CN110261072A - 一种可模拟动中成像的动态靶标 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可模拟动中成像的动态靶标，采用气浮轴承与电机实现低扰动、高稳定转动；采用光栅尺，实现角度、角速度、角加速的精确测量；采用ULE圆柱形玻璃罩作为靶标图案基底，实现靶标图案的高稳定性和连续性；采用柯勒照明系统，保证靶标图案照明均匀性及辐亮度性能；采用了多间距、相位渐变条纹作为靶标图案，可准确分析并消除相位失配带来的影响。上述各单机有机组合，组成动态靶标，具有大范围连续变速功能、极高的精度、极小的扰动量，可以精确模拟速度大小、速度方向连续变化的动态景物，满足动中成像的定量化评测需求，为动中成像系统的性能准确分析与测试提供重要基础。

Description

一种可模拟动中成像的动态靶标

技术领域

本发明涉及空间光学遥感技术领域，尤其涉及是一种可模拟动中成像的动态靶标。

背景技术

传统光学遥感卫星，主要采用被动推扫成像模式，连续成像过程中推扫速度的方向和大小不变，相机的成像参数稳定不变。动中成像光学遥感卫星，作为新一代高性能光学遥感卫星，具有良好的机动性、稳定性和成像参数自主匹配能力，可以进行主动推扫成像，即可以在速度方向和大小不断变化的情况下实现灵巧曲线成像。动中成像光学遥感卫星成像参数复杂多变，且具有分辨率高、行频高、TDI级数高、匹配精度要求高等特点。动中成像光学遥感卫星可以实现更多成像模式、更高的成像效率，具有重要的应用前景。

动中成像过程中卫星的机动速度连续变化，相机探测器的行频也要随着连续变化。为了模拟动中成像过程，验证相机行频高精度连续调整性能，需要一台高性能动态靶标，该动态靶标需要具有高精度、低扰动、高稳定性、可无级变速、可双向转动等特点。

传统光学遥感卫星成像参数稳定不变，采用传统的机械轴匀速靶标即可开展地面模拟成像试验。然而，动中成像光学遥感卫星成像参数复杂多变，精度要求很高，采用传统的动态靶标难以有效开展地面模拟动中成像试验。

为了满足动中成像模拟试验要求，需要一种高性能、高精度动态靶标，该靶标需要具有大范围连续变速功能、极高的精度、极小的扰动量、先进的靶标图案设计、辐亮度连续调整等功能，以全面、准确模拟动中成像性能。

传统动态靶标在动中成像应用中具有较大的局限性，主要在于：

1)传统动态靶标，采用机械轴，受机械轴自身扰动影响，动态靶标的景物模拟精度较低，稳定性较差，只能进行定性评价，不能进行定量评测；

2)传统动态靶标，只能匀速转动，不能根据规划运动速度曲线变速转动，不能进行速度时变的动中成像性能评测；

3)传统动态靶标，只能单向转动，不能模拟双向扫描模式下的动中成像性能；

4)传统动态靶标，靶标条纹相位是静态的，不是渐变的，，不能定量分析靶标条纹与像元失配问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种可模拟动中成像的动态靶标，有效解决了动中成像光学遥感卫星地面模拟动中成像需要解决的大范围连续变速功能、极高的精度、极小的扰动量等关键问题，保证动中成像模拟试验的全面性、准确性。。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

提供一种可模拟动中成像的动态靶标，包括：玻璃罩、照明系统、气浮轴承、电机、光栅尺以及控制系统；其中，

玻璃罩，靶标图案通过镀膜、刻划等手段附在玻璃罩的外表面；

照明系统，用于靶标图案的照明；

气浮轴承，用于支撑玻璃罩，并能够在电机的驱动下绕轴转动；

光栅尺，测量气浮轴承的角度；

控制系统，控制电机驱动气浮轴承按照规划运动曲线转动；并根据光栅尺实测的角度信息，计算得到实际的角速度、角角速度，并计算得到的成像参数发给成像相机。

优选的，所述玻璃罩采用中空的圆柱形透明玻璃，玻璃材料选择ULE玻璃材料。

优选的，圆柱形玻璃罩外表面半径R满足下面条件：

其中，W是靶标转动切向有效成像宽度；F配套使用的平行光管焦距与通光口径之比；λ为照明系统所发出光线的中心波长；ε为有效成像宽度边缘条纹与中心条纹的相对投影畸变要求。

