基于星载TDICCD相机动态成像质量的分析与仿真

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随着对地空间光学技术的日益提高,卫星平台引起的视轴抖动和大气扰动成为影响动态高分辨相机成像质量的主要因素。当光学系统位于航天器,飞船,或卫星平台上时,由于涡轮或发动机的谐振和非简谐振动引起非正常像移,会导致图像模糊。通过适当的设计,可以使振动最小化。且目前不论通过任何技术都只能使机械尽量稳定,总存在微小振动使传递函数下降而导致图像失真;光学遥感成像系统对地成像时,不可避免的要透过大气,一方面由于大气中粒子对光能的吸收、散射作用,使大气传递函数下降,导致光能衰减,目标对比度的下降,图像模糊。另一方面由于大气湍流的作用会导致光波强度和相位的不断变化以及光束的偏折,导致成像的变形。分析星载TDI CCD相机动态成像并进行动态成像仿真对改善空间遥感相机成像质量有着重要的意义。它不仅可以在相机优化设计时提供参考依据,还可以对TDI CCD相机不规则采样造成图像变形复原提供算法的理论支持,并且可以完善空间光学遥感成像的全链路仿真。本文首先,对卫星平台的振动进行分析,通过振动功率谱密度函数对动态传递函数的计算公式进行推导,并且依据TDI CCD成像的基本原理建立了视轴抖动影响下TDI CCD相机系统像质退化的数学模型,研究结果表明卫星平台视轴抖动对成像质量的影响是空间变化的,不仅存在图像模糊还存在几何变形,而且不同方向上的变形和模糊是不同的。其次,通过分析大气散射和吸收以及大气湍流对成像质量的影响,计算并分析乡村和城市不同可见度对大气透过率的影响以及不同太阳高度角对大气程辐射的影响,大气湍流传递函数主要与折射率常数有关,因而分别对不同高度、同一地点不同时间的折射率常数进行分析,得出这些因素对大气传递函数的影响。最后,通过数学模型并依据采样成像系统的成像原理对TDI CCD动态成像进行仿真。结果表明TDI级数越高,对成像质量的影响月严重;不同方向振动对成像影响是不一样的,垂直扫描方向的振动对图像质量的影响主要体现在图像的扭曲,垂直扫描方向的振动对图像质量的影响主要体现在图像局部的收缩和拉伸;低频振动对成像质量的影响主要体现在图像的变形,高频振动对成像质量的影响主要体现在图像的模糊;大气相干长度越小,成像越模糊;即使同一大气相干长度,不同时刻图像的模糊程度也是有差别的。在TDI CCD动态成像过程中卫星平台的视轴扰动和大气是影响光学遥感成像的主要因素。
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