一种三自由度动态两维环扫空间成像的模拟装置转让专利
申请号 : CN202111087840.2
文献号 : CN113781885B
文献日 : 2022-04-19
发明人 : 杨秀彬 , 徐婷婷 , 常琳 , 周美丽 , 永强
申请人 : 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
摘要 :
权利要求 :
1.一种三自由度动态两维环扫空间成像的模拟装置,该模拟装置包括模拟成像单元和驱动控制单元;其特征是:
所述模拟成像单元包括用于模拟TDI CMOS相机(6)运动轨道的无阻导轨(2),安装在所述无阻导轨(2)上使TDI CMOS相机(6)实现多自由度扫描成像的相机外框架(4),安装在所述相机外框架(4)的自转轴(3)和刚性转子(5);
所述TDI CMOS相机(6)安装在刚性转子(5)上;
所述驱动控制单元包括刚性转子的驱动装置,所述相机外框架的驱动装置(8)以及导轨驱动装置(7);
通过所述相机外框架的驱动装置(8)驱动TDI CMOS相机外框架(4)绕无阻导轨(2)在俯仰方向上运动,同时,所述刚性转子(5)的驱动装置驱动刚性转子(5)带动TDI CMOS相机(6)绕自转轴(3)沿无阻导轨(2)在水平方向上运动,实现对4π空间多自由度扫描成像;所述TDI CMOS相机(6)的光轴指向根据导轨驱动装置(7)的控制速度变化,模拟卫星位于空间中对目标的全景扫描拼接成像。
2.根据权利要求1所述的一种三自由度动态两维环扫空间成像的模拟装置,其特征在于:所述模拟成像 单元还包括相机固定架,所述TDI CMOS相机(6)通过相机固定架安装在自转轴(3)上。
3.根据权利要求1所述的一种三自由度动态两维环扫空间成像的模拟装置,其特征在于:
当相机在垂轨方向上旋转扫描时,帧间图像重叠率为η,探测器在垂直方向的像元数为M,探测器的像元尺寸为a,相机焦距为f,帧间成像间隔时间为Δt,则在垂轨方向上的最大旋转角速度为 则设置卫星在垂轨方向的旋转角速度w2≤w2max。
4.根据权利要求1所述的一种三自由度动态两维环扫空间成像的模拟装置,其特征在于:
当相机在垂轨方向上旋转一周后,需要调整姿态,在沿轨方向上进动,设定探测器在水平方向上的像元数为N,探测器的像元尺寸为a,则在沿轨方向上的最大旋转角速度为则设置卫星在沿轨方向的机动角速度w3≤w3max。
5.根据权利要求1所述的一种三自由度动态两维环扫空间成像的模拟装置,其特征在于:
当在相机曝光时间texp内,接收的像面上像点的最远移动距离为L个像元时,曝光时间texp需满足以下条件:
式中,w2,w3分别为沿轨方向和垂轨方向的像移角速度。
说明书 :
一种三自由度动态两维环扫空间成像的模拟装置
技术领域
背景技术
切需要对运行周围空间的安全态势进行实时感知。
标的广域搜索探测,需要多台经纬仪进行组网布站测量。不过受地理位置影响,严重限制了
地基探测系统对空间目标的探测能力。相比于地基光电探测系统,天基探测系统由于其不
受地理条件的制约以及大气环境的影响,可以对空间目标实现高精度、全天时、高时效探
测。虽然也可以在天基观测卫星上搭载经纬仪进行态势感知,不过经纬仪的活动部件较多,
控制难度较大,容易引入更多误差源。相比之下,光学载荷探测能耗低,作用距离更远,因此
天基系统通常利用光学载荷获取空间目标信息。
等相位分布组合进行同时拍照的方式,实现周边空域影像拼接成像。但此种方式载荷需求
数量多,重量与功耗居高不下。因此通过利用敏捷卫星的机动性进行空间目标的探测,充分