优选的，所述靶标图案为明暗相间的条纹，包括多个正方形横条纹组和竖条纹组，单条纹宽度w_p等于成像相机像元p_c在圆柱玻璃罩外表面上的投影尺寸p_t的正整数倍；横条纹组沿转动方向；竖条纹组沿转动轴线方向。

优选的，横条纹组和竖条纹组依次交错排列，围绕圆柱形玻璃罩一周，形成一行条纹组；同一列由m组相同条纹组组成，m为3～10,同一列各条纹组沿切向依次位错1/m条纹宽度，同一列各条纹组沿轴向依次位错1/m条纹宽度。

优选的，横条纹组和竖条纹组的明暗条纹对比度大于100；非条纹区域，发黑处理，不透光。

优选的，所述照明系统采用柯勒照明系统，照明系统的出瞳位于被照明玻璃罩条纹处；出瞳处照明光的张角大于配套平行光管的孔径角；照明光源出瞳处辐亮度可调：10～2500W/m²·Sr，以模拟不同反射率、不同太阳高度角下的地物。

优选的，所述光栅尺位于气浮轴承上，用于测量轴承的角度，测角精度优于σp_t/R，测角频率高于3α/σω,p_t为成像相机像元在圆柱玻璃罩外表面的投影尺寸，R为圆柱形玻璃罩外半径，σ为同步精度要求，ω为圆柱玻璃罩绕中心轴线的角速度；为圆柱玻璃罩绕中心轴线的角加速度。

优选的，基座，用于支撑电机和气浮轴承能够调整气浮轴承高度和角度，角度调整误差小于0.05°，高度调整误差小于单条纹宽度w_t。

提供一种使用所述的可模拟动中成像的动态靶标测试相机动中成像性能的方法，包括如下步骤：

(1)调整气浮轴承转轴与相机的探测器线阵平行；校准光栅尺的角度偏差；

(2)控制电机转动，获得规划的相机像速度，光栅尺实时采集角度；控制系统计算圆柱玻璃罩外表面切向线速度，并实时传输给成像相机；成像相机根据圆柱玻璃罩外表面切向线速度调整积分时间和扫描方向，调整相机的成像参数与靶标速度匹配，通过图像分析获得相机的变速推扫成像动态传递函数和匀速推扫成像动态传递函数，二者比值如果优于80％表明动中成像性能正常，否则表明动中成像性能无法满足任务要求。

优选的，规划的相机像速度为：匀速像速度，单一方向变速像速度，正反向交替的变速像速度。

优选的，规划的相机像速度为：先进行匀速成像，然后进行变速成像。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明采用气浮轴承，比传统的机械轴承具有更小的扰动、更高的精度，提高动态景物模拟精度；

(2)本发明的圆柱形ULE玻璃罩外表面作为待成像景物，具有极高的稳定性，可以有效避免温度变化引入的半径改变，提高景物速度模拟精度；

(3)本发明采用组合式光栅尺，可以精确测量角度位置，进而精确算出圆柱靶标的转动角速度。

(4)本发明给出了圆柱靶标的最小半径确定方法，有效避免圆柱曲率带来的离焦、影像畸变等问题。

(5)本发明首次采用了双向相位渐变条纹作为靶标图案，有效相位失配带来的影响，提高动中成像评测效果。避免了传统靶标一旦出现靶标条纹与相机探测器像元发生错位造成的失配影响。

(6)本发明提供了靶标动态控制方式，能够准确评价成像相机能否满足动中成像的需求，进而指导成像相机的优化设计或选择出满足任务要求的成像相机。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的可模拟动中成像的动态靶标组成框图；

