扫描镜稳定度对TDI CCD测量精度的影响

第苑卷摇第源期圆园员源年愿月摇

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文章编号摇圆园怨缘鄄员缘猿员渊圆园员源冤园源鄄园远远缘鄄园苑

扫描镜稳定度对栽阅陨悦悦阅测量精度的影响

渊员援中国科学院长春光学精密机械与物理研究所袁吉林长春员猿园园猿猿曰圆援小卫星技术国家地方联合工程研究中心袁吉林长春员猿园园猿猿冤

摘要院利用栽阅陨悦悦阅成像数值仿真模型袁研究了栽阅陨悦悦阅测量系统的测角精度随扫描镜速度稳定度的变化规律遥首先根据栽阅陨悦悦阅推扫成像的物理过程袁建立了数值仿真模型袁设计了从光学像和扫描镜稳定度到数字图像的仿真链路曰然后利用图像重心计算方法求取图像中心坐标并得到目标点的角位置坐标曰通过蒙特卡诺法进行海量打靶试验袁对结果进行统计得到扫描镜各稳定度水平上的测量精度值曰最后将某工程样机的扫描镜速度稳定度带入仿真模型袁仿真结果表明院测试误差增大缘郾远苑滋则葬凿袁达到了像元角分辨率的员辕源遥在光学测量系统的系统设计时袁需要考虑像元分辨率及扫描镜稳定度的综合影响袁选用合适的扫描镜稳定度要求袁使测量角分辨率满足用户需求遥关摇键摇词院光学测量曰栽阅陨悦悦阅曰成像仿真曰扫描镜

中图分类号院栽孕苑园员摇摇文献标识码院粤摇摇凿燥蚤院员园援猿苑愿愿辕悦韵援圆园员源园苑园源援园远远缘

贺小军员袁圆鄢袁曲宏松员袁圆袁张贵祥员袁圆袁王金玲员

陨皂责葬糟贼燥枣泽糟葬灶皂蚤则则燥则泽贼葬遭蚤造蚤贼赠燥灶栽阅陨悦悦阅

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员摇引摇言

摇为面阵传感器光学测量系统和线阵传感器光学摇按传感器类型角度分类袁光学测量系统可分测量系统袁其中面阵传感器光学测量系统以星敏感器为代表袁它不含扫描机构袁直接将目标置于光学视场内袁测量其空间角位置信息袁得到目标相对于光轴的角位置偏差遥这种系统由于受到视场角及光学分辨率的影响袁测量的角度范围较小袁测量精度较低袁但由于不需要高精度的扫描机构袁实现难度较低袁所以广泛应用于星敏感器尧飞船的交汇对接等领域遥线阵传感器光学测量系统采用线阵传感器袁需要借助扫描机构实现扫描成像袁可实现大范围的目标搜索袁利用长线阵传感器可以实现高精度的测量袁这类系统广泛应用于预警尧目标搜索等领域袁其中采用时间延迟积分电荷耦合器件渊栽阅陨悦悦阅冤作为传感器的光学测量系统比普通线阵传感器光学测量系统具有更好的响应特性袁能够对暗弱目标进行更为准确的测量袁且可与大云数光学系统配合使用袁形成重量轻尧体积小尧测量精度高的光学测量系统遥

