本文關(guān)鍵詞：基于TDI探測器的航空相機(jī)像移模型及調(diào)光算法研究

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【摘要】：像移是航空相機(jī)成像技術(shù)的一個(gè)基本問題,探討如何準(zhǔn)確地建立像移模型對提高航空相機(jī)成像能力具有十分重要的理論研究與應(yīng)用價(jià)值。從剛體運(yùn)動學(xué)的角度出發(fā),像移的來源可以概括為兩個(gè)部分:相機(jī)在三維空間中6個(gè)自由度的剛體運(yùn)動以及TDI探測器中電荷累加器在像平面二維空間的線性運(yùn)動。其中,前者包括載機(jī)飛行引起的前向像移和姿態(tài)變化引起的角運(yùn)動像移,后者包括電荷轉(zhuǎn)移離散性引起的TDI固有像移。目前雖然已經(jīng)有很多關(guān)于像移模型的研究成果,但它們都是在不同程度約束條件下建立的簡化模型,具有一定的局限性,已無法適應(yīng)當(dāng)前航空相機(jī)的快速發(fā)展。在航空相機(jī)中,影響像移量的調(diào)光參數(shù)包括TDI級數(shù)、曝光時(shí)間和Binning模式。如果僅以像移最小作為調(diào)整調(diào)光參數(shù)的唯一條件,那么在提高調(diào)制傳遞函數(shù)的同時(shí),很可能會導(dǎo)致信噪比的降低,總的圖像質(zhì)量并不一定提升。為保證圖像質(zhì)量,需要優(yōu)化航空相機(jī)的調(diào)光參數(shù),使圖像灰度、調(diào)制傳遞函數(shù)和信噪比均滿足指標(biāo)要求。如何針對不同類型的TDI探測器和不同結(jié)構(gòu)的航空相機(jī)建立像移模型并描述它們的調(diào)制傳遞函數(shù)?如何計(jì)算最優(yōu)的調(diào)光參數(shù)?本文針對這兩個(gè)問題進(jìn)行了深入研究。首先,論文研究了CCD以及CMOS的像素結(jié)構(gòu),對比分析了不同快門類型的TDI-CCD和TDI-CMOS的電荷轉(zhuǎn)移原理。通過積分采樣等數(shù)學(xué)方法,建立了Multi-line CMOS的電荷轉(zhuǎn)移模型和調(diào)制傳遞函數(shù)模型。仿真和成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)曝光時(shí)間小于1/(2φ)行轉(zhuǎn)移周期時(shí)(φ為相位數(shù)),Multi-line CMOS的調(diào)制傳遞函數(shù)優(yōu)于TDI-CCD。其次,本文對兩種基于TDI型探測器的航空相機(jī)類型(全景式航空相機(jī)和推掃式航空相機(jī))建立了像移模型。在建模過程中,根據(jù)成像機(jī)構(gòu)特點(diǎn)和模型復(fù)雜度,對兩種相機(jī)分別采用了兩種建模方法,其一,根據(jù)全景式結(jié)構(gòu)中掃描角和前向補(bǔ)償角遠(yuǎn)大于載機(jī)平穩(wěn)飛行時(shí)姿態(tài)角,簡化了坐標(biāo)變換矩陣的構(gòu)成,并利用微分法推導(dǎo)出全景式航空相機(jī)的歐拉描述解析式。與拉格朗日描述相比,歐拉描述是基于探測器像平面固定網(wǎng)格的描述方法,在計(jì)算過程中網(wǎng)格保持與像素位置一致,更準(zhǔn)確的描述了整個(gè)像平面的速度場。其二,利用差商法推導(dǎo)出推掃式航空相機(jī)的像移模型,在建�；A(chǔ)上進(jìn)一步討論了像移誤差對于定位精度的影響,分析結(jié)果表明,在雙像空間前方交會的條件下,以質(zhì)心作為定位算子、以中心曝光時(shí)刻作為POS的時(shí)間戳可達(dá)到最高的定位精度。最后,本文從圖像質(zhì)量的角度出發(fā),提出了航空相機(jī)的調(diào)光最優(yōu)化問題。與僅以圖像平均灰度值作為目標(biāo)函數(shù)的現(xiàn)有調(diào)光算法不同,本文以TDI級數(shù)、模擬增益、曝光時(shí)間、Binning模式作為變量,由平均灰度值、調(diào)制傳遞函數(shù)、信噪比構(gòu)成最優(yōu)化問題中的目標(biāo)函數(shù),并利用光滑重構(gòu)的思想,將其轉(zhuǎn)換為含參數(shù)的光滑方程組后通過牛頓法進(jìn)行數(shù)值求解,數(shù)值實(shí)驗(yàn)證明了算法的有效性。
【關(guān)鍵詞】：時(shí)間延遲積分 航空相機(jī) 像移 調(diào)制傳遞函數(shù) 調(diào)光算法
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V245.6
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 目錄9-11
• 第1章 緒論11-21
• 1.1 課題背景11-16
• 1.2 研究意義16-18
• 1.3 研究現(xiàn)狀18-20
• 1.4 本論文主要研究內(nèi)容20-21
• 第2章TDI探測器的像移模型21-47
• 2.1 時(shí)間延遲積分的FMC要求21-22
• 2.2 TDI型探測器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作時(shí)序22-34
• 2.3 Multi-line CMOS的調(diào)制傳遞函數(shù)34-37
• 2.4 仿真分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證37-44
• 2.5 小結(jié)44-47
• 第3章 全景式航空相機(jī)的像移模型47-71
• 3.1 全景相機(jī)結(jié)構(gòu)及成像幾何模型47-54
• 3.2 像移速度場建模54-58
• 3.3 關(guān)鍵參數(shù)仿真分析58-63
• 3.4 實(shí)驗(yàn)63-69
• 3.5 小結(jié)69-71
• 第4章 推掃式航空相機(jī)的像移模型71-93
• 4.1 像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)71-73
• 4.2 像點(diǎn)位置分析73-76
• 4.3 像移速度場建模76-79
• 4.4 數(shù)值仿真79-81
• 4.5 像移對直接地理定位結(jié)果的影響81-91
• 4.6 小結(jié)91-93
• 第5章 基于MTF和SNR的調(diào)光算法研究93-119
• 5.1 調(diào)光對圖像質(zhì)量的影響93-94
• 5.2 成像鏈路、信號和噪聲的定義94-99
• 5.3 TDI型探測器的SNR模型99-102
• 5.4 MTF、SNR的不等式組重構(gòu)及光滑算法102-112
• 5.5 實(shí)驗(yàn)112-117
• 5.6 小結(jié)117-119
• 第6章 總結(jié)與展望119-121
• 6.1 論文的主要研究內(nèi)容119-120
• 6.2 論文的主要創(chuàng)新點(diǎn)120
• 6.3 下一步工作展望120-121
• 參考文獻(xiàn)121-129
• 在學(xué)期間學(xué)術(shù)成果情況129-131
• 指導(dǎo)教師及作者簡介131-133
• 致謝133

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