图2是本发明实施例提供的双向相位渐变条纹的示意图。

图3是本发明测试示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1是本发明实施例一种可模拟动中成像的动态靶标系统的框图。如图1所示，该一种可模拟动中成像的动态靶标系统包括：玻璃罩、靶标图案、气浮轴承、电机、光栅尺、照明系统、控制系统、基座；

玻璃罩，采用中空圆柱，其外表面刻有图案，用于模拟待观测景物，图案可选用明暗相间条纹(或星状条纹等)。玻璃罩需抛光处理，保证玻璃罩自身的具有良好的透光性，表面通过喷漆、镀膜、光刻等手段实现明暗变化图案。

玻璃罩，采用ULE等高稳定性玻璃材料，避免温度变化引入圆柱度、圆柱半径等变化，进行影响速度模拟精度和成像质量。玻璃罩胶合至气浮轴承的上端面。

玻璃罩的圆柱中心与气浮轴承的转轴重合，双轴的位置偏差与角度偏差取决于精度要求；圆柱的最小半径需要根据离焦影响、图像畸变等要求确定。

圆柱形玻璃罩外半径R应足够大，以避免引入明显离焦和畸变影响；外半径R需要同时满足下面条件：

其中，W是圆柱靶标切向有效成像宽度，对应于成像相机探测器在圆柱靶标上的投影宽度；F是与动态靶标配套的平行光管的F数，即平行光管焦距与通光口径之比，λ为中心波长，ε为有效成像宽度边缘条纹与中心条纹的相对投影畸变要求(如0.001、0.0005等)。

靶标图案，结合图2，为明暗相间的条纹，包括横条纹组和竖条纹组，构成许多边长约为d正方形条纹组，单条纹宽度w_t等于成像相机像元在圆柱玻璃罩外表面上的投影尺寸p_t的正整数倍；

在一个实施例中，横条纹组和竖条纹组切向(转动方向)依次交错排列，围绕圆柱形玻璃罩一周，形成一行条纹组；同一列由m组相同条纹组组成(m＝3～10),同一列各条纹组沿切向依次位错1/m条纹宽度，同一列各条纹组沿轴向依次位错1/m条纹宽度，位置偏差不超过1/m条纹宽度；位错1/m条纹宽度保证至少有一组条纹与相机的像元严格匹配，避免失配引入的图像模糊，影响定量评测效果。

横条纹严格平行于切向(转动方向)，竖条纹严格平行于轴向(转轴方向)，角度偏差应小于0.05°；

明暗条纹对比度应大于100；非条纹(序号)区域，发黑处理，不透光；

照明系统采用柯勒照明方式，其出瞳与靶标图案相重合，以保证照明的均匀性；同时光源发光面足够大，保证靶标处的光线孔径角与平行光管的孔径角相匹配；光源辐亮度可以调整：10～2500(W/m2·Sr)，以保证平行光管出口辐亮度范围满足模拟成像光能要求，模拟不同光照条件和地物反射条件。

气浮轴承采用单轴旋转气浮轴承，气浮轴承可绕轴转动，可根据要求连续变速，速度变化范围取决于模拟景物速度范围(ULE圆柱靶标切向速度)，角加速度取决于模拟景物加速度范围(ULE圆柱靶标切向加速度)；模拟景物速度误差(ULE圆柱靶标切向速度)取决于同步精度要求；模拟景物振动幅度(ULE圆柱靶标轴向、切向振动)取决于视轴扰动指标要求。气浮轴承为中空圆柱，以便于内置照明系统；转轴的角速度、角加速度、转动方向均可调；轴向、切向振动幅度≤0.2p_t,p_t为成像相机像元投影尺寸；

电机用于驱动气浮轴承转动。

光栅尺用于转轴角度精确测量，进入获得转轴的角速度与角角速度信息。所述光栅尺位于气浮轴承上，用于测量轴承的角度，测角精度优于σp_t/R,p_t为成像相机像元投影尺寸，R为圆柱形玻璃罩外半径，σ为同步精度要求(0.005～0.0001)。

