由于受温度变化的影响, 高分辨力遥感相机焦平面 CCD采样信号的相位会发生变化, 采样位置的温度漂移会严重影响图像的信噪比、动态范围等, 甚至会造成图像无法正常显示。为了解决采样位置随温度漂移的问题, 对高分辨力遥感相机CCD采样位置进行了自适应补偿设计, 首先对CCD采样信号的初始位置进行精密调节, 然后设计了自适应补偿电路, 通过对功耗的控制使各驱动芯片温度基本一致, CCD信号与采样信号在温度变化上具有跟踪性, 在动态上保证CCD信号采样位置的准确性, 从而保证图像信噪比的稳定性。实验表明, 利用该方法, 相关双采样信号的初始位置调节精度小于0.039 ns; 在卫星在轨温度范围内, 相关双采样信号延时最大值为0.46 ns, 保证了相机的高质量成像, 满足航天应用需要。

为实现红外探测器星上大范围高分辨率测温从而提升温度控制的稳定性和成像质量, 针对传统测温系统不能兼顾大范围与高分辨率两种特性的缺点, 研究设计了红外探测器星上温度测量系统。通过全温区分档以及档位自动切换功能实现大范围、高分辨率的温度测量。实验结果表明, 该红外探测器星上温度测量系统对星上70~260 K的大范围温度进行测量, 测量分辨率平均为9.1 mK/码, 最高可达7.6 mK/码, 较以往的测温系统分辨率提升了一个量级, 满足红外探测器的星上测温要求。

为了提高推扫式航天遥感相机的动态范围, 对TDI-CCD(Time Delay Integration-Charge Coupled Device)的全色谱段和多光谱谱段积分级数的特殊设置方法、相应图像的插值与融合方法进行研究。首先, 介绍了常见的TDI-CCD的像元尺寸和谱段构成等参数, 以及现有高分辨率多谱段融合图像的获取方法, 分析了常规的积分级数设置规律。接着, 提出在提高全色谱段的积分级数, 降低多光谱谱段积分级数的情形下, 分别获取各个谱段的灰度数据, 为提高相机的动态范围提供原始数据。最后, 针对性地提出了图像的融合、插值算法, 可以得到高动态范围、高分辨率的全色图像。实验和计算结果表明: 该方法能够有效提高相机的动态范围, 当P谱段积分级数提高2倍, 全色谱段降低为原来的1/4时, 最终获取的融合图像动态范围可以提高1806 dB。基本满足应用单排TDI CCD提高推扫式航天遥感相机动态范围的要求。

为了提高推扫式遥感相机的动态范围, 对应用DTDI(Digital domain Time Delay Integration)技术并采用固定积分级数的成像方法以及高动态范围图像的显示方法等进行研究。首先介绍了DTDI技术基本原理, 然后利用该技术突破传统模拟域TDI的满阱电荷限制, 获得更高深度、更大动态范围的灰度图像数据, 进而拓展了推扫式遥感相机的动态范围。最后结合图像熵和图像灰度分布方差构造评价函数, 并将其作为判据选择被关注目标高动态范围图像的最优显示窗口, 将信息量最大、层次最为丰富的区间自动显示出来。计算和实验结果表明, 当固定积分级数为64的时候, 推扫式遥感相机的动态范围可以有效地提高36.124 dB; 基于评价函数的显示窗口自动选取方法较人工选择能够更加快速、准确地显示最优结果。本文提出的方法能够基本满足推扫式遥感相机领域大动态范围成像及选择显示的需求。

为了在地面研制阶段精确地测试空间遥感相机在各种空间频率处的调制传递函数,对测试原理进行了理论推导和分析,并基于此开展了整机在各种空间频率处的传函测试实验。在给出了遥感相机调制传递函数的测试实验链路的基础上,推导了各种空间频率的正弦波和方波靶标在整个链路中的光能传递过程,从而得到了遥感相机在各种频率下的调制传递函数和对比度传递函数的理论形式,并证明了在任何频率处二者之间的转换系数均为π/4。最后,在真空环境下进行了相机在1、1/2和1/3乃奎斯特频率下的调制传递函数测试。实验结果表明：某空间遥感相机在实验室条件下测得的1、1/2和1/3乃奎斯特频率下调制传递函数分别为0.21、0.40和0.59。经计算光学系统反推传函与设计传函衰减系数接近1,证明了方法的正确性。

