CN109632261A - 一种高频颤振扰动光学tdi相机成像的模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种高频颤振扰动光学TDI相机成像的模拟系统包括气浮高频测量台、执行机构、执行机构控制器、动态靶标、成像模拟源、TDI CCD相机和计算机，其中执行机构安装在气浮高频测量台上；执行机构控制器用于设定执行机构的预设转速，执行机构在气浮高频测量台上高速运转；颤振传感器进行颤振数据采集并输出颤振采集数据至成像模拟源；保持TDI CCD相机固定，动态靶标在隔振台上做一维运动，TDI CCD相机采集理想的靶标像；成像模拟源输出混合高频颤振的靶标像；计算机进行像质比较分析。本发明模拟卫星在轨飞行时产生的高频颤振曲线，经仿真模拟执行机构不同振幅和频率对高分辨率相机的成像扰动，进而为分析星上高频颤振环境如何扰动高分TDI CCD相机成像提供支持。

Description

一种高频颤振扰动光学TDI相机成像的模拟系统

技术领域

本发明涉及空间光学遥感技术领域，特别是涉及一种高频颤振扰动光学TDI相机成像的模拟系统。

背景技术

光学TDI CCD由于其积分成像的特性，能够在低照度的环境下获得信噪比较高的图像，同时还兼具高灵敏度的优点，因而被广泛应用于高分辨率、高精度的空间相机中。但与此同时，高分辨率遥感器的成像质量对卫星上各个部件的随机颤振也越来越敏感，由于其运动的不确定性，在此过程中产生的像移对TDI CCD成像的影响非常复杂。对于TDI CCD，一旦光生电荷包的转移与焦面上图像的运动不同步，就会导致图像模糊和扭曲。

卫星在轨飞行时，产生颤振的原因主要包括：太阳翼驱动机构、力矩陀螺、卫星姿态的改变和飞轮等。根据颤振频率特性的差别，星上随机颤振可以分为高频颤振、低频颤振，各种颤振对成像质量影响也各不相同。卫星上的高速执行部件在工作时主要产生频率较高、幅值大小不一的高频颤振，高频颤振导致TDI CCD像质急剧退化，因此，对其影响的机理研究非常重要。高频颤振导致光学相机等载荷视轴在积分时间内表现为随机晃动，当这个晃动超出一定范围，原本理想情况下集中在一个像元内的光能被分散到周围的像元，从而导致成像质量下降，从图像上表现为成像模糊扭曲，图像的高频空间频率信息损失较大。国内外相关研究领域主要集中在高频颤振隔离、像质复原等，缺乏一种专门针对高频颤振扰动高分辨率光学TDI成像的模拟系统，无法为高分辨率空间相机成像质量的分析提供有力指导。

发明内容

基于此，为解决高分光学卫星在轨清晰成像对高频颤振的抑制问题，为高分辨率空间相机成像质量的分析提供指导，本发明提供一种高频颤振扰动光学TDI相机成像的模拟系统。

为解决上述问题，本发明采取如下的技术方案：

一种高频颤振扰动光学TDI相机成像的模拟系统，包括气浮高频测量台、执行机构、执行机构控制器、动态靶标、成像模拟源、TDI CCD相机和计算机；

所述执行机构安装在所述气浮高频测量台上，所述执行机构与所述执行机构控制器连接，且所述执行机构在所述执行机构控制器的控制下能够进行高速转动；

所述气浮高频测量台上设有颤振传感器，所述颤振传感器与所述成像模拟源连接，当所述执行机构在预设转速下进行高速转动时，所述颤振传感器进行颤振数据采集并输出颤振采集数据至所述成像模拟源；

保持所述TDI CCD相机固定不动，所述动态靶标在隔振台上做一维运动，所述TDICCD相机采集所述动态靶标的理想的靶标像，并将所述理想的靶标像分别发送至所述成像模拟源和所述计算机；

所述成像模拟源根据所述颤振采集数据生成高频颤振曲线，并根据所述高频颤振曲线和所述理想的靶标像模拟所述TDI CCD相机多级积分成像过程，并输出混合高频颤振的靶标像至所述计算机；

所述计算机对所述理想的靶标像和所述混合高频颤振的靶标像进行像质比较分析。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种高频颤振扰动光学TDI相机成像的模拟系统，该系统利用气浮高频测量台和执行机构模拟卫星在轨飞行时产生的高频颤振曲线，并使TDI CCD相机采集沿一维运动的动态靶标的图像来模拟TDI CCD相机的推扫过程，利用成像模拟源将高频颤振曲线和TDI CCD相机采集的理想的靶标像进行结合，从而模拟颤振频率与振幅对TDI CCD相机多级积分成像的影响，最终输出混合高频颤振的靶标像至计算机，使计算机对理想的靶标像和混合高频颤振的靶标像进行像质比较分析，分析结果对于高频颤振对航天载荷成像的影响具有十分重要的指导意义。

