一种基于靶标图像的空间相机颤振分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于靶标图像的空间相机颤振分析方法，特别是基于图像质心位 置变化的空间相机颤振影响分析方法，属于卫星颤振测试技术领域。
【背景技术】
[0002] 卫星在轨摄像期间，星上活动部件的各种运动影响均会使相机视轴产生相对于观 测目标的抖动，从而对图像质量产生影响。这种在抖动响应中不能依靠控制系统进行测量 和加以抑制的成分称为颤振响应。相机在空间摄影时产生颤振的主要原因包括：卫星平台 上由于动量轮变速转动、喷气、指向控制、太阳帆板调整等运动。对于CCD器件，其正常工作 的基本前提是光生电荷包的转移与焦面上图像的运动保持同步，任何的误匹配都将导致图 像模糊。多级TDICCD对地面同一目标曝光相当于积分时间延长，要想获得清晰的图像，必 须在此较长积分时间内保持同步。而颤振会导致相机在积分成像过程中产生图像像移，破 坏其与光生电荷包运动的同步性，影响相机的成像质量。
[0003] 卫星的颤振测量主要有加速度传感器测量和激光测振两种方法。加速度传感器可 以实现多点同时测试，可以置于航天器内部测最，便于空间应用；但其缺点是传感器本身对 轻质被测结构有一定的影响，因此对传感器的选择要求较高。激光测振是一种成熟的非接 触式测量技术，其原理是利用多普勒频移和干涉技术进行测量，其优点是对被测结构无影 响；但这种测量方法在空间应用困难，另外对组装起来的航天器内部结构难以测量，且测点 不宜很多。鉴于以上两种测量方法的特点，在航天器地面测试方法的研宄和应用中，以加速 度传感器测试为主，采用激光测振作为结果校验的辅助手段。NASA、ESA均对此开展了大量 研宄。国内颤振测试相对国外起步较晚，但借鉴了国外相关技术成果，目前测试能力与国外 相比差距不大，主要差距表现在对试验数据的处理和使用上。北京航天航空大学和航天五 院均开展了颤振影响的相关研宄。
[0004] 但以上方法均不能直观反映颤振对空间相机成像质量的影响，要知道颤振对图像 的影响，最直观的是得到卫星颤振引起的像元偏移量，也就是像移。在地面环境进行卫星颤 振对图像的影响分析，在国内还没有开始，在国外还少见报道。在卫星颤振测试中直接分析 像移偏差，主要存在的问题：（1)常用的表贴加速度传感器方法只能得到颤振的响应无法 与空间相机图像受颤振的影响建立关系；（2)卫星颤振测量的传递特性测试只能分析颤振 源到空间相机本体这条路径，无法建立颤振源到相机焦平面的颤振影响分析；（3)卫星颤 振幅值小，频率高，空间相机的像移如何在地面测试中准确测量；(4)从卫星可靠性和安全 性的要求，以及卫星不可返修的特点出发，如何设计像移偏差测量方法。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种基于靶标图像的空间相机 颤振分析方法，该方法填补现有技术空白，实现了在图像上直接测量像移，直接分析颤振对 空间相机成像的影响，得到像移偏差的准确数值，为卫星成像质量的影响分析及最终修正 提升卫星成像质量提供依据。
[0006] 本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
[0007] 一种基于靶标图像的空间相机颤振分析方法，包括如下步骤：
[0008] 步骤（一）、搭建测试系统，所述测试系统包括景物模拟器、空间相机和快视设备， 其中景物模拟器包括平行光管和光源，靶标位于光源与平行光管之间，并将靶标安装在平 行光管的焦平面上，使靶标的刻线方向同时垂直于平行光管的光轴和空间相机探测器的线 阵方向，并使光源照射靶标；
[0009] 步骤（二）、调整景物模拟器位置，保证空间相机入光口与景物模拟器出光口对 准，景物模拟器有效口径充满空间相机入瞳；