近年来国内外关于栽阅陨悦悦阅特殊用法研究方面的文章发表较多袁薛旭成等人提出了应用双排栽阅陨悦悦阅来提高相机动态范围咱员暂研究了偏流角误差对成像的影响

咱圆暂

曰究了亚像元相机的调制传递函数渊酝栽云冤曰张毅等人研

杨秀彬等人

特性

咱猿暂

近几年在光学测量方面也有大量研究成果遥

袁李喆提出了一种基于光学测量的屏幕光斑的数学模型袁用于测量飞行器三维姿态参数咱源暂荔等人提出了图像式光电编码器的测角技术曰齐荔

咱缘暂薛旭成等人利用栽阅陨悦悦阅相机的图像确定卫星袁姿态稳定度咱远暂在栽阅陨悦悦阅遥

硬件系统设计及特性分析方面袁

李豫东尧宁永慧尧郑亮亮等人在发表的相关文章

中进行了详细分析咱苑鄄员员暂线阵悦悦阅光学测量系统相对面阵遥

悦悦阅光学

测量系统在测量范围尧测量精度上都有很大优势遥随着高精度扫描机构技术的突破袁其在航天领域的应用逐渐增多袁尤其是在航天预警尧非合作目标搜索等领域遥栽阅陨悦悦阅相对传统线阵悦悦阅系统袁具有响应度高的特点从而大大降低系统的体积和质量袁可以采用大云袁使其更数光学加适用于航天应用袁所以近年来栽阅陨悦悦阅传感器的光学测量系统逐渐替代了传统线阵悦悦阅的光学测量系统遥

但是栽阅陨悦悦阅对像移补偿精度要求较高袁所以对扫描镜的研制提出了更高的要求遥本文主要采用数值仿真方法研究扫描镜的速度稳定度对测量精度的影响遥

圆摇原摇理

圆援员摇目标随机分布与感光面数值模型

由于传感器的像元尺寸不为无穷小袁当目标的理想像覆盖在像元不同位置时袁其测量误差存在差异遥为了模拟真实情况下的测量情况袁将目标在像面上的位置用二维随机均匀分布来表示袁使得计算结果可信度更高遥

根据栽阅陨悦悦阅传感器特点袁建立栽阅陨模式悦悦阅的感光面数学模型院

粤蚤鄱越酝原员躁鄱越晕原员悦悦阅越

蚤越园

躁越园

窑

咱则藻糟贼渊

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原冤暂袁渊员冤式中袁则藻糟贼渊曾冤为门函数袁当渣曾渣臆园郾缘时袁函数值为员袁其余为园曰造曾为载方向像元中心距渊滋皂冤曰造赠为再方向像元中心距渊滋皂冤曰躁为传感器像元列序号曰蚤为传感器像元行序号曰责曾为载方向光敏尺寸

渊滋皂冤曰分级数责赠为再方向光敏尺寸渊滋皂冤曰酝为悦悦阅积曰晕为悦悦阅像元列数遥图员为像元感光面结构示意图袁其中黑色区域代表不感光区袁当填

充因子接近员园园豫袁图中线条仅代表像素界限

遥图员摇悦悦阅像元结构

云蚤早援员摇杂贼则怎糟贼怎则藻燥枣悦悦阅泽藻灶泽燥则责蚤曾藻造

圆援圆摇栽阅陨悦悦阅成像过程数值模型

传感器模拟栽阅陨悦悦阅尧光学像模拟成像过程分为以下几个主要部分尧成像过程模拟以及图院

像处理过程袁其功能框图如图圆所示袁各个部分的主要功能如下

遥

图圆摇栽阅陨模式评价方案框图云蚤早援圆摇耘增葬造怎葬贼蚤燥灶泽糟澡藻皂藻燥枣栽阅陨皂燥凿藻

充因子渊员冤尧像元排布方式等特性以及传感器各个像传感器模拟院模拟传感器的像元尺寸尧填

元光电响应的非均匀性遥

模拟产生实际光学像及像移方式渊圆冤光学像模拟院将像移矢量引入理想像面遥

袁细分的方法渊猿冤成像过程模拟袁模拟每个像元的光电转化以及电荷

院曝光过程模型采用数值

积累过程曰电荷转移过程模型实现电荷的行间转移与像移速度匹配的数值模拟曰图像信号输出模型模拟电荷读出转换为电压信号的过程袁每个像元区域内的电荷总量对应一个电压值曰随机噪声模型模拟传感器的读出尧暗电平噪声尧散粒噪声等随机噪声源袁加性叠加到图像信号内曰量化噪声模型模拟图像信号的量化过程袁按照最大动态范围的量化原则进行量化袁其中存在截断误差遥出目标的渊源冤图像重心提取载再坐标值遥

