为克服在轨单粒子翻转并实现灵活可靠的多工作模式, 设计了基于 Xilinx现场可编程逻辑器件和上海复旦微刷新芯片的刷新成像系统。使用单组菊花链结构的串行总线进行5组刷新成像单元串口控制, FPGA将接收到的数据内部转换后再对刷新芯片配置或重注。通过刷新使能信号控制刷新芯片是否加电, 同时决定FPGA以主并工作方式从PROM加载还是从并方式在刷新芯片的控制下加载。通过控制电平设置, 实现加载数据源的选择。在各供电电源完毕后, 使用外部的复位信号对刷新芯片进行复位, 满足刷新芯片复位后立即启动配置的时序要求。实验结果表明, 以波特率625 kbit/s菊花链方式, 传输单包204 byte的数据仅需0.377 6 ms, 远低于刷新串口所需的2.01 ms, 可以进行多组的分时工作。采用少量单端控制信号结合菊花链串行总线的刷新成像系统, 多种工作模式稳定可靠, 具备设计灵活性和在轨可维护性。

全局快门在对地观测的超光谱成像、测绘及星敏应用中具有优势，但应用效果也依赖于高信噪比。针对CMOS成像特点，设计了可进行拉灌电流的低压基准源电路，基于低热光学变形的焦面电子学，提出上电初始态不定的多通道串行数据接收方法；针对全局快门所特有的寄生光灵敏度影响，采用分行统计中间行为基准的多点拟合校正方法；按照EMVA1288标准，将前照式CMOS成像系统与制冷背照式EMCCD进行了测试，校正前后单幅图像的标准差分别为3.37和0.42，最大信噪比为123.37，EMCCD的最大信噪比为359.43。结果表明，该校正方法可有效减弱全局快门的固定图形噪声，面阵CMOS在全局快门方式下的信噪比与EMCCD相比还有较大差距。

高光谱成像的应用效果非常依赖于所获取的图像信噪比(SNR)。在高空间分辨率下,帧速率高、信噪比低,由于光谱成像包含了两维空间-光谱信息,不能使用时间延迟积分(TDI)模式解决光能量弱的问题;目前多采用摆镜降低应用要求,但增加了体积和质量,获取的图像不连续,且运动部件降低了航天的可靠性。基于此,将超高速电子倍增与成像光谱有机结合,构建了基于电子倍增的高分辨率高光谱成像链模型,综合考虑辐射源、地物光谱反射、大气辐射传输、光学系统成像、分光元件特性、探测器光谱响应和相机噪声等各个环节,可用于成像链路信噪比的完整分析。采用LOWTRAN 7软件进行大气辐射传输计算,对不同太阳高度角和地物反射率计算像面的照度,根据电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)探测器的噪声模型,计算出不同工作条件下的SNR。对SNR的分析和实验,选择适当的电子倍增增益,可使微弱光谱信号SNR提高6倍。

为提高多路高速串行图像数据传输在航天应用中的FPGA IO利用率, 同时克服接收到的多路并行恢复数据相对相位不确定性问题,采用时钟分路器同时为多路TLK2711和FPGA提供低抖动时钟。对于串行数据发送, 采用FPGA内部的数字时钟管理单元(DCM)对发送数据的相位进行调整, 并采用TLK2711的内部环回功能进行发送数据和时钟相位的动态自适应调整。对于串行数据接收, 采用高速异步数据缓存将多路相对相位不确定的数据调理为参考相同时钟, 最终转换为满足Camera Link接口协议的图像数据。实验结果表明, 采用时钟分路器可大大降低时钟抖动, 该传输系统工作稳定可靠, 最大传输速率可达6.8 Gbit/s。此方法可大大提高FPGA内部的资源利用率, 实现多路并行恢复数据的相对确定相位, 满足多通道基于TLK2711的高速串行数据的高稳定传输要求。