[0010] 步骤（三）、景物模拟器开机，再次调整景物模拟器位置，保证空间相机入光口与 景物模拟器出光口对准，景物模拟器有效口径充满空间相机入瞳，同时靶标成像在空间相 机焦面处，得到成像目标，并避免空间相机饱和；
[0011] 步骤（四）、关闭空间相机和景物模拟器，并保证景物模拟器位置不发生变化；
[0012] 步骤（五）、开启卫星扰动部件；
[0013] 步骤（六）、景物模拟器和空间相机开机，在卫星扰动部件进入稳定状态后采集图 像并将图像存储到快视设备；
[0014] 步骤（七）、对存储的靶标图像使用灰度质心法进行分析，得到质心位置偏差量 Warp (i)，即像面偏移量，具体公式如下：
[0015]
【主权项】
1. 一种基于靶标图像的空间相机颤振分析方法，其特征在于：包括如下步骤： 步骤（一）、搭建测试系统，所述测试系统包括景物模拟器、空间相机和快视设备，其中 景物模拟器包括平行光管和光源，靶标位于光源与平行光管之间，并将靶标安装在平行光 管的焦平面上，使靶标的刻线方向同时垂直于平行光管的光轴和空间相机探测器的线阵方 向，并使光源照射靶标； 步骤（二）、调整景物模拟器位置，保证空间相机入光口与景物模拟器出光口对准，景 物模拟器有效口径充满空间相机入瞳； 步骤（三）、景物模拟器开机，再次调整景物模拟器位置，保证空间相机入光口与景物 模拟器出光口对准，景物模拟器有效口径充满空间相机入瞳，同时靶标成像在空间相机焦 面处，得到成像目标，并避免空间相机饱和； 步骤（四）、关闭空间相机和景物模拟器，并保证景物模拟器位置不发生变化； 步骤（五）、开启卫星扰动部件； 步骤（六）、景物模拟器和空间相机开机，在卫星扰动部件进入稳定状态后采集图像并 将图像存储到快视设备； 步骤（七）、对存储的靶标图像使用灰度质心法进行分析，得到质心位置偏差量 Warp (i)，即像面偏移量，具体公式如下：
其中：Warp (i)为每行受扰振的像兀偏移量，L(i)为每行的灰度中心位置，N为截取图 像数据的行数，N取值为正整数；
其中：DN(i，j)为第i行第j列的像元灰度值；LOC(i，j)为第i行第j列的像元序号； η为正整数。
2. 根据权利要求1所述的一种基于靶标图像的空间相机颤振分析方法，其特征在于： 整个测试过程中控制各种外界扰动，包括电磁、噪声、风、人员和设备移动，测试过程在单独 的试验间进行，保证无人员走动。
3. 根据权利要求1所述的一种基于靶标图像的空间相机颤振分析方法，其特征在于： 所述步骤（三）得到成像目标后，调整空间相机的成像参数，所述成像参数包括增益、偏置 和级数，之后对空间相机调焦，使得靶标在空间相机中得到清晰的黑白条纹像，之后进入步 骤（四）。
4. 根据权利要求1所述的一种基于靶标图像的空间相机颤振分析方法，其特征在于： 所述步骤（六）中景物模拟器和空间相机开机后的5~10分钟开始采集图像。
5. 根据权利要求1所述的一种基于靶标图像的空间相机颤振分析方法，其特征在于： 所述步骤（六）中重复采集图像3~5次。
【专利摘要】本发明涉及一种基于靶标图像的空间相机颤振分析方法，首先搭建成像系统，将包含特定空间频率的、黑白相间的高对比度矩形靶标放在平行光管焦面处，靶标通过高稳定性均匀的光源照亮作为物目标，通过平行光管和空间相机，成像在相机焦面上，得到清晰的靶标图像，采用灰度质心法进行分析，得到准确的像移偏差数值，本发明在光学测量的基本原理上结合图像分析，实现了在图像上直接测量像移，直接分析颤振对空间相机成像的影响，首次获得像移偏差数值，填补现有技术空白，为卫星成像质量的影响分析及最终改进维修卫星成像质量提供依据。
【IPC分类】H04N17-00
【公开号】CN104735445
【申请号】CN201510116900
【发明人】叶钊, 曹启鹏, 朱军, 董小静, 尹欢
【申请人】航天东方红卫星有限公司
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年3月17日