控制系统，用于输入文件参数处理分析，气浮轴承、电机与照明系统的精密控制，参数的运算分析等。所述控制系统，根据输入的规划运动轨迹和光栅尺的实测数据，通过计算分析，可为电机提供实时准确的控制信号；并可以实时计算分析转动角速度、转动角加速度、圆柱玻璃罩外表面切向线速度和线角速度，并将相关信息实时传输给成像相机。

基座用于稳定支撑动态靶标，并根据需要调整靶标的高度以匹配不同成像试验系统。所述基座具有角度调整功能和高度调整功能，角度调整误差小于0.05°，高度调整误差小于单条纹宽度w_t。

结合图3，应用时，动态靶标的圆柱玻璃罩外表面被均匀照亮的区域位于配套平行光管的焦点处，照亮的区域的明暗条纹作为成像目标，其发出的光经平行光管准直后，进入的成像相机，经相机镜头会聚后成像于相机焦面处。相关的参数关系如下：

其中，p_t为成像相机像元在圆柱玻璃罩外表面的投影尺寸；p_c为成像相机探测器像元尺寸；f_p是与动态靶标配套的平行光管的焦距；f_c是成像相机的焦距；，V_t为圆柱玻璃罩外表面切向线速度；V_c为成像相机像速度，ω为圆柱玻璃罩绕中心轴线的角速度；R为圆柱玻璃罩外表面半径；α为圆柱玻璃罩绕中心轴线的角加速度；a_t为圆柱玻璃罩外表面切向线加速度。

动态标靶的使用方式如下：

1、自身标定

(1)转轴标定

试验前需要保证转轴与相机的探测器线阵严格平行，在相机和靶标位置固定后，需要进行转轴标定。相机采集靶标图像，判断竖条纹对应采集图像同一列像元的亮度一致性，如果亮度差异不超过10％，表明转轴与相机的探测器线阵严格平行；否则，需要通过基座调整转轴的角度，直至亮度一致性满足要求。

(2)角度标定

开启照明系统，采用外部手段测量某一靶标条纹投影位置，光栅尺采集初始角度，控制电机旋转一定角度，采用外部手段再次测量靶标条纹投影位置，通过分析靶标条纹投影位置变化计算转动角度θ1；光栅尺采集旋转后的角度，通过分析角度变化计算转动角度θ2，计算光栅测量角度与外部手段测量角度偏差θ2-θ1，如果在设定阈值范围内，表明偏差满足要求，否则对光栅尺进行校准或更换光栅尺。

2、控制根据所需成像相机像速度，计算得到气浮轴承所需达到的角速度、转动角加速度，控制电机运动，模拟实际卫星飞行过程中对地成像的速度。规划任务中成像相机像速度可以为匀速像速度，同方向变速像速度，正反向交替变速像速度等。在一个实施例中，可以先进行匀速成像，然后进行同方向变速成像或正反向交替变速成像。

3、光栅尺实时采集的角度，计算转动角速度、转动角加速度、圆柱玻璃罩外表面切向线速度和线角速度，并将相关信息实时传输给成像相机；成像相机相关信息调整积分时间和扫描方向，调整相机的成像参数与靶标速度匹配，通过图像分析相机的动态传递函数。通过比较动中成像和匀速成像的动态传递函数的比值评价动中成像性能，通常如果比值优于80％表明动中成像性能正常，否则表明动中成像性能无法满足任务要求。

以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (12)