附图说明

图1为本发明一种高频颤振扰动光学TDI相机成像的模拟系统的结构示意图；

图2为本发明一种高频颤振扰动光学TDI相机成像的模拟系统的工作流程示意图；

图3为0.7m分辨率板的某一行景物在未受高频颤振影响下的TDI CCD相机多级积分成像所输出的图像；

图4为在成像模拟源中模拟0.7m分辨率板的某一行景物在受高频颤振影响下的TDI CCD相机多级积分成像所输出的图像。

具体实施方式

下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细描述。

在其中一个实施例中，如图1所示，本发明公开一种高频颤振扰动光学TDI相机成像的模拟系统，该系统包括气浮高频测量台1、执行机构2、执行机构控制器3、动态靶标4、成像模拟源5、TDI CCD相机6和计算机7。

具体地，执行机构2存在动静不平衡因子，并且执行机构2安装在气浮高频测量台1上；执行机构2与执行机构控制器3连接，执行机构控制器3用于设置执行机构2的转速，执行机构2在执行机构控制器3的控制下能够进行高速转动。本实施例中的执行机构2可采用航天领域中的飞轮转子实现。

气浮高频测量台1上设有用于采集气浮高频测量台1的颤振信息的颤振传感器，颤振传感器与成像模拟源5连接；当执行机构2在预设转速下进行高速转动时，颤振传感器进行颤振数据采集，并输出颤振采集数据至成像模拟源5。其中，颤振采集数据包括振幅信息和频率信息，预设转速的范围为3000rpm～10000rpm。

将TDI CCD相机6固定不动，动态靶标4在隔振台上做一维运动，模拟TDI CCD相机6推扫成像，在焦面上形成理想的靶标像；TDI CCD相机6将采集到的动态靶标4的理想的靶标像分别发送至成像模拟源5和计算机7。其中，动态靶标4可以采用分辨率板原图。为保证TDICCD相机6的成像效果，本实施例还包括用于为TDI CCD相机6提供照明的光源8。

成像模拟源5根据颤振采集数据生成高频颤振曲线，将理想的靶标像与高频颤振曲线混合，模拟高频振幅与曲线融合后的TDI CCD相机6的多级积分成像过程，并输出混合高频颤振的靶标像至计算机7。

计算机7与成像模拟源5连接，计算机7对理想的靶标像和混合高频颤振的靶标像进行像质比较分析。

在本实施例中，执行机构2和执行机构控制器3之间采用电缆相连；高速运转的执行机构2和气浮高频测量台1之间采用轴承相连接；气浮高频测量台1和成像模拟源5之间采用数据传输线相连接；TDI CCD相机6和像模拟源5之间采用数据传输线相连接；成像模拟源5和计算机7之间采用数据传输线相连接。

如图2所示为本实施例一种高频颤振扰动光学TDI相机成像的模拟系统的工作流程图，具体包括以下内容：

通过执行机构控制器3设定执行机构2的预设转速，执行机构2在气浮高频测量台1上经过低转速、中转速和高转速加速过程后最终加速至指定的预设转速，并在预设转速下保持稳态，从而模拟在轨卫星飞行时的高频颤振状态；

气浮高频测量台1中设有颤振传感器，颤振传感器用于测量执行机构2的颤振状态，并在执行机构2在预设转速下进行高速转动时进行颤振数据采集，将颤振采集数据通过数据传输线输出至成像模拟源5，以使得成像模拟源5获得高频颤振曲线；

使动态靶标4在隔振台上做一维运动；

保持TDI CCD相机6固定状态，模拟TDI CCD相机6推扫过程，在相机的焦面上得到理想的靶标像，TDI CCD相机6将理想的靶标像通过数据传输线分别发送至成像模拟源5和计算机7；

成像模拟源5能够模拟TDI CCD相机6多级积分成像的过程，成像模拟源5根据颤振传感器输出的颤振采集数据生成高频颤振曲线，将高频颤振曲线与理想的靶标像融合，并输出混合高频颤振的靶标像至计算机7；

计算机7用于处理高频振幅与曲线融合后的成像模拟源输出的混合高频颤振的靶标像，将其与未受高频颤振影响的靶标像即理想的靶标像进行比对分析，对二者进行动态MTF(Modulation TransferFunction，调制传递函数)分析。

下面结合实例对本发明进行详细说明：

采用的气浮高频测量台的采样频率范围为10000Hz～100000Hz，这里气浮高频测量台的采样频率采用10000Hz，使执行机构转速从0rpm加速至3000rpm，完成一次执行机构的高频颤振测试和数据采集，获得振幅和频率信息，由此可以输出高频颤振曲线，将其输入到成像模拟源中。

