敏捷卫星相机像移补偿关键技术研究

发布时间：2018-11-18 07:00

【摘要】：随着空间遥感技术的不断发展,各国除了追求高地面分辨率外,对卫星的快速响应能力、对地观测效率以及成像范围都提出了更高的要求。敏捷卫星作为一种新型对地观测遥感卫星,因其具有快捷、灵活、高效的成像特点,已经成为高分辨率遥感卫星的发展趋势。空间相机在轨成像期间,由于卫星姿态机动、轨道运动、地球自转等原因导致地面目标在焦面上所成的像会产生像移,像移是制约TDICCD空间相机实现高质量成像的主要原因,它对具有快速灵活机动能力的敏捷卫星相机的影响更加严重。因此建立含姿态机动的敏捷卫星相机像移速度场模型,并根据像移速度场分布情况制定像移补偿策略是迫切需要解决的问题。首先,分析了像移对TDICCD成像质量的影响,参照当今具有代表性的敏捷卫星,归纳出了同轨多目标成像、同轨立体成像、同轨多条带拼接成像、动态摆扫成像四种典型成像模式,并研究了每种成像模式的工作原理,按照成像期间卫星姿态对地指向的不同,将这四种典型成像模式分为了静态成像模式与动态成像模式两类,又按照成像姿态的不同,将静态成像模式分为了侧摆成像、俯仰成像、侧摆兼具俯仰成像三类。其次,针对传统星下点成像像移速度矢计算模型的不足,提出了一种基于刚体运动学的建模方法,通过坐标系转换、矢量关系推导、目标点位置矢量求解、模型分量求解等步骤,建立了含姿态机动的敏捷卫星相机像移速度场模型,建模过程中既考虑了地球为椭球体的实际情况,又考虑了离轴三反光学系统的离轴角,使模型的真实性和准确性得到了提高。通过仿真验证了本文提出的像移速度场模型的建模原理是正确可行的,仿真结果表明:本文提出的像移速度场模型的偏流角和像移速度的计算结果与星下点成像像移速度矢计算模型的结果非常接近,偏流角误差与像移速度相对误差均在允许的范围内。然后,在本文提出的像移速度场模型基础上,结合某敏捷卫星的实际参数和相应的卫星轨道、姿态参数,分别对敏捷卫星在静态成像模式和动态成像模式下的焦面像移速度和偏流角的分布规律进行了三维仿真,定量分析了焦面不同像点位置间的像移速度和偏流角差异,并针对不同的成像模式分析了离轴角、卫星姿态角、纬度幅角、摆扫角速率等参数对焦面像移速度和偏流角的影响。最后,对像移补偿过程中涉及的误差进行了分析,指出像移速度相对匹配残差与偏流角匹配残差是影响敏捷卫星相机成像质量的主要因素。并针对敏捷卫星不同成像模式下的焦面MTF和像移速度场的分布情况,制定了相应的像移补偿策略。其中针对侧摆兼具俯仰成像模式提出了全局优化、局部优化偏流角匹配策略,并根据匹配效果仿真验证了两种偏流角匹配策略的可行性,仿真结果表明:全局优化匹配策略能够实现全视场清晰成像,适用于敏捷卫星的普查成像任务,而局部优化匹配策略能够使相机的局部成像质量得到显著提升,适用于敏捷卫星的详查成像任务;针对侧摆成像提出了像移速度分组异速匹配策略,给出了96级积分时不同侧摆角所对应的分组方案,仿真结果表明:该策略能够在不降低积分级数的前提下全面提升焦面MTF;针对侧摆兼具俯仰成像提出了积分级数调节与分组行频调节相结合的像移速度匹配策略,仿真结果表明:该策略既能保证相机在小姿态角下的高积分级数,又能保证相机在大姿态角下的高MTF;针对动态摆扫成像指出了摆扫角速率是影响TDICCD行频变化的主要因素,并给出了50μs级空间相机在不同纬度幅角以及摆扫角下所对应的摆扫角速率上限值,仿真结果表明:该上限值结合传统像移速度补偿策略能够在保证高MTF的同时将TDICCD的行频控制在允许范围内。本文提出的敏捷卫星相机像移速度场模型和像移补偿策略可为敏捷卫星相机的像移补偿提供理论依据。
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【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP79

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