1.一种可模拟动中成像的动态靶标，其特征在于，包括：玻璃罩、照明系统、气浮轴承、电机、光栅尺以及控制系统；其中，

玻璃罩，靶标图案通过镀膜、刻划等手段附在玻璃罩的外表面；

照明系统，用于靶标图案的照明；

气浮轴承，用于支撑玻璃罩，并能够在电机的驱动下绕轴转动；

光栅尺，测量气浮轴承的角度；

控制系统，控制电机驱动气浮轴承按照规划运动曲线转动；并根据光栅尺实测的角度信息，计算得到实际的角速度、角角速度，并计算得到的成像参数发给成像相机。

2.根据权利要求1所述的可模拟动中成像的动态靶标，其特征在于：所述玻璃罩采用中空的圆柱形透明玻璃，玻璃材料选择ULE玻璃材料。

3.根据权利要求2所述的可模拟动中成像的动态靶标，其特征在于：

圆柱形玻璃罩外表面半径R满足下面条件：

其中，W是靶标转动切向有效成像宽度；F配套使用的平行光管焦距与通光口径之比；λ为照明系统所发出光线的中心波长；ε为有效成像宽度边缘条纹与中心条纹的相对投影畸变要求。

4.根据权利要求1至3之一所述的可模拟动中成像的动态靶标，其特征在于：所述靶标图案为明暗相间的条纹，包括多个正方形横条纹组和竖条纹组，单条纹宽度w_p等于成像相机像元p_c在圆柱玻璃罩外表面上的投影尺寸p_t的正整数倍；横条纹组沿转动方向；竖条纹组沿转动轴线方向。

5.根据权利要求4所述的可模拟动中成像的动态靶标，其特征在于：

横条纹组和竖条纹组依次交错排列，围绕圆柱形玻璃罩一周，形成一行条纹组；同一列由m组相同条纹组组成，m为3～10,同一列各条纹组沿切向依次位错1/m条纹宽度，同一列各条纹组沿轴向依次位错1/m条纹宽度。

6.根据权利要求4所述的可模拟动中成像的动态靶标，其特征在于：

横条纹组和竖条纹组的明暗条纹对比度大于100；非条纹区域，发黑处理，不透光。

7.根据权利要求1所述的可模拟动中成像的动态靶标，其特征在于：所述照明系统采用柯勒照明系统，照明系统的出瞳位于被照明玻璃罩条纹处；出瞳处照明光的张角大于配套平行光管的孔径角；照明光源出瞳处辐亮度可调：10～2500W/m²·Sr，以模拟不同反射率、不同太阳高度角下的地物。

8.根据权利要求1所述的可模拟动中成像的动态靶标，其特征在于：所述光栅尺位于气浮轴承上，用于测量轴承的角度，测角精度优于σp_t/R，测角频率高于3α/σω,p_t为成像相机像元在圆柱玻璃罩外表面的投影尺寸，R为圆柱形玻璃罩外半径，σ为同步精度要求，ω为圆柱玻璃罩绕中心轴线的角速度；为圆柱玻璃罩绕中心轴线的角加速度。

9.根据权利要求1所述的可模拟动中成像的动态靶标，其特征在于：基座，用于支撑电机和气浮轴承能够调整气浮轴承高度和角度，角度调整误差小于0.05°，高度调整误差小于单条纹宽度w_t。

10.一种使用权利要求5所述的可模拟动中成像的动态靶标测试相机动中成像性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)调整气浮轴承转轴与相机的探测器线阵平行；校准光栅尺的角度偏差；

(2)控制电机转动，获得规划的相机像速度，光栅尺实时采集角度；控制系统计算圆柱玻璃罩外表面切向线速度，并实时传输给成像相机；成像相机根据圆柱玻璃罩外表面切向线速度调整积分时间和扫描方向，调整相机的成像参数与靶标速度匹配，通过图像分析获得相机的变速推扫成像动态传递函数和匀速推扫成像动态传递函数，二者比值如果优于80％表明动中成像性能正常，否则表明动中成像性能无法满足任务要求。

11.如权利要求10所述的评价相机动中成像性能的方法，其特征在于，规划的相机像速度为：匀速像速度，单一方向变速像速度，正反向交替的变速像速度。

12.如权利要求10所述的评价相机动中成像性能的方法，其特征在于，规划的相机像速度为：先进行匀速成像，然后进行变速成像。