,针对相机高分辨率、高成像品质的要求,从理论上研究了滤光片装调误差对系统成像品质的影响,推导出滤光片仅存在俯仰或倾斜装调误差,以及两种误差同时存在时由于滤光片装调误差所引起的光学系统焦距的变化和成像位置在探测器像面上的移动量,仿真分析了两种误差独立存在和同时存在时对系统调制传递函数(MTF)的影响大小,以及不同入射角度下滤光片装调误差对成像品质的影响,为滤光片结构设计和装调提供了参考,飞行试验结果验证了理论分析的正确性。     

基于电子倍增CCD的微光成像遥感器焦面电路设计

文章介绍了一种以EMCCD为探测器件的星载遥感器焦面电路实现方案。利用FPGA基于VHDL语言设计了驱动时序发生模块,运用直接数字频率合成技术、LVDS总线传输技术和大幅值信号放大技术构建了EMCCD硬件驱动电路。为满足卫星在线配置的需求,电路设置了遥控遥测接口模块。在EMCCD读出模块和焦面电源模块设计中提出了一定的降噪方法。最后,对EMCCD焦面电路样机进行测试,证实了该设计的有效性和可行性。     

大尺寸离轴反射式相机的仿真集成分析方法

离轴三反相机光学元件的不对称性,给相机的温控设计带来较大难度,因此有必要研究各种温度场对离轴三反相机性能的影响,特别是大型离轴三反相机,由于其外形尺寸大、焦距长、构型复杂,增大了研究难度。文章针对某大型离轴三反相机,通过光机热集成分析的方法,研究了其性能受不同温度影响的变化规律,从而为设计合理的热控措施提供依据。通过计算相机真实在轨温度场,得到温度边界条件;利用集成分析软件仿真了10种温度工况下相机光机结构的变形规律;最后利用光学仿真软件计算出光机系统的成像品质。仿真结果表明:若干温度工况下,相机的反射镜更容易产生离焦现象,而不容易产生离轴和倾斜现象;相机对整机径向的温度差最敏感,对轴向的温度差最迟滞;均匀温度变化和单个反射镜的温度差变化对相机的成像品质不产生影响。     

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。     

线阵CCD倾斜布置敏捷卫星辐射定标的姿态计算方法

针对搭载倾斜布置的多片线阵CCD相机的敏捷卫星上所有探测器对同一区域成像的相对辐射定标,提出了基于地面成像轨迹重合的偏航角速度计算模型与方法,充分利用敏捷卫星对偏航角速度的控制潜力。建立了地面物点到相机焦平面的空间坐标变换关系;推导了斜视成像时地心角的计算公式;给出了对同一区域成像的敏捷卫星偏航角速度计算方法。以5片线阵CCD共30 000个探测器、相邻两片倾斜0.3°的敏捷卫星作为仿真对象,给出了所有探测器在约30s的定标成像过程中的地面轨迹间隔宽度,结果表明:为了实现所有探测器对同一区域成像,需要间隔一定周期调整偏航角速度,当调整周期为0.36s时,对应的地面轨迹宽度在赤道附近优于1个像元、在纬度50°附近优于6个像元。文章对敏捷卫星基于同一区域成像的相对辐射定标可提供一定的参考价值。     

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。     

航天光学遥感仪器

文中介绍了被动遥感光学仪器的光学设计,主要是星载多谱段相机和成像光谱仪的设计。讨论了过去10年中这类仪器所采用的主要设计和未来成像光谱仪的设计方案。     

月面巡视探测器立体相机共线方程的建立

为了准确提取月面巡视探测器探测区域的DEM并实现对月面巡视探测器的高精度定位,需要根据月面巡视探测器携带的立体相机的成像原理和配置情况,建立立体相机的共线方程。文章讨论了在水平和垂直方向旋转摄影条件下,月面巡视探测器桅杆上的立体相机的共线方程。     

漏电流对CMOS探测器成像品质的影响分析

CMOS探测器近年来在工业、民用、航天等领域得到了广泛的应用,而漏电流对CMOS探测器成像品质影响的研究却较少。文章针对CMOS探测器在低读出速率时造成图像噪声过大的原因进行了分析,发现CMOS探测器的漏电流是产生该种图像噪声主要成因,并对不同读出速率下的像质进行了试验分析。理论和试验结果表明:在较低的读出速率时,CMOS探测器的漏电流产生的噪声过大,导致图像噪声的增大,影响了像质。因此,设计CMOS相机时应重点考虑低读出速率时,CMOS探测器漏电流对像质的影响,必要时要增加缓存,以便获得更好的像质。文章将为CMOS探测器在低速读出应用、设计提供一定的参考。     

