本发明涉及空间光学成像技术领域，特别是一种超敏捷动中成像空间相机积分时间自主匹配测试系统。
背景技术：
传统遥感卫星成像模式为平台姿态机动到位后，相机才开始成像。近年来随着姿控技术的发展，遥感卫星的机动性和稳定度不断提高，将会实现超敏捷动中成像模式，可大幅提高卫星获取的有效信息密度，提高卫星使用的灵活性和观测效率，具有重要应用前景。
然而，现有的地面测试环境和测试方法不足以对超敏捷动中成像时相机积分时间的自主匹配性能进行有效测试。超敏捷动中成像时相机探测器在地面的投影速度可达～104m/s量级，且连续变化，对景物模拟转轴靶标提出的很高的要求，现有机械式转轴靶标运动速度有限，且在控制精度和转动稳定性方面存在不足(星载TDI CCD动态成像全物理仿真系统设计，张刘，孙志远，金光，光学精密工程，2011:19(3)；一种TDI CCD相机动态成像的模拟装置，CN200910067547.2，张刘，戴路，徐开等)；靶标运动状态难以模拟各种复杂的成像模式；此外，现有相机的积分时间与转轴靶标运动之间无法精确关联，难以对积分时间同步精度和动中成像性能进行定量化评价(空间TDICCD相机动态成像地面检测系统的设计，郑耿峰，张柯，韩双丽，金龙旭，梁伟，光学精密工程，2010:18(3))。以上问题限制了超敏捷动中成像时，空间相机积分时间自主匹配的地面验证与测试。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种超敏捷动中成像空间相机积分时间自主匹配测试系统，克服了现有测试系统中机械式转轴靶标转速有限、控制精度和转动稳定性较差，难以模拟各种复杂的动中成像模式，模拟景物运动与相机积分时间之间同步性较差等瓶颈问题，实现了各种复杂成像模式尤其是超敏捷动中成像模式下相机的在轨动态成像性能评测与验证，提高了遥感卫星及相机分系统在轨性能预估的准确性和可靠性。
本发明的技术解决方案是：一种超敏捷动中成像空间相机积分时间自主匹配测试系统，包括空间相机分系统、相机地面检测分系统、平行光管、动态景物模拟分系统；
空间相机分系统包括相机主体、相机电子学；相机主体包括相机镜头、相机焦面、支撑框架，相机镜头将来自平行光管的平行光汇聚于相机焦面，相机焦面将图像数据光信号转化为图像数据电信号，支撑框架用于连接相机镜头和相机焦面；相机电子学包括相机综合电子单元、图像处理单元，综合电子单元接收来自地面检测分系统中控制检测单元的控制指令、动态景物模拟分系统的相机焦面行周期的积分时间外触发信号，控制相机焦面成像参数，并控制相机焦面将成像过程中的相机焦面成像参数、相机焦面工作状态量返回给控制检测单元，图像处理单元接收相机焦面发送图像数据电信号，并对图像数据进行优化处理后发送给地面检测分系统的图像采集单元；
地面检测分系统包括控制检测单元、图像采集单元，控制检测单元模拟整星的星务系统，向相机电子学的综合电子单元发送控制指令，接收成像过程中的相机焦面成像参数、相机焦面工作状态量，图像采集单元模拟整星的数传系统，接收来自图像处理单元发送的优化处理后图像数据；
平行光管将转轴靶标表面的图案发出的光转变为平行光，并使得平行光可以被相机镜头接收；
动态景物模拟分系统包括高精度低扰动转轴靶标、靶标控制系统、上位机；高精度低扰动转轴靶标表面有特定图案，内部放置光源，可在靶标控制系统的控制下转动，转轴靶标表面图案发出的光信号可以被平行光管接收；靶标控制系统包括转轴靶标控制电路、转轴靶标驱动接口电路、角度测量电路；转轴靶标控制电路接收上位机的转动控制信息、当前转轴靶标的转动速度，配置转轴靶标驱动接口电路的转轴靶标的运动参数，并将用于控制相机焦面行周期的积分时间外触发信号发送给相机电子学，转轴靶标驱动接口电路根据转轴靶标的运动参数驱动转轴靶标运动，角度测量电路检测转轴靶标的转动速度，将测量信号返回给靶标控制电路实现对转轴靶标运动的闭环控制，上位机向靶标控制电路发送转动控制信息。
所述的高精度低扰动转轴靶标的要求为：
1)高精度低扰动转轴靶标的外形采用圆柱形，圆柱半径尺寸rsim为
其中，vsim是平行光管入瞳焦面处靶标线速度，ωsim是转轴靶标的角速度，fpara是平行光管的焦距，vdet是相机中的像面速度，τ是最小积分时间，f是相机的焦距，θmin是编码器可以检测到的最小角度；
2)高精度低扰动转轴靶标材料采用微晶材料，圆柱内部为中空构型，可放置光源，圆柱外表面采用网格型井字纹理，刻线宽度为10-30μm；
3)角速度满足0.49-49.08rad/s，角加速度满足0-10.28rad/s2，圆柱形靶标切向速度误差≤0.5‰，圆柱形靶标切向、轴向颤振幅度≤0.5μm，转轴靶标的直径为61.11mm.
