【摘要】：航空遙感技術(shù)是20世紀(jì)發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新學(xué)科,已廣泛應(yīng)用于資源普查、地形測(cè)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(cè)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(guò)焦平面組件TDI方向標(biāo)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(duì)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(biāo)定方法展開(kāi)研究工作,主要包括以下幾個(gè)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(xué)模型,推導(dǎo)出失配像移調(diào)制傳遞函數(shù)表達(dá)式。通過(guò)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(jí)數(shù))對(duì)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(duì)方向失配像移進(jìn)行成像仿真,指出焦平面組件TDI方向標(biāo)定的必要性。利用坐標(biāo)變換法建立了航空遙感器成像數(shù)學(xué)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(jì)算公式,設(shè)計(jì)算例對(duì)各像元位置處該夾角的變化情況進(jìn)行了分析,指出,對(duì)于短焦距全景式航空遙感器不建議采用機(jī)械交錯(cuò)拼接焦平面組件結(jié)構(gòu)型式,并認(rèn)為理想裝調(diào)狀態(tài)下擺掃像移方向與TDI方向同向。計(jì)算了實(shí)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(duì)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(biāo)定要素,測(cè)量并消除方向失配角,即實(shí)現(xiàn)了焦平面組件TDI方向的標(biāo)定。依據(jù)經(jīng)緯儀測(cè)量原理,分析了利用經(jīng)緯儀標(biāo)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(biāo)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(diǎn)。分析了影響該方法標(biāo)定精度的因素,分別推導(dǎo)了利用該方法對(duì)兩種結(jié)構(gòu)型式焦平面組件TDI方向標(biāo)定的誤差表達(dá)式,計(jì)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(biāo)定,滿(mǎn)足使用要求,而對(duì)于長(zhǎng)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(biāo)定精度較低,無(wú)法滿(mǎn)足長(zhǎng)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(xué)模型,推導(dǎo)了 TDICCD面陣模式下像點(diǎn)隨掃描反射鏡擺動(dòng)在TDI CCD靶面上的運(yùn)動(dòng)軌跡為一條雙曲線(xiàn),通過(guò)分析該雙曲線(xiàn)方程,分別提出了用于光學(xué)拼接焦平面組件和機(jī)械交錯(cuò)拼接焦平面組件方向失配角的計(jì)算方法。進(jìn)而提出一種基于TDI CCD面陣模式的焦平面組件TDI方向標(biāo)定方法,測(cè)量出方向失配角后,利用精密調(diào)整機(jī)構(gòu)控制焦平面組件旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度,完成TDI方向標(biāo)定。給出了該方法的操作步驟,該標(biāo)定方法具有操作及調(diào)整簡(jiǎn)單方便、無(wú)反復(fù)、裝調(diào)效率高等優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn)是對(duì)標(biāo)定環(huán)境要求較高。分析了影響方向失配角測(cè)量的因素,利用Matlab對(duì)兩種失配角測(cè)量方法的測(cè)量精度進(jìn)行了仿真計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明該方法具有較高的標(biāo)定精度,可用于長(zhǎng)焦距航空遙感器焦平面組件TDI方向標(biāo)定,滿(mǎn)足使用要求。最后開(kāi)展了試驗(yàn)驗(yàn)證工作。首先驗(yàn)證了基于經(jīng)緯儀的TDI方向標(biāo)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(biāo)定方法,對(duì)某長(zhǎng)焦距航空遙感器光學(xué)拼接焦平面組件進(jìn)行TDI方向標(biāo)定。然后利用基于TDI CCD面陣模式的標(biāo)定方法檢驗(yàn)基于經(jīng)緯儀標(biāo)定方法的標(biāo)定精度,并利用該方法完成了光學(xué)拼接焦平面組件TDI方向的標(biāo)定。通過(guò)對(duì)比兩種標(biāo)定方法的標(biāo)定結(jié)果及標(biāo)定時(shí)間,可以得出,使用基于TDICCD面陣模式的標(biāo)定方法,標(biāo)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(jì)了機(jī)械交錯(cuò)拼接焦平面試驗(yàn)件,利用該長(zhǎng)焦距航空遙感器進(jìn)行機(jī)械交錯(cuò)拼接焦平面組件TDI方向標(biāo)定方法的驗(yàn)證工作,標(biāo)定完成后,標(biāo)定誤差為11.8″ ±24.6″(3σ),顯著高于基于經(jīng)緯儀標(biāo)定方法標(biāo)定誤差的計(jì)算結(jié)果。該長(zhǎng)焦距全景式航空遙感器后續(xù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室動(dòng)態(tài)成像和飛行試驗(yàn),均滿(mǎn)足指標(biāo)要求,進(jìn)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(shí)逡逑時(shí)性差。隨著ＣＣＤ探測(cè)器的誕生與性能指標(biāo)的提升，雖然在分辨率及圖像細(xì)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(shí)時(shí)傳輸，時(shí)效性強(qiáng)，因此，逡逑ＣＣＤ實(shí)時(shí)傳輸型航空遙感器得到了快速發(fā)展。２０世紀(jì)８０年代后期，美國(guó)芝加哥逡逑公司研制成功一款長(zhǎng)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(biāo)傾斜角０°邋￣邋±３０°邋）時(shí)像元分辨率可達(dá)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(chǎng)角１２．４°

當(dāng)斜距為３５－７０ｋｍ時(shí)，可以獲得ＮＩＩＲＳ４分辨率的圖像，當(dāng)斜距為逡逑１０－２２ｋｍ時(shí)，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(chéng)然朝著長(zhǎng)焦距、高分辨率、寬覆蓋和遠(yuǎn)作逡逑用距離的方向發(fā)展，但是可見(jiàn)光譜段的航空遙感器在夜間及霧、霾天氣條件下均逡逑無(wú)法工作，面對(duì)全天時(shí)航空偵察的迫切需求，目前國(guó)外先進(jìn)的長(zhǎng)焦距航空遙感器逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：V243.5

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本文編號(hào)：2615812