体现天基探测的优点,具有广泛的应用价值。且现有研究多集中于理论分析仿真验证阶段,
没有实物和系统验证其可行性,同时需要一种高效的探测4π空间目标的模拟装置,为空间
目标泛在感知的分析提供有力指导。
发明内容
成像的模拟装置。
的自转轴和刚性转子;所述TDI CMOS相机安装在刚性转子上;
导轨在水平方向上运动,实现对4π空间多自由度扫描成像;所述TDI CMOS相机的光轴指向
根据导轨驱动装置的控制速度变化,模拟卫星位于空间中对目标的全景扫描拼接成像。
更接近真实卫星运动情况;其驱动装置不仅可以使相机模拟沿轨道运动,还可以使相机模
拟垂轨扫描成像以及相机沿轨道方向的旋转机动成像,模拟真实情况下天基光学载荷广域
搜索成像;同时根据图像拼接对帧间重叠率需求,通过计算相机的运动速度,可以保证图像
无缝拼接,从而实现4π空间感知成像。该模拟装置对于众多空间目标实现高效探测具有十
分重要的指导意义。
附图说明
具体实施方式
平台机动以及有效光学载荷的成像过程;所述驱动控制单元用来控制所述模拟成像单元的
运动速度,使相机按照预定的速度完成对4π空间的扫描成像。
相机外框架绕无阻导轨在俯仰方向上运动,同时可以通过刚性转子的驱动装置驱动随刚性
转子绕自转轴沿轨在水平方向上运动,实现对4π空间多自由度扫描成像。所述无阻导轨2通
过固定装置1安装固定。将相机外框架4安装在无阻导轨2上,通过将TDI CMOS相机6固定安
装在刚性转子5上,分别控制相机在无阻导轨2上随相机外框架4和刚性转子5做垂轨俯仰扫
描、沿轨旋转以及沿轨扫描运动。TDI CMOS相机6的光轴指向根据导轨驱动装置7的控制速
度变化,模拟卫星位于空间中对目标的全景扫描拼接成像情况。
的。充分利用卫星平台的机动能力,除了沿轨方向的飞行运动外,使其在轨道切平面中做俯
仰扫描运动,同时卫星在沿轨飞行方向上旋转机动,通过这种多自由度动态成像方式,相机
的成像区域大幅延展,可以实现对空间目标的环4π扫描成像。探测器成像后,将所拍摄的图
像发送至处理器进行图像拼接处理,在满足图像拼接所需的帧间重叠率的条件下,可以构
建空间目标的全景影像。
对探测器的曝光时间进行合理的设置,可以保证背景恒星和空间目标的成像质量满足图像
拼接需求。通过这种成像方式,解决了常规天基态势感知有效载荷冗余度高的问题。在有限
的视场范围内,将成像区域范围由传统的条带延展至环4π空间,有效克服了传统推扫成像
模式因相机像面尺寸受限而无法对多目标实现态势感知的困难。
好所有装置的控制情况,调试好模拟成像使用的工业相机。
模拟卫星平台机动。最后将TDI CMOS相机6安装至刚性转子5上,检查模拟装置各部分稳定
性,输入成像控制参数,启动控制装置,控制TDI CMOS相机6运动,进行4π空间目标天基光学
相机多自由度扫描成像模拟。
计,相机物方焦面实际运动轨迹呈现为螺旋渐近线。其中,P1、P2分别代表空间相机在成像时
刻T1、T2所拍图像。提取相机旋转一周所得的全部图像,在保持成像帧间重叠率不变的条件
下,可通过拼接每帧影像阵列得到在垂轨方向上的环扫全景图像,相机在沿轨方向上的运
动也是如此。
在沿轨方向上的机动速度等多维速度,图像帧间重叠率η、成像帧间间隔时间Δt和探测器
的曝光时间texp等因素。
导轨2的移动速度为
因此需设置卫星在垂轨方向的旋转角速度w2≤w2max,为保证后续的图像
拼接需求,η值一般取0.25~0.35之间。
轨方向上的最大旋转角速度为 因此需设置卫星在沿轨方向的机动角速
度w3≤w3max。