动态靶标采用分辨率板原图，将TDI CCD相机获取的靶标像也输入到成像模拟源中，模拟高频颤振下TDI CCD的成像模式。

对于高频颤振，曝光时间t_E至少包括一个颤振周期T，而且曝光时间t_E内像点运动的幅值范围始终为2A。

本实施例中，高频颤振的周期T为10ms，即颤振频率F为100Hz，设其扰动形式为

其中A为高频颤振的幅值，为初始相位。

本实施例中，TDI CCD的行转移周期为100μs，对于48级积分的高频颤振临界频率为

满足高频颤振的要求。

即TDI CCD成像100行时为一个高频颤振周期，存在2A的振幅扰动，高频颤振使图像存在正余弦式扭曲现象。

本实施例中，卫星运行的轨道高度H为656km，地面像元分辨率GSD为0.72m，像元尺寸a为8.75μm，则相机的焦距f’为

在本实施例中，在TDI CCD相机推扫方向上，当高频颤振产生的像元偏差为0.5个像元时，则在靶标上产生的偏差为0.36m，因此在图像上某一行的表现即为边缘出现弯曲和模糊。

图3表示TDI CCD相机多级积分成像过程中，靶标的某一行即第i行(Row(i))景物在未受高频颤振影响时所形成的图像，图中N为TDI CCD相机的最大积分级数，其代表值一般有48，96和128。可以看出，积分输出的图像对比度更高，且边缘清晰。

将获得的靶标像输入成像模拟源，在成像模拟源中模拟0.7m分辨率板的第i行(Row(i))在高频颤振影响下的TDI CCD相机多级积分成像，如图4所示，因受到高频颤振的影响，对该行的每一级积分过程中，在TDI CCD相机推扫方向和TDI CCD相机靶面方向上都会存在像素级的位移。最后对该行进行积分输出时，该行图像表现为对比度下降、边缘模糊扭曲。

通过图3和图4对比可知，该行景物未受高频颤振的影响时，每行CCD(TDI CCD为二维阵列)对该行景物积分的过程中，都未出现像元偏移的情况，而在高频颤振的影响下，像元发生了偏移。

利用计算机对理想的靶标像和混合高频颤振的靶标像进行处理，由计算机的输出图像可知，与未受颤振影响的靶标像相比，混合高频颤振的靶标像边缘出现了模糊和扭曲。最后，计算机将两者比对进行动态MTF分析，分析结果对于高频颤振对航天载荷成像的影响具有十分重要的指导意义。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种高频颤振扰动光学TDI相机成像的模拟系统，其特征在于，包括气浮高频测量台(1)、执行机构(2)、执行机构控制器(3)、动态靶标(4)、成像模拟源(5)、TDI CCD相机(6)和计算机(7)；

所述执行机构(2)安装在所述气浮高频测量台(1)上，所述执行机构(2)与所述执行机构控制器(3)连接，且所述执行机构(2)在所述执行机构控制器(3)的控制下能够进行高速转动；

所述气浮高频测量台(1)上设有颤振传感器，所述颤振传感器与所述成像模拟源(5)连接，当所述执行机构(2)在预设转速下进行高速转动时，所述颤振传感器进行颤振数据采集并输出颤振采集数据至所述成像模拟源(5)；

保持所述TDI CCD相机(6)固定不动，所述动态靶标(4)在隔振台上做一维运动，所述TDI CCD相机(6)采集所述动态靶标(4)的理想的靶标像，并将所述理想的靶标像分别发送至所述成像模拟源(5)和所述计算机(7)；

所述成像模拟源(5)根据所述颤振采集数据生成高频颤振曲线，根据所述高频颤振曲线和所述理想的靶标像模拟所述TDI CCD相机(5)多级积分成像过程，并输出混合高频颤振的靶标像至所述计算机(7)；

所述计算机(7)对所述理想的靶标像和所述混合高频颤振的靶标像进行像质比较分析。

2.根据权利要求1所述的一种高频颤振扰动光学TDI相机成像的模拟系统，其特征在于，

所述执行机构(2)通过轴承安装在所述气浮高频测量台(1)上。

3.根据权利要求1或2所述的一种高频颤振扰动光学TDI相机成像的模拟系统，其特征在于，

所述动态靶标(4)采用分辨率板原图。

4.根据权利要求1或2所述的一种高频颤振扰动光学TDI相机成像的模拟系统，其特征在于，

所述预设转速的范围为3000rpm～10000rpm。

5.根据权利要求1或2所述的一种高频颤振扰动光学TDI相机成像的模拟系统，其特征在于，还包括用于为所述TDI CCD相机(6)提供照明的光源(8)。