光学 精密工程
2021, 29(12): 2902
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所， 吉林长春30033
2 中国科学院大学， 北京100049
3 中国科学院 天基动态快速光学成像技术重点实验室， 吉林长春100
为解决系统模型误差、外部干扰以及执行器故障引起的双星编队轨道控制精度低、稳定性差问题，设计一种基于观测器的抗干扰容错线性二次型调节器（LQR）控制策略。首先，根据编队双星相对运动动力学模型，设计基于双比例积分自适应律的增广观测器，同时实现对系统状态、间歇故障与快速时变故障、可建模干扰的快速精确估计，并采用
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优化技术抑制不可建模干扰对控制系统的影响。其次，采用Lyapunov稳定性理论，保证动态误差系统渐近稳定。然后，在控制器中引入未知动态估计信息的前馈补偿项，设计闭环反馈抗干扰容错LQR控制律。最后实验结果表明，相比文献中控制方法，本文所提方法的编队卫星相对位置控制精度提高49.93%，验证了所设计的抗干扰容错LQR控制律的优越性，能够为双星编队构形保持提供精确控制策略。
岳炜 1,2,3杨秀彬 1,3,*徐婷婷 1,2,3韩金良 1,2,3王绍恩 1,2,3
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100039
3 中国科学院天基动态快速光学成像技术重点实验室, 吉林 长春 130033
为合理选择不同材质的角膜接触镜,基于几何光学成像的原理,建立了基于角膜接触镜的角膜成像模型,分析了不同折射率的角膜接触镜对角膜成像质量的影响;利用逆光学成像思维,设计了一种用于检测成像质量变化的近轴光学系统,分别将不同材料和厚度的角膜接触镜加入该光学系统,定量分析不同材质的角膜接触镜对成像质量的影响。该光学系统的有效焦距为18.36 mm,筒长为36.49 mm,像高为2.48 mm,调制传递函数值接近极限衍射,全视场的畸变量小于0.1%。ZEMAX仿真结果表明:材料为硬性角膜接触镜PMMA、厚度为0.05 mm的角膜接触镜可同时满足增强现实技术中接触式设备的成像和佩戴需求。
光学设计 几何光学成像 角膜曲率 光学材料 畸变 中国激光
2020, 47(12): 1207005
王绍恩 1,2,3杨秀彬 1,3,*徐婷婷 1,2,3韩金良 1,2,3[ ... ]岳炜 1,2,3
1 中国科学院天基动态快速光学成像技术重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
为定量分析动态漂移时的像旋对成像质量影响的程度,基于动态环扫成像理论,建立一种静态影像与动态漂移间的融合模型。然后结合面阵CMOS相机成像特点与动态运动特性,提出对像旋矢量进行分解处理再融合的仿真模拟方法,设计了一种动态环扫画幅影像像旋仿真分析方法,获取了不同动态成像参数下的模拟影像。最后利用成像幅宽、地面分辨率、成像系统信噪比、峰值信噪比及结构相似性等指标对模拟影像进行定量评估分析。仿真结果表明,相机曝光时间越长,成像系统信噪比越高,像旋越大,成像质量越差,结构相似性越小。研究结果可为未来多种动态成像模式设计中减小像旋影响、提高相机成像质量提供有效的参考。
成像系统 空间光学 动态成像 像旋 峰值信噪比 结构相似性 曝光时间 光学学报
2020, 40(21): 2111003
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所空间新技术研究部, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学材料科学与光电技术学院, 北京 100049
为解决卫星摆扫获得的遥感影像存在畸变和像质退化的问题,提出一种分辨率反演与深度卷积网络相结合的几何校正与图像增强方法。摆扫过程中,空间相机的摆扫角和单位视场角恒定,探测器像面的像素与相机光轴指向的地面景物一一对应,根据这两点,像面上畸变的景物可以被精确地反演恢复。其次,采用真实的遥感影像作为样本,训练了针对遥感影像的深度卷积网络框架,解决了反演恢复过程中的影像模糊问题,增强了校正后影像的视觉效果。实验中,畸变校正后的影像很大程度地恢复了地面景物的原有几何特性。采用无参考图像质量评价指标(NR-IQA )对本文提出的网络结构、在传统图像集上训练的网络结构及插值方法进行对比评价,结果表明所提网络结构的图像增强结果更佳,能较为有效地恢复遥感摆扫影像。