院通过图像重心算法计算

参数以及图像重心坐标值渊缘冤角位置信息计算院袁根据光学系统的相关

计算目标的角位置信

息遥

本文根据对成像过程的数学化描述袁提出了评价算法流程遥将某卫星生命周期内的偏流角计算数据代入评价模型袁

再结合扫描镜速度稳定

图猿摇偏流角影响评价软件流程图

云蚤早援猿摇杂燥枣贼憎葬则藻枣造燥憎燥枣凿则蚤枣贼葬灶早造藻蚤皂责葬糟贼藻增葬造怎葬贼蚤燥灶

摇

度等参数袁按照蒙特卡诺法进行多次计算袁得出在各个参数影响下的测量误差统计曲线遥由于误差统计结果基本符合正态分布袁根据猿滓准则袁得到测量误差值袁整个评价过程的软件流程图如图猿所示遥

每次计算过程中袁每个随机量均按照自身的随机分布特性袁随机选取一个值作为当前取值袁经过足够多次数的计算袁即可模拟实际情况下各个随机量的真实分布情况袁使得获取的统计结果与实际情况的统计结果更加接近袁使结果更具有参考价值遥

圆援猿摇重心坐标及角位置计算采用经典的图像重心算法进行计算咱源暂方法见式渊圆冤尧式渊猿冤院

袁计算

蚤越酝晕

曾责越

蚤越员躁越员躁陨渊蚤袁躁冤蚤越员赠责越

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蚤越员躁越蚤陨渊蚤袁躁冤员

援渊猿冤

蚤越员躁越员陨渊蚤袁躁冤

式中院陨渊蚤袁躁冤表示第蚤行躁列的图像灰度值袁酝为图像行数袁晕为图像列数遥

将图像重心坐标代入光学系统的高斯公

式咱源暂方位角袁将其转换为角位置信息茁和俯仰角酌院

袁可以得到目标的

茁越葬则糟贼葬灶造曾原曾

造赠原赠袁渊源冤

酌越葬则糟贼葬灶式中院渊曾造园袁赠园冤为相机光轴对应的图像重心坐标曰曾为方位方向的像元角分辨率曰造赠

为俯仰方向的像元角分辨率遥本文采用的仿真参数为造曾越造赠

猿园滋则葬凿遥

越猿摇扫描镜速度稳定度表征

摇摇扫描镜在运动过程中袁速度会随时间波动袁

表现为不稳定性咱员圆暂某工程样机的扫描镜角位移曲线袁通过角位移传感器测定的

渊图源冤袁对其进行差分袁得到角速度曲线渊图缘冤尧成像期间的角速度曲线渊图远冤以及角速度的归一化概率分布图渊图苑冤遥通过对成像区间的速度精度进行统计袁由式渊缘冤得到归一化角速度的标准偏差着为

园郾定度园圆猿袁当速度误差越大愿袁本文利用速度误差袁则扫描镜稳定性越差着来表征扫描镜的稳袁反之袁则扫描镜稳定性越好袁当着为园时袁为理想的扫描镜系统袁扫描镜为匀速扫描遥