所述的在平行光管焦面处靶标边缘的线速度为15-1500mm/s，加速度为0-310mm/s2。
所述的平行光管的焦距为12m，口径为1.5m，视场角为0.2°。
所述的相机焦面为具备双向扫描功能的时间延迟积分的CMOS探测器探测器，探测器像元尺寸7x 7μm，像元数3200，探测器积分时间调整范围为4～1000μs，增益调整范围1.0～8.0，级数调整范围32～128级。
所述的相机的积分时间τ、像面速度vdet、靶标线速度vsim、靶标角速度ωsim的计算方法为：
其中，d是探测器的像元大小，是从相机质心指向地面目标的矢径，H表示模量，f是相机的焦距，是星下点投影速度，是相机机动角速度。||||符号表示取模，⊥符号表示被测地物与卫星的相对速度在垂轨方向的分量，fpara是平行光管的焦距。
所述的相机成像时DN值不小于饱和时相机DN值的90％～95％。
所述的转轴靶标的驱动构架为基于上位机的编制好的转动控制信息驱动转轴靶标运动，该构架可以模拟各种真实在轨场景下的超敏捷动中成像模式；
所述的转轴靶标控制电路的输出相机焦面行周期的积分时间外触发信号采用软硬件相结合的方式控制转轴靶标与相机积分时间的延迟，保证成像时间的同步性。
基于权利要求1所述一种超敏捷动中成像空间相机积分时间自主匹配测试系统的测试方法，包括如下步骤：
(1)动态景物模拟分系统上电后高精度低扰动转轴靶标、靶标控制系统、上位机进行自检，通过后动态景物模拟分系统控制系统进行初始化；
(2)相机分系统上电后进行健康状态自检，通过后相机电子学完成参数设置初始化，等待相机焦面行周期的积分时间外触发信号，以控制相机成像时相机焦面的行周期，相机分系统进入成像等待模式；
(3)动态景物模拟分系统的上位机载入编制好的转动控制信息，通过靶标控制系统实现对高精度低扰动转轴靶标的精确控制，靶标控制系统将相机焦面行周期的积分时间外触发信号发送给相机电子学，高精度低扰动转轴靶标放置于平行光管入瞳焦面位置，靶标光学信号通过平行光管后可以被相机主体接收；
(4)当相机电子学接收到相机焦面行周期的积分时间外触发信号后，控制相机主体对转轴靶标成像，相机电子学将获取的图像数据输出到图像采集设备中，并相机分系统的相机焦面成像参数、相机焦面工作状态量返回控制检测单元。动态景物模拟分系统的控制电路还包含延迟模块，保证靶标运动和相机积分时间的同步，相机积分时间用于控制相机焦面的行周期，靶标运动和积分时间同步时能保证获取正确的图像数据；
(5)图像处理单元接收相机焦面发送图像数据电信号，并对图像数据进行优化处理后发送给地面检测分系统的图像采集单元，控制地面检测分系统中的检测单元模拟整星的星务系统，控制地面检测分系统中的图像采集单元模拟整星的数传系统，接收来自图像处理单元发送的优化处理后图像数据；
(6)任务结束后，动态景物模拟分系统的转轴靶标停止工作，相机进入等待模式，待有新的转动控制信息载入时，转入步骤3)，直至完成测试。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用高精度低扰动转轴靶标，克服传统的机械式转轴靶标在控制精度和颤振稳定性等方面不足，实现了超高精度和超低扰动，真实模拟相机和被测地物之间的相对运动，为在轨动中成像奠定基础；
(2)本发明采用上位机直接运行任务文件对转轴靶标进行控制的构架，可以模拟各种复杂的超敏捷动中成像模式。传统测试过程中靶标转速无法实时调整，故只能定性地对积分时间同步精度和成像性能进行评价，而以上任务规划的方法可以定量地对积分时间同步精度和动向成像性能进行评价；
(3)本发明相机积分时间采用外触发形式，实现相机积分时间和模拟景物运动向关联；从测试系统角度出发，通过软硬件相结合的方式消除延时，实现模拟景物运动和相机成像的同步性，保证地面测试验证试验的充分性。
附图说明
图1为积分时间自主匹配测试系统示意图，1-相机主体，2-相机电子学，3-相机地面检测分系统，4-控制检测单元，5-图像采集单元，6-平行光管，7-转轴靶标，8-靶标控制系统，9-转轴靶标驱动接口电路，10-转轴靶标控制电路，11-角度测量电路，12-上位机，13-任务规划文件。
具体实施方式
