【摘要】：航空遙感技術(shù)是20世紀發(fā)展起來的一個新學科,已廣泛應(yīng)用于資源普查、地形測繪和軍事偵察等許多領(lǐng)域。作為一種典型的航空光電設(shè)備,全景式航空遙感器一般選用TDI CCD作為成像探測器,垂直于飛行方向?qū)Φ孛婢拔飻[掃成像。為了獲得高質(zhì)量的航空遙感圖像,要求TDICCD電荷轉(zhuǎn)移速度與擺掃像移速度大小相等,方向相同。因此,在裝調(diào)階段,通過焦平面組件TDI方向標定,盡量減小電荷轉(zhuǎn)移方向和擺掃像移方向之間的失配誤差,對全景式航空遙感器成像質(zhì)量的提高有著重要的意義。本文圍繞全景式航空遙感器焦平面組件TDI方向標定方法展開研究工作,主要包括以下幾個方面的內(nèi)容:根據(jù)TDI CCD的工作原理,建立了 TDI CCD電荷轉(zhuǎn)移速度與擺掃像移速度失配像移數(shù)學模型,推導(dǎo)出失配像移調(diào)制傳遞函數(shù)表達式。通過分析存在速度大小失配和存在方向失配兩種情況下相關(guān)參數(shù)(失配量、相位和級數(shù))對調(diào)制傳遞函數(shù)的影響,指出速度大小失配影響TDICCD沿TDI方向的成像質(zhì)量,方向失配影響TDICCD行方向的成像質(zhì)量。對方向失配像移進行成像仿真,指出焦平面組件TDI方向標定的必要性。利用坐標變換法建立了航空遙感器成像數(shù)學模型,推導(dǎo)了 TDICCD各像元位置處擺掃像移方向與TDI方向夾角計算公式,設(shè)計算例對各像元位置處該夾角的變化情況進行了分析,指出,對于短焦距全景式航空遙感器不建議采用機械交錯拼接焦平面組件結(jié)構(gòu)型式,并認為理想裝調(diào)狀態(tài)下擺掃像移方向與TDI方向同向。計算了實際裝調(diào)狀態(tài)下擺掃像移方向與TDI方向的夾角,即方向失配角,為掃描組件和焦平面組件相對于理想裝調(diào)位置的角度偏差之和。將方向失配角定義為焦平面組件TDI方向標定要素,測量并消除方向失配角,即實現(xiàn)了焦平面組件TDI方向的標定。依據(jù)經(jīng)緯儀測量原理,分析了利用經(jīng)緯儀標定焦平面組件TDI方向的原理,提出了一種基于經(jīng)緯儀的焦平面組件TDI方向標定方法。給出了該方法的具體操作步驟,但該方法存在照明不均勻、掃描組件難以微調(diào)和裝調(diào)效率低的缺點。分析了影響該方法標定精度的因素,分別推導(dǎo)了利用該方法對兩種結(jié)構(gòu)型式焦平面組件TDI方向標定的誤差表達式,計算結(jié)果表明,該方法可以用于短焦距航空遙感器焦平面組件TDI方向標定,滿足使用要求,而對于長焦距全景式航空遙感器,受掃描組件(體積重量大)難以微調(diào)的限制,標定精度較低,無法滿足長焦距航空遙感器的使用要求。結(jié)合全景式航空遙感器成像數(shù)學模型,推導(dǎo)了 TDICCD面陣模式下像點隨掃描反射鏡擺動在TDI CCD靶面上的運動軌跡為一條雙曲線,通過分析該雙曲線方程,分別提出了用于光學拼接焦平面組件和機械交錯拼接焦平面組件方向失配角的計算方法。進而提出一種基于TDI CCD面陣模式的焦平面組件TDI方向標定方法,測量出方向失配角后,利用精密調(diào)整機構(gòu)控制焦平面組件旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度,完成TDI方向標定。給出了該方法的操作步驟,該標定方法具有操作及調(diào)整簡單方便、無反復(fù)、裝調(diào)效率高等優(yōu)點,缺點是對標定環(huán)境要求較高。分析了影響方向失配角測量的因素,利用Matlab對兩種失配角測量方法的測量精度進行了仿真計算。計算結(jié)果表明該方法具有較高的標定精度,可用于長焦距航空遙感器焦平面組件TDI方向標定,滿足使用要求。最后開展了試驗驗證工作。首先驗證了基于經(jīng)緯儀的TDI方向標定方法在短焦距航空遙感器應(yīng)用中的有效性,又利用基于經(jīng)緯儀的標定方法,對某長焦距航空遙感器光學拼接焦平面組件進行TDI方向標定。然后利用基于TDI CCD面陣模式的標定方法檢驗基于經(jīng)緯儀標定方法的標定精度,并利用該方法完成了光學拼接焦平面組件TDI方向的標定。通過對比兩種標定方法的標定結(jié)果及標定時間,可以得出,使用基于TDICCD面陣模式的標定方法,標定誤差至少由9'59.5″減小至19.5″,裝調(diào)效率提高了 60%。設(shè)計了機械交錯拼接焦平面試驗件,利用該長焦距航空遙感器進行機械交錯拼接焦平面組件TDI方向標定方法的驗證工作,標定完成后,標定誤差為11.8″ ±24.6″(3σ),顯著高于基于經(jīng)緯儀標定方法標定誤差的計算結(jié)果。該長焦距全景式航空遙感器后續(xù)進行了實驗室動態(tài)成像和飛行試驗,均滿足指標要求,進一步證明了本論文提出方法的有效性。
【圖文】：