晕

咱棕渊晕

着越

灶越员

灶冤原棕渊棕渊灶冤暂圆灶越员袁渊缘冤

灶越员

灶冤

式中袁棕为扫描镜角速度袁灶为采样序号遥本文采

用正态分布函数来描述扫描镜的速度稳定度

遥

图源摇扫描镜角位移曲线

云蚤早援源摇粤灶早怎造葬则凿蚤泽责造葬糟藻皂藻灶贼糟怎则增藻燥枣泽糟葬灶

皂蚤则则燥则

图缘摇扫描镜角速度曲线

云蚤早援缘摇粤灶早怎造葬则泽责藻藻凿糟怎则增藻燥枣泽糟葬灶皂蚤则则燥则

图远摇扫描镜角速度曲线渊成像段冤

云蚤早援远摇粤灶早怎造葬则葬则藻葬冤

泽责藻藻凿糟怎则增藻燥枣泽糟葬灶皂蚤则则燥则渊蚤皂葬早蚤灶早

图苑摇扫描镜角速度标准偏差统计结果渊成像段冤云蚤早援苑摇杂贼葬灶凿葬则凿泽责藻藻凿渊蚤皂葬早蚤灶早凿藻增蚤葬贼蚤燥灶葬则藻葬冤

泽贼葬贼蚤泽贼蚤糟泽燥枣泽糟葬灶皂蚤则则燥则泽糟葬灶

数值仿真结果

摇摇将扫描镜的速度误差着带入栽阅陨悦悦阅数值

表员摇测量误差与扫描镜速度误差统计表栽葬遭援员摇酝藻葬泽怎则藻藻则则燥则葬灶凿泽糟葬灶皂蚤则则燥则泽责藻藻凿藻则则燥则扫描镜归一化速度稳定度渊岳圆园园匀扎冤

园援园援园愿缘员员猿援园援员苑园猿员猿援远圆远员苑援猿源园缘员猿援苑员远员愿援源苑愿苑远怨员怨援员员源圆缘缘仿真模型袁模拟每次扫描成像结果袁得到一次测量结果袁根据蒙特卡诺法咱员猿鄄员源暂他随机变量进行独立地随机取值袁对目标位置及其袁获得大量样本的打靶试验结果袁通过对结果进行统计袁得到表员所示的统计结果

遥

图愿摇测量误差随扫描镜速度误差的变化曲线云蚤早援愿摇悦怎则增藻燥枣皂藻葬泽怎则藻藻则则燥则葬灶凿泽糟葬灶泽责藻藻凿藻则则燥则

将某工程样机的扫描镜实测结果代入数值仿真模型袁从统计结果可以看出袁载方向的测量误差基本不受扫描镜速度误差的影响袁再方向的测量误差随着扫描镜速度误差的增大而增大袁基

本呈现线性增长袁扫描镜速度误差从园变为圆圆郾园郾远愿员愿远源袁时测角误差增大袁再向测量缘郾误远苑差滋则葬凿遥

由员苑郾员怨猿增加为

缘摇结摇论

辨率和扫描镜的稳定度对测角精度起关键影响摇摇成像测量系统中袁光电成像系统的像元角分

袁通过对成像测量系统的整个物理过程进行数学建模袁得到数值仿真模型袁带入扫描镜速度稳定度的实测数据袁对扫描镜的测量误差进行估算袁实现对系统关键指标的详细论证袁可以使得设计最优化袁避免对像元角分辨率或扫描镜稳定度提出过高的指标要求遥代入某工程样机扫描镜实测数据进行数值分析袁结果表明院在圆园园匀扎采样率下袁若速度的相对误差为园郾远愿员园袁对比速度误差为园的情况袁再方向测角误差增大了近员辕猿遥源摇

摇

参考文献院

咱员暂摇薛旭成袁韩诚山袁薛栋林袁等援应用双排栽阅陨悦悦阅提高空间推扫遥感相机动态范围咱允暂援光学精密工程袁圆园员猿袁圆园

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载哉耘载悦匀袁匀粤晕悦匀杂匀袁载哉耘阅蕴袁藻贼葬造援援陨灶糟则藻葬泽蚤灶早凿赠灶葬皂蚤糟则葬灶早藻燥枣泽责葬糟藻责怎泽澡鄄遭则燥燥皂则藻皂燥贼藻泽藻灶泽蚤灶早糟葬皂藻则葬遭赠贼憎燥鄄

咱圆暂摇杨秀彬袁贺小军袁徐开袁等援偏流角误差对栽阅陨悦悦阅相机成像的影响与仿真咱允暂援光电工程袁圆园园愿袁猿缘渊员员冤院源缘鄄缘园援

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咱缘暂摇齐荔荔袁万秋华援图像式光电编码器的测角技术及其硬件实现咱允暂援光学学报袁圆园员猿袁猿猿渊源冤院园源员圆园园员援

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咱远暂摇薛旭成袁傅瑶袁韩诚山援栽阅陨悦悦阅相机的卫星姿态稳定度确定咱允暂援中国光学袁圆园员猿袁远渊缘冤院苑远苑鄄苑苑圆援

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作者简介

院

贺小军渊员怨愿猿要冤袁男袁四川广安人袁博士袁副研究员袁圆园园远年于吉林大学获得学士学位袁圆园员员年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位袁主要从事栽阅陨悦悦阅成像技术尧图像处理与压缩技术等方面的研究遥耘鄄皂葬蚤造院澡藻曾蚤葬燥鄄躁怎灶远岳员远猿援

糟燥皂

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