本发明针对现有技术的不足，提出一种超敏捷动中成像空间相机积分时间自主匹配测试系统，包括空间相机分系统、相机地面检测分系统、平行光管和动态景物模拟分系统四个部分。
空间相机分系统包括相机主体和相机电子学。相机主体包括相机镜头，相机焦面和支撑框架。相机镜头将来自平行光管的平行光汇聚于相机焦面，相机焦面将光信号转化为电信号，支撑框架用于连接相机镜头和相机焦面，将各部分组成一个完成的结构体；相机电子学包括相机综合电子单元和图像处理单元。综合电子单元接收来自地面检测分系统中控制检测单元的指令，控制相机成像过程，并将相机分系统成像过程中的各种状态遥测量返回给控制检测单元，图像处理单元用于接收相机焦面的图像数据，并对图像数据处理后发送给地面检测分系统的图像采集单元。
地面检测分系统包括控制检测单元(请在下文中的适应位置补充控制检测单元的工作过程)和图像采集单元(请在下文中的适应位置补充图像采集单元的工作过程)；控制检测单元用于模拟整星的星务系统，向相机电子学的综合电子单元发送控制指令，接收来自综合电子单元关于相机主体和相机电子学的各种状态遥测量；图像采集单元用于模拟整星的数传系统，接收来自图像处理单元的图像数据。
平行光管用于将转轴靶标表面的图案发出的光转变为平行光，平行光可以被相机镜头接收。
动态景物模拟分系统包括高精度低扰动转轴靶标，靶标控制系统、上位机。高精度低扰动转轴靶标表面有特定图案，内部放置光源，可以在靶标控制系统的控制下转动，转轴靶标表面图案发出的光信号可以被平行光管接收；靶标控制系统包括转轴靶标控制电路，转轴靶标驱动接口电路，角度测量电路。转轴靶标控制电路用于接收来自上位机的信息，配置转轴靶标的运动参数，并将用于控制TDI探测器行周期的积分时间外触发信号发送给相机电子学；转轴靶标驱动接口电路接收转轴靶标控制电路的参数驱动转轴靶标运动；角度测量电路用于检测转轴靶标的转动速度，将测量信号返回给靶标控制电路实现对转轴靶标运动的闭环控制。上位机用于向靶标控制电路发送指令、任务规划文件等信息。
一种超敏捷动中成像空间相机积分时间自主匹配测试系统，工作过程如下：
1)动态景物模拟分系统上电后各部件状态进行自检，通过后动态景物模拟分系统控制系统进行初始化；
2)相机分系统上电后进行健康状态自检，通过后相机电子学完成参数设置初始化，等待积分时间外触发信号，该信号用于控制相机成像时TDI探测器的行周期。相机分系统进入成像等待模式；
3)动态景物模拟分系统的上位机载入编制好的任务规划文件，该文件通过靶标控制系统实现对高精度低扰动转轴靶标的精确控制。同时靶标控制系统将积分时间外触发信号发送给相机电子学；高精度低扰动转轴靶标放置于平行光管入瞳焦面位置，靶标光学信号通过平行光管后可以被相机主体接收；
4)相机电子学接收到积分时间外触发信号后，控制相机主体对转轴靶标成像，相机电子学将获取的图像数据输出到图像采集设备中，并将关于相机分系统的各种状态遥测量返回控制检测单元。动态景物模拟分系统的控制电路包含延迟模块，保证靶标运动和相机积分时间的同步性。这里的相机积分时间用于控制TDI探测器的行周期，只有当靶标运动和积分时间同步时才能保证获取正确的图像数据。
5)任务结束后，动态景物模拟分系统的转轴靶标停止工作，相机进入等待模式；待有新的任务规划文件载入时，重复步骤3)和步骤4)。
转轴靶标的线速度为15-1500mm/s，加速度为0-310mm/s2。
如图1所示，整个系统包括空间相机分系统、地面检测分系统、平行光管和动态景物模拟分系统四个部分。其中，空间相机分系统包括相机主体1和相机电子学2；地面检测分系统包括控制检测单元4和图像采集单元5；动态景物模拟分系统包括高精度低扰动转轴靶标7，靶标控制系统8和上位机12。平行光管选用的参数为焦距12m，口径1.5m，视场角(2ω)0.2°。转轴靶标7考虑采用高转速高精度低扰动的磁悬浮轴承转轴靶标。
1)动态景物模拟分系统的控制系统8和磁悬浮轴承转轴靶标7进行自检，所选磁悬浮轴承角速度范围0.49-49.08rad/s，角加速度范围0-10.28rad/s2，转轴靶标的直径为61.11mm，在平行光管焦面处靶标边缘的线速度为15-1500mm/s，加速度为0-310mm/s2；自检通过后动态景物模拟分系统的控制系统8初始化；