为了精确地测试空间光学相机入轨之前在乃奎斯特频率处的调制传递函数, 开展了整机在乃奎斯特频率处的传递函数测试实验。给出了相机在乃奎斯特频率处的调制传递函数测试链路图; 推导了乃奎斯特频率的方波靶标在整个链路中的传递过程和终端靶标图像的精确对比度函数模型; 计算了终端靶标图像的对比度与相机在乃奎斯特频率处的调制传递函数转换关系和理论误差形式。最后, 在真空环境下测试了相机在乃奎斯特频率下的调制传递函数, 并依据本文推导的结论对结果进行了修正。实验结果表明: 某空间光学相机在实验室条件下测得的乃奎斯特频率处的调制传递函数为0.213, 经折算时间延迟积分CCD(TDICCD)及处理电路的调制传递函数为0.602, TDICCD外围处理电路的调制传递函数等效衰减系数为0.946,与理论值接近。测试结果表明提出的方法基本准确, 能够满足空间光学相机地面研制阶段对调制传递函数测试的要求。

考虑推扫式遥感相机中的时间延迟积分(TDI)CCD行周期误差对成像动态调制传递函数(MTF)影响较大, 且积分级数越高影响越大, 本文分析并推导了存在行周期误差时TDICCD推扫成像的动态MTF数学模型并进行了仿真验证。首先, 介绍了典型的TDICCD的电荷行转移时序, 分析并推导了该时序下单级和多级积分级数时的采样窗口函数以及该时序下TDICCD的行周期误差率与动态MTF之间的精确函数关系, 并指出本文推导的精确函数比传统函数多一个非线性参量。然后, 进行了仿真实验。结果表明: 行周期误差率ΔT/T=0时, 该时序下的TDICCD在Nyquist频率下的动态MTF为静态MTF的0.632 5倍(TDICCD相数b=4), 显示得到的动态MTF与行周期误差率关系曲线较传统方法得到的曲线有明显差异且动态MTF值要高于后者。最后, 给出了在不同积分级数下、5%动态MTF下降率指标要求时的行周期误差率最大容许值。

根据空间推扫式遥感相机CCD的拼接结构, 提出了利用CCD重叠区域的图像指导自动调焦的方法。首先,介绍了空间推扫式遥感相机的CCD拼接结构;根据推扫式成像的特点, 利用具有并行处理数据能力的现场可编程门阵列(FPGA)同时接收多个CCD重叠成像区域的图像数据, 并计算图像质量评价值。然后, 选取图像质量评价值最大的3个重叠区域作为表决调焦方向的依据。最后, 通过实验分析说明了本方法的可行性。试验中, 相机的推扫频率为10 kHz时, 调焦一步的时间为0.2 s, 表明本文的调焦方法具有较好的实时性。提出的方法为空间推扫式遥感相机的在轨自动调焦提供了可行依据。

针对推扫式遥感相机前后摆成像中焦面拼接的CCD其像片间出现视场漏缝的问题，提出了一种焦面CCD的非均匀重叠像元数机械拼接方法。首先，构造了相机前后摆的成像原理模型; 接着，分析了CCD间产生地面视场漏缝的原因，并依据模型推导出相机前摆和后摆时各CCD视场间漏缝大小的数学公式，从而得到各片间容许的最少重叠像元数量公式。在此基础上，进一步给出了后续电子学图像拼接与配准中片间重复像元数的函数形式，为实现图像无缝拼接提供了软件实现依据。分析表明，该方法的理论误差ε小于一个像元尺寸，即|ε/D|<1。最后，给出了工程应用实例。