一種基于靶標(biāo)圖像的空間相機(jī)顫振分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于靶標(biāo)圖像的空間相機(jī)顫振分析方法，特別是基于圖像質(zhì)心位 置變化的空間相機(jī)顫振影響分析方法，屬于衛(wèi)星顫振測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 衛(wèi)星在軌攝像期間，星上活動(dòng)部件的各種運(yùn)動(dòng)影響均會(huì)使相機(jī)視軸產(chǎn)生相對(duì)于觀 測(cè)目標(biāo)的抖動(dòng)，從而對(duì)圖像質(zhì)量產(chǎn)生影響。這種在抖動(dòng)響應(yīng)中不能依靠控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量 和加以抑制的成分稱為顫振響應(yīng)。相機(jī)在空間攝影時(shí)產(chǎn)生顫振的主要原因包括：衛(wèi)星平臺(tái) 上由于動(dòng)量輪變速轉(zhuǎn)動(dòng)、噴氣、指向控制、太陽(yáng)帆板調(diào)整等運(yùn)動(dòng)。對(duì)于CCD器件，其正常工作 的基本前提是光生電荷包的轉(zhuǎn)移與焦面上圖像的運(yùn)動(dòng)保持同步，任何的誤匹配都將導(dǎo)致圖 像模糊。多級(jí)TDICCD對(duì)地面同一目標(biāo)曝光相當(dāng)于積分時(shí)間延長(zhǎng)，要想獲得清晰的圖像，必 須在此較長(zhǎng)積分時(shí)間內(nèi)保持同步。而顫振會(huì)導(dǎo)致相機(jī)在積分成像過(guò)程中產(chǎn)生圖像像移，破 壞其與光生電荷包運(yùn)動(dòng)的同步性，影響相機(jī)的成像質(zhì)量。
[0003] 衛(wèi)星的顫振測(cè)量主要有加速度傳感器測(cè)量和激光測(cè)振兩種方法。加速度傳感器可 以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)測(cè)試，可以置于航天器內(nèi)部測(cè)最，便于空間應(yīng)用；但其缺點(diǎn)是傳感器本身對(duì) 輕質(zhì)被測(cè)結(jié)構(gòu)有一定的影響，因此對(duì)傳感器的選擇要求較高。激光測(cè)振是一種成熟的非接 觸式測(cè)量技術(shù)，其原理是利用多普勒頻移和干涉技術(shù)進(jìn)行測(cè)量，其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)無(wú)影 響；但這種測(cè)量方法在空間應(yīng)用困難，另外對(duì)組裝起來(lái)的航天器內(nèi)部結(jié)構(gòu)難以測(cè)量，且測(cè)點(diǎn) 不宜很多。鑒于以上兩種測(cè)量方法的特點(diǎn)，在航天器地面測(cè)試方法的研宄和應(yīng)用中，以加速 度傳感器測(cè)試為主，采用激光測(cè)振作為結(jié)果校驗(yàn)的輔助手段。NASA、ESA均對(duì)此開(kāi)展了大量 研宄。國(guó)內(nèi)顫振測(cè)試相對(duì)國(guó)外起步較晚，但借鑒了國(guó)外相關(guān)技術(shù)成果，目前測(cè)試能力與國(guó)外 相比差距不大，主要差距表現(xiàn)在對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和使用上。北京航天航空大學(xué)和航天五 院均開(kāi)展了顫振影響的相關(guān)研宄。
[0004] 但以上方法均不能直觀反映顫振對(duì)空間相機(jī)成像質(zhì)量的影響，要知道顫振對(duì)圖像 的影響，最直觀的是得到衛(wèi)星顫振引起的像元偏移量，也就是像移。在地面環(huán)境進(jìn)行衛(wèi)星顫 振對(duì)圖像的影響分析，在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有開(kāi)始，在國(guó)外還少見(jiàn)報(bào)道。在衛(wèi)星顫振測(cè)試中直接分析 像移偏差，主要存在的問(wèn)題：（1)常用的表貼加速度傳感器方法只能得到顫振的響應(yīng)無(wú)法 與空間相機(jī)圖像受顫振的影響建立關(guān)系；（2)衛(wèi)星顫振測(cè)量的傳遞特性測(cè)試只能分析顫振 源到空間相機(jī)本體這條路徑，無(wú)法建立顫振源到相機(jī)焦平面的顫振影響分析；（3)衛(wèi)星顫 振幅值小，頻率高，空間相機(jī)的像移如何在地面測(cè)試中準(zhǔn)確測(cè)量；(4)從衛(wèi)星可靠性和安全 性的要求，以及衛(wèi)星不可返修的特點(diǎn)出發(fā)，如何設(shè)計(jì)像移偏差測(cè)量方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一種基于靶標(biāo)圖像的空間相機(jī) 顫振分析方法，該方法填補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)空白，實(shí)現(xiàn)了在圖像上直接測(cè)量像移，直接分析顫振對(duì) 空間相機(jī)成像的影響，得到像移偏差的準(zhǔn)確數(shù)值，為衛(wèi)星成像質(zhì)量的影響分析及最終修正 提升衛(wèi)星成像質(zhì)量提供依據(jù)。
[0006] 本發(fā)明的上述目的主要是通過(guò)如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的：
[0007] 一種基于靶標(biāo)圖像的空間相機(jī)顫振分析方法，包括如下步驟：
[0008] 步驟（一）、搭建測(cè)試系統(tǒng)，所述測(cè)試系統(tǒng)包括景物模擬器、空間相機(jī)和快視設(shè)備， 其中景物模擬器包括平行光管和光源，靶標(biāo)位于光源與平行光管之間，并將靶標(biāo)安裝在平 行光管的焦平面上，使靶標(biāo)的刻線方向同時(shí)垂直于平行光管的光軸和空間相機(jī)探測(cè)器的線 陣方向，并使光源照射靶標(biāo)；
[0009] 步驟（二）、調(diào)整景物模擬器位置，保證空間相機(jī)入光口與景物模擬器出光口對(duì) 準(zhǔn)，景物模擬器有效口徑充滿空間相機(jī)入瞳；
[0010] 步驟（三）、景物模擬器開(kāi)機(jī)，再次調(diào)整景物模擬器位置，保證空間相機(jī)入光口與 景物模擬器出光口對(duì)準(zhǔn)，景物模擬器有效口徑充滿空間相機(jī)入瞳，同時(shí)靶標(biāo)成像在空間相 機(jī)焦面處，得到成像目標(biāo)，并避免空間相機(jī)飽和；
[0011] 步驟（四）、關(guān)閉空間相機(jī)和景物模擬器，并保證景物模擬器位置不發(fā)生變化；
[0012] 步驟（五）、開(kāi)啟衛(wèi)星擾動(dòng)部件；
[0013] 步驟（六）、景物模擬器和空間相機(jī)開(kāi)機(jī)，在衛(wèi)星擾動(dòng)部件進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后采集圖 像并將圖像存儲(chǔ)到快視設(shè)備；
[0014] 步驟（七）、對(duì)存儲(chǔ)的靶標(biāo)圖像使用灰度質(zhì)心法進(jìn)行分析，得到質(zhì)心位置偏差量 Warp (i)，即像面偏移量，具體公式如下：
[0015]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于靶標(biāo)圖像的空間相機(jī)顫振分析方法，其特征在于：包括如下步驟： 步驟（一）、搭建測(cè)試系統(tǒng)，所述測(cè)試系統(tǒng)包括景物模擬器、空間相機(jī)和快視設(shè)備，其中 景物模擬器包括平行光管和光源，靶標(biāo)位于光源與平行光管之間，并將靶標(biāo)安裝在平行光 管的焦平面上，使靶標(biāo)的刻線方向同時(shí)垂直于平行光管的光軸和空間相機(jī)探測(cè)器的線陣方 向，并使光源照射靶標(biāo)； 步驟（二）、調(diào)整景物模擬器位置，保證空間相機(jī)入光口與景物模擬器出光口對(duì)準(zhǔn)，景 物模擬器有效口徑充滿空間相機(jī)入瞳； 步驟（三）、景物模擬器開(kāi)機(jī)，再次調(diào)整景物模擬器位置，保證空間相機(jī)入光口與景物 模擬器出光口對(duì)準(zhǔn)，景物模擬器有效口徑充滿空間相機(jī)入瞳，同時(shí)靶標(biāo)成像在空間相機(jī)焦 面處，得到成像目標(biāo)，并避免空間相機(jī)飽和； 步驟（四）、關(guān)閉空間相機(jī)和景物模擬器，并保證景物模擬器位置不發(fā)生變化； 步驟（五）、開(kāi)啟衛(wèi)星擾動(dòng)部件； 步驟（六）、景物模擬器和空間相機(jī)開(kāi)機(jī)，在衛(wèi)星擾動(dòng)部件進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后采集圖像并 將圖像存儲(chǔ)到快視設(shè)備； 步驟（七）、對(duì)存儲(chǔ)的靶標(biāo)圖像使用灰度質(zhì)心法進(jìn)行分析，得到質(zhì)心位置偏差量 Warp (i)，即像面偏移量，具體公式如下：
其中：Warp (i)為每行受擾振的像兀偏移量，L(i)為每行的灰度中心位置，N為截取圖 像數(shù)據(jù)的行數(shù)，N取值為正整數(shù)；
其中：DN(i，j)為第i行第j列的像元灰度值；LOC(i，j)為第i行第j列的像元序號(hào)； η為正整數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于靶標(biāo)圖像的空間相機(jī)顫振分析方法，其特征在于： 整個(gè)測(cè)試過(guò)程中控制各種外界擾動(dòng)，包括電磁、噪聲、風(fēng)、人員和設(shè)備移動(dòng)，測(cè)試過(guò)程在單獨(dú) 的試驗(yàn)間進(jìn)行，保證無(wú)人員走動(dòng)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于靶標(biāo)圖像的空間相機(jī)顫振分析方法，其特征在于： 所述步驟（三）得到成像目標(biāo)后，調(diào)整空間相機(jī)的成像參數(shù)，所述成像參數(shù)包括增益、偏置 和級(jí)數(shù)，之后對(duì)空間相機(jī)調(diào)焦，使得靶標(biāo)在空間相機(jī)中得到清晰的黑白條紋像，之后進(jìn)入步 驟（四）。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于靶標(biāo)圖像的空間相機(jī)顫振分析方法，其特征在于： 所述步驟（六）中景物模擬器和空間相機(jī)開(kāi)機(jī)后的5~10分鐘開(kāi)始采集圖像。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于靶標(biāo)圖像的空間相機(jī)顫振分析方法，其特征在于： 所述步驟（六）中重復(fù)采集圖像3~5次。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于靶標(biāo)圖像的空間相機(jī)顫振分析方法，首先搭建成像系統(tǒng)，將包含特定空間頻率的、黑白相間的高對(duì)比度矩形靶標(biāo)放在平行光管焦面處，靶標(biāo)通過(guò)高穩(wěn)定性均勻的光源照亮作為物目標(biāo)，通過(guò)平行光管和空間相機(jī)，成像在相機(jī)焦面上，得到清晰的靶標(biāo)圖像，采用灰度質(zhì)心法進(jìn)行分析，得到準(zhǔn)確的像移偏差數(shù)值，本發(fā)明在光學(xué)測(cè)量的基本原理上結(jié)合圖像分析，實(shí)現(xiàn)了在圖像上直接測(cè)量像移，直接分析顫振對(duì)空間相機(jī)成像的影響，首次獲得像移偏差數(shù)值，填補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)空白，為衛(wèi)星成像質(zhì)量的影響分析及最終改進(jìn)維修衛(wèi)星成像質(zhì)量提供依據(jù)。
【IPC分類】H04N17-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104735445
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510116900
【發(fā)明人】葉釗, 曹啟鵬, 朱軍, 董小靜, 尹歡
【申請(qǐng)人】航天東方紅衛(wèi)星有限公司
【公開(kāi)日】2015年6月24日
【申請(qǐng)日】2015年3月17日