像移补偿是保证星载红外探测器成像质量的关键技术之一, 针对某星载红外探测器光学系统的设计特点和成像工作模式, 为补偿红外探测器在轨运行方向产生的像移和摆扫方向产生的像移, 提出分别对俯仰方向快速反射镜和方位方向快速反射镜实施控制的方案。首先介绍红外遥感原理及像移现象; 其次详细分析红外探测器光学系统的设计特点和光学系统组成; 然后重点分析了红外探测器在轨工作中的像移产生的原因, 并计算出在轨运行方向产生的像移量和摆扫方向产生的像移量; 最后提出像移补偿方案, 阐明其工作原理, 并对像移控制系统硬件设计进行了详细分析。计算结果表明所设计的像移补偿系统的运动范围和运动加速度满足红外探测器技术指标的要求。

遥感图像匹配是图像校正、拼接的基础。由于遥感图像特征相似度大, 重叠区域小, 遥感图像对匹配算法的要求更高。本文首先从特征检测、特征描述和特征匹配三个方面, 比较了SIFT算法和SURF算法在计算速度和准确度方面性能, 然后研究了算法对遥感图像重叠度、度量距离的要求, 并针对SURF算法对特征方向误差敏感的特点, 提出一种oSURF算法; 最后利用卫星1A级条带遥感图像分析各个算法优劣性。测试结果表明, 相比于SIFT算法, SURF算法计算速度为SIFT的3倍, 需要的图像重叠宽度仅为1.25倍描述向量尺寸, 而在保证同样匹配率的情况下, SIFT算法则需要图像重叠宽度为1.5倍描述向量尺寸。本文提出的 oSURF算法在保证计算速度的同时, 准确度相对于SURF算法提升5%~10%, 因此, oSURF算法更适合1A级条带遥感图像的拼接。

空间相机遮光罩的温度波动直接影响附近光学元件的温度波动, 而光学元件的热变形将导致光学成像质量的下降。针对一种高分辨率空间相机的遮光罩, 提出了几种不同的热控方案并进行了比对分析。首先, 介绍了空间相机遮光罩的一般热控措施及效果并分析了影响空间相机遮光罩温度波动的外热流及传导热阻; 然后通过仿真分析得到了三种不同热控方案下的温度数据及主动加热功耗数据, 经过比对分析后选用了主动加热功耗少、温度波动范围小的热设计方案。最后, 通过热平衡试验及在轨数据验证了选用方案的有效性。空间相机遮光罩的在轨温度范围为4.8~9.2 ℃, 次镜温度范围为17.8~17.9 ℃, 与仿真分析结果一致性良好, 热设计合理有效, 满足任务需求。

电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)利用电荷雪崩机制可以实现低于1e-的读出噪声, 适用于微光成像。随着背照式CMOS成像探测器技术的发展, 具有高量子效率和低于1.5e-读出噪声的CMOS成像探测器已中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研制成功。针对天基微光成像的需求, 分别构建了基于EMCCD CCD201的天基微光相机和基于CMOS的天基微光相机, 并建立了系统的噪声模型。对基于EMCCD的天基微光相机和基于CMOS的天基微光相机的微光探测性能和工作机理进行了对比分析。分析结果表明: 当采用凝视成像模式, 积分时间为2 s, 相机入瞳辐亮度为10-9 W·cm-2·sr-1·μm-1时, 基于EMCCD的天基微光相机在焦面温度为20 ℃的条件下的信噪比为23.78, 相同条件下基于CMOS的天基微光相机的信噪比为27.42。当采用制冷系统将焦面温度降低至-20 ℃时, 基于EMCCD的天基微光相机的信噪比提高到27.533, 而基于CMOS的天基微光相机的信噪比提高到27.79。

受现今轨道和姿态测量以及姿态控制精度的限制，与传统三线阵立体测绘相比，采用线面阵CCD阵列(LMCCD)测绘体制可提高全球无地面控制点立体测绘精度。详细介绍了LMCCD立体测绘体制下的传感器配置、时间延迟积分(TDI)工作方式及狭小空间线路板连接和LMCCD同步控制方法。经测试该相机能有效削减测轨、测姿误差，满足无地面控制点1:50 000比例尺地图应用要求，性能还可进一步改进提高。