遥感 摆扫 畸变 几何校正 卷积神经网络 影像恢复 光学学报
2019, 39(12): 1228001
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春130033
2 小卫星技术国家地方联合工程研究中心, 吉林 长春130033
为实现高灵敏度条件下近距离空间目标的探测成像, 通过设计惯性空间跟踪、terminal滑模稳定控制指向方法和成像行频自主匹配技术, 利用高灵敏度CMOS相机实现了对空间目标的稳定指向和高信噪比成像。最后, 利用卫星三轴气浮姿控仿真系统、空间LED目标显示系统和高灵敏度CMOS相机成像系统, 进行惯性空间跟踪稳定指向姿控仿真及外场高灵敏度成像试验。试验结果表明: 对惯性空间目标稳定指向的过程中, 稳像姿态控制优于0.02°与0.001 5 (°)/s时, 成像曝光10 ms可获得信噪比为19 dB的低照度图像; 利用F数为10的GSENSE400 CMOS相机, 在光照度为0.05 lx和行频自主匹配成像姿态的10 ms曝光时间条件下进行20 km近距离外场成像试验, 能够获得SNR大于18 dB的高信噪比图像。
空间监视 空间目标 高灵敏度 低照度 智能匹配 信噪比 space surveillance space target high sensitivity low illuminance intelligent matching Signal Noise to Ratio(SNR)
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所， 吉林 长春 130039
2 小卫星技术国家地方联合工程研究中心， 吉林 长春 130033
3 长春理工大学理学院， 吉林 长春 130000
4 中国科学院大学, 北京 100049
为实现高分面阵相机对垂直轨道方向的长条带区域一定重叠率的凝视搜索成像，设计了凝视姿态与地速运动互补偿的垂轨凝视搜索模型。通过划分垂轨长条带区域与构建目标三维运动速度，设计成像实时姿态变化与地球自转互补偿的引导策略，计算垂轨自适应搜索成像参数与实时变化指向姿态，并对卫星姿控精度对成像的影响进行了分析。最后，利用姿控三轴气浮仿真系统与CMOS相机对曲面LED目标模拟系统进行等比缩放物理仿真实验。结果表明：垂轨凝视自适应搜索成像参数为0.95时，可实现垂轨方向边缘帧间重叠率为85%、中心帧间重叠率为100%的渐变垂轨长条带成像区域，比全凝视成像区域扩大近4倍，姿控精度和姿态稳定性优于0.05°与0.003(°) s-1时，像移失配量小于0.9 pixel，对应的调制传递函数值为0.1559。
成像系统 垂轨搜索 推凝视 重叠率 像移量 调制传递函数
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京100039
为实现面阵相机对沿轨方向长条带区域一定重叠率的推凝视成像, 设计了高分辨 CMOS传感器的钟摆式搜索成像模型.通过长条带逐层区域划分和成像重叠率渐近变化构建, 计算了钟摆式搜索成像参量和卫星实时推凝指向姿态, 并利用多次小幅逼近的PD控制器分析了搜索成像姿态控制精度与成像像移失配量.利用高分CMOS原理样机和小卫星姿控仿真平台对P5型曲面LED靶标系统进行地面等比缩放的长条带钟摆式搜索成像仿真试验.结果表明: 帧间重叠率大于85%的钟摆式搜索成像比全凝视成像区域扩大了4倍;控制周期为10 Hz时,其姿态控制精度优于0.05°, 姿态稳定度优于0.003°/s, 搜索成像对应的图像传递函数能够达到0.141 1.
成像模式设计 钟摆式搜索 姿态规划 像移补偿 地面缩比试验 Imaging pattern design Pendulum type searching Gesture planning Image shift compensation Ground scaling experiment
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京100039
为实现高分视频卫星微光条件下对目标进行长周期凝视曝光成像, 设计了适应凝视跟踪稳像姿态变化的自