2)相机进行健康状态自检，通过后对相机电子学2进行初始化。典型的相机参数为焦距14m，口径1.25m，为满足超敏捷动中成像需求，采用具备双向扫描功能的时间延迟积分(TDI)的CMOS探测器探测器，探测器像元尺寸7x 7μm，像元数3200，探测器积分时间调整范围4～1000μs，增益调整范围1.0～8.0，级数调整范围32～128级。相机综合电子学具备接收积分时间外触发信号的能力，在外触发端口为高电平时相机保持成像等待；相机初始化参数可以选择默认增为1.0，默认级数64级；相机的量化位数选择10bits；
3)可利用飞行器轨道与姿态仿真模型(如AGI公司的STK软件)编制相应的任务规划，如表1所示。根据姿轨模型获取卫星的姿态数据，根据公式(1)，公式(2)得到相机的积分时间τ与像面速度vdet的关系：
其中，d是探测器的像元大小，是从相机质心指向地面目标的矢径，H表示模量，f是相机的焦距，是星下点投影速度，是相机机动角速度。||||符号表示取模，⊥符号表示被测地物与卫星的相对速度在垂轨方向的分量。根据以上公式，利用公式(3)和公式(4)可以进一步可以得到靶标对应的的线速度vsim和角速度ωsim，
其中，fpara是平行光管的焦距，f是相机的焦距，rsim是转轴靶标的半径。
表1任务规划文件示意
动态景物模拟分系统的上位机12载入表1内容，将相关数据发送给控制系统8中的控制电路10，通过驱动接口电路9控制磁悬浮轴承转轴靶标7运动，角度测量电路11实时检测靶标转送并将检测信号送回控制电路10进行反馈控制。角度检测可以选用32k的编码器实现。控制电路10同时将实时积分时间脉冲传送给相机电子学2控制相机成像。考虑到动态景物模拟分系统驱动磁悬浮轴承转轴靶7标与相机成像之间的延迟，在动态景物模拟分系统的控制电路10中设置积分延迟模块，保证相机积分时间与磁悬浮轴承转轴靶标7运动之间的同步性；
4)相机成像时保证DN值不小于饱和时DN值的90％～95％，采用10bits量化时，正常工作时DN的范围在920～975之间。当收到积分时间外触发信号时，相机成像开始，通过相机电子学2将获取的图像并存储在图像采集单元5中。为保证数据正常存储，数据带宽不小于8Gbps；
5)任务结束后，动态景物模拟分系统的磁悬浮轴承转轴靶标7在阻尼作用下逐渐减速，动态景物模拟分系统的控制电路10停止向相机输出积分时间触发信号，相机停止成像，进入等待模式。
一种超敏捷动中成像空间相机积分时间自主匹配测试系统，包括空间相机分系统，相机地面检测分系统，平行光管，动态景物模拟分系统。其中空间相机分系统由相机主体和相机电子学组成；地面检测分系统由控制检测单元和图像采集单元组成；动态景物模拟分系统由转轴靶标，靶标控制系统和上位机组成；
转轴靶标的外形设计采用采用圆柱形设计，圆柱半径尺寸rsim按照如下公式来设计。当整个系统采用平行光管焦距为12m，相机焦距为14m，探测器最小积分时间为4μs，编码器位数为32k时，圆柱形转轴靶标直径应为61.11mm。该外形设计可以模拟卫星轨道高度为500km，机动速度为6°/s，加速度为1.5°/s2时的超敏捷极限工况；
其中，rsim是转轴靶标的半径，vsim是平行光管入瞳焦面处靶标线速度，ωsim是转轴靶标的角速度；fpara是平行光管的焦距，vdet是相机中的像面速度，τ是最小积分时间，f是相机的焦距，θmin是编码器可以检测到的最小角度；
转轴靶标的标驱动方式为高精度低扰动磁悬浮轴承驱动，角速度要求范围0.49-49.08rad/s，角加速度要求范围0-10.28rad/s2，圆柱形靶标切向速度误差≤0.5‰，圆柱形靶标切向、轴向颤振幅度≤0.5μm；
转轴靶标的材料采用微晶材料，圆柱内部为中空构型，可以放置光源；圆柱外表面采用网格型“井”字纹理设计，刻线宽度为10-30μm；
转轴靶标的驱动构架为基于上位机的任务规划文件的靶标控制系统驱动，该构架可以模拟各种真实在轨场景下的超敏捷动中成像模式；
转轴靶标控制电路的输出信号采用软硬件相结合的方式控制转轴靶标与相机积分时间的延迟，保证成像时间的同步性。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。