航天光学遥感仪器

文中介绍了被动遥感光学仪器的光学设计，主要是星载多谱段相机和成像光谱仪的设计。讨论了过去１０年中这类仪器所彩的主要主要设计和未来成像光谱仪的设计方案。     

一种点目标探测系统能量集中度计算方法

在点目标探测系统中,光学系统的能量集中度决定了单个像元收集到点目标能量的水平,直接影响点目标探测系统的图像信噪比。在相机设计完成后,需要对相机的能量集中度进行测试,评价相机的性能。传统方法对点目标探测系统的能量集中度计算采用"中心像元法",由于相机探测器中心位置偏移和靶标尺寸的影响,计算结果存在很大误差。文章通过建立点源靶标成像模型,分析出靶标尺寸和探测器位置对点目标像斑的影响,提出了求解点目标能量集中度的一般过程,并设计出了一种容易实现的计算方法。通过对点目标像斑进行高斯拟合,然后通过两次反卷积去除探测器位置和靶标尺寸的影响,实现了对能量集中度的求解。计算结果表明,文中提出的方法比传统方法更接近实际情况,具有工程应用价值。     

一种星载相机EMCCD高压驱动电路设计

介绍了一种星载相机电子倍增CCD（EMCCD）高压驱动电路的设计。该设计基于FPGA,采用直接数字频率合成技术实现正弦码数的发生,并能接收卫星指令信号进行在线调幅和调相;然后通过低压差分信号（LVDS）总线和高速大幅值运放技术,把正弦信号转化为EMCCD所需的高压倍增驱动信号。利用仿真与计算进行电路参数设定,并研制了实物样机。试验结果显示：电路生成的驱动信号相位调整步长为π／8,幅值调整精度优于0．01V。该设计可为国内后续EMC-CD卫星相机的研制提供参考。     

超模式采样在资源红外相机中的应用研究

介绍了超模式采样的研究背景和成像概念 ,在此基础上提出了超模式采样应用于资源红外相机B9谱段的方案 ,设计了资源红外相机B9谱段的超模式采样探测器焦平面组件 ,并就工程实现设计了实验原理图和相关的实验步骤。     

大口径长焦距相机主次镜支撑结构方案初步研究

随着航天技术的迅猛发展,为了实现高分辨率的对地观测,大口径、长焦距的空间相机已成为发展趋势。连接相机主镜和次镜的支撑结构,很大程度上影响相机的成像性能和稳定性,是光学系统的敏感环节。为了得到更好的成像品质,文章选择了筒式、三杆式与桁架式这3种支撑方案作为研究对象,通过工程分析软件对每种结构的设计参数进行优化并进行有限元分析,通过对结构的力学稳定性、热稳定性以及质量等因素的综合考虑,最终选择桁架式支撑结构为最优方案,更适合于大口径、长焦距相机的发展趋势,并提出了该种结构进一步优化的空间与方向。     

空间相机离轴角引起的积分时间误差分析

光学遥感卫星中空间相机常用的离轴三反光学系统,离轴三反系统能扩大光学系统视场、提高系统调制传递函数（MTF）,但是离轴角会带来积分时间不同步的问题,文章对离轴角引起的积分时间不同步而产生的成像品质影响进行了分析。首先对离轴三反光学系统的离轴角建立数学模型后,应用STK软件仿真空间TDICCD相机在不同级数下离轴角带来的摄影点积分时间和星下点积分时间的差异,然后用Matlab编写程序处理得到的不同积分时间的采样点得出结论,离轴角越大,光学系统的传递函数越小,光学相机成像品质越差。在工程应用中,对一个确定离轴角的离轴三反光学系统,通过仿真,对积分时间调整给出了相应设计建议。     

推扫CCD相机对地观测卫星的轨道设计

针对推扫电荷耦合器件（CCD）相机成像特点,根据太阳同步回归轨道卫星轨道设计方法,给出了CCD光学对地观测卫星的轨道高度设计方案,并分析了所设计轨道的地面光照条件。结果表明设计方案合理可行。