全景式航空遥感器焦平面组件TDI方向标定方法研究

CIOMP OpenIR

	全景式航空遥感器焦平面组件TDI方向标定方法研究
	张健
学位类型	博士
导师	丁亚林
	2018
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位名称	博士
关键词	全景式航空遥感器时间延迟积分方向标定失配像移面阵模式
摘要	航空遥感技术是20世纪发展起来的一个新学科,已广泛应用于资源普查、地形测绘和军事侦察等许多领域。作为一种典型的航空光电设备,全景式航空遥感器一般选用TDI CCD作为成像探测器,垂直于飞行方向对地面景物摆扫成像。为了获得高质量的航空遥感图像,要求TDICCD电荷转移速度与摆扫像移速度大小相等,方向相同。因此,在装调阶段,通过焦平面组件TDI方向标定,尽量减小电荷转移方向和摆扫像移方向之间的失配误差,对全景式航空遥感器成像质量的提高有着重要的意义。本文围绕全景式航空遥感器焦平面组件TDI方向标定方法展开研究工作,主要包括以下几个方面的内容:根据TDI CCD的工作原理,建立了 TDI CCD电荷转移速度与摆扫像移速度失配像移数学模型,推导出失配像移调制传递函数表达式。通过分析存在速度大小失配和存在方向失配两种情况下相关参数(失配量、相位和级数)对调制传递函数的影响,指出速度大小失配影响TDICCD沿TDI方向的成像质量,方向失配影响TDICCD行方向的成像质量。对方向失配像移进行成像仿真,指出焦平面组件TDI方向标定的必要性。利用坐标变换法建立了航空遥感器成像数学模型,推导了 TDICCD各像元位置处摆扫像移方向与TDI方向夹角计算公式,设计算例对各像元位置处该夹角的变化情况进行了分析,指出,对于短焦距全景式航空遥感器不建议采用机械交错拼接焦平面组件结构型式,并认为理想装调状态下摆扫像移方向与TDI方向同向。计算了实际装调状态下摆扫像移方向与TDI方向的夹角,即方向失配角,为扫描组件和焦平面组件相对于理想装调位置的角度偏差之和。将方向失配角定义为焦平面组件TDI方向标定要素,测量并消除方向失配角,即实现了焦平面组件TDI方向的标定。依据经纬仪测量原理,分析了利用经纬仪标定焦平面组件TDI方向的原理,提出了一种基于经纬仪的焦平面组件TDI方向标定方法。给出了该方法的具体操作步骤,但该方法存在照明不均匀、扫描组件难以微调和装调效率低的缺点。分析了影响该方法标定精度的因素,分别推导了利用该方法对两种结构型式焦平面组件TDI方向标定的误差表达式,计算结果表明,该方法可以用于短焦距航空遥感器焦平面组件TDI方向标定,满足使用要求,而对于长焦距全景式航空遥感器,受扫描组件(体积重量大)难以微调的限制,标定精度较低,无法满足长焦距航空遥感器的使用要求。结合全景式航空遥感器成像数学模型,推导了 TDICCD面阵模式下像点随扫描反射镜摆动在TDI CCD靶面上的运动轨迹为一条双曲线,通过分析该双曲线方程,分别提出了用于光学拼接焦平面组件和机械交错拼接焦平面组件方向失配角的计算方法。进而提出一种基于TDI CCD面阵模式的焦平面组件TDI方向标定方法,测量出方向失配角后,利用精密调整机构控制焦平面组件旋转相应角度,完成TDI方向标定。给出了该方法的操作步骤,该标定方法具有操作及调整简单方便、无反复、装调效率高等优点,缺点是对标定环境要求较高。分析了影响方向失配角测量的因素,利用Matlab对两种失配角测量方法的测量精度进行了仿真计算。计算结果表明该方法具有较高的标定精度,可用于长焦距航空遥感器焦平面组件TDI方向标定,满足使用要求。最后开展了试验验证工作。首先验证了基于经纬仪的TDI方向标定方法在短焦距航空遥感器应用中的有效性,又利用基于经纬仪的标定方法,对某长焦距航空遥感器光学拼接焦平面组件进行TDI方向标定。然后利用基于TDI CCD面阵模式的标定方法检验基于经纬仪标定方法的标定精度,并利用该方法完成了光学拼接焦平面组件TDI方向的标定。通过对比两种标定方法的标定结果及标定时间,可以得出,使用基于TDICCD面阵模式的标定方法,标定误差至少由9'59.5″减小至19.5″,装调效率提高了 60%。设计了机械交错拼接焦平面试验件,利用该长焦距航空遥感器进行机械交错拼接焦平面组件TDI方向标定方法的验证工作,标定完成后,标定误差为11.8″ ±24.6″(3σ),显著高于基于经纬仪标定方法标定误差的计算结果。该长焦距全景式航空遥感器后续进行了实验室动态成像和飞行试验,均满足指标要求,进一步证明了本论文提出方法的有效性。
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/61679
专题	中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	张健. 全景式航空遥感器焦平面组件TDI方向标定方法研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2018.

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全景式航空遥感器焦平面组件TDI方向标定（14429KB）	学位论文		开放获取	CC BY-NC-SA	请求全文