逡逑圖１．１邋ＫＡ－１１２Ａ航空遙感器逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋ＫＡ－１１２Ａ邋ａｅｒｉａｌ邋ｃａｍｅｒａ逡逑膠片型航空遙感器雖然分辨率高，但裝片量有限且返航后需要處理膠片，實逡逑時性差。隨著ＣＣＤ探測器的誕生與性能指標的提升，雖然在分辨率及圖像細節(jié)逡逑與層次上不及膠片，但其圖像易于壓縮和處理，并能實時傳輸，時效性強，因此，逡逑ＣＣＤ實時傳輸型航空遙感器得到了快速發(fā)展。２０世紀８０年代后期，美國芝加哥逡逑公司研制成功一款長焦距全景式航空遙感器ＣＡ－９９０，焦距為２８００ｍｍ，焦平面逡逑組件由７片２１７６邋Ｘ邋６４的ＴＤＩ邋ＣＣＤ拼接而成，像元尺寸１１阿，９０ｋｍ傾斜距離（目逡逑標傾斜角０°邋￣邋±３０°邋）時像元分辨率可達０．３７ｍ［５］。Ｔｈａｌｅｓ邋Ｏｐｔｒｏｎｉｃｓ公司生產(chǎn)逡逑的８０４０是一款短焦距全景式航空遙感器，使用高度為中高空，焦距４５０ｍｍ，視逡逑場角１２．４°

當斜距為３５－７０ｋｍ時，可以獲得ＮＩＩＲＳ４分辨率的圖像，當斜距為逡逑１０－２２ｋｍ時，可以獲得ＮＩＩＲＳ６分辨率的圖像。８０４０航空遙感器結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量逡逑只有５０ｋｇ，其外形及在吊艙中的安裝示意圖如圖１．２所示［２３邋２４１。逡逑sEＩ逡逑ｒｙｐｅ邐ＶＸＪＩ邐３－Ｖ＾Ｓ－Ｃ逡逑￡０Ｓｅ＾５Ｃ＜邐？ｏｅａｎ＞？－逡逑圖１．２邋８０４０航空遙感器外形及吊艙安裝示意圖逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋￥０４０邋ａｅｒｉａｌ邋ｃａｍｅｒａ邋ａｎｄ邋ｐｏｄ邋ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ邋ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ逡逑伴隨著技術(shù)的發(fā)展，航空遙感器誠然朝著長焦距、高分辨率、寬覆蓋和遠作逡逑用距離的方向發(fā)展，但是可見光譜段的航空遙感器在夜間及霧、霾天氣條件下均逡逑無法工作，面對全天時航空偵察的迫切需求，目前國外先進的長焦距航空遙感器逡逑
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：V243.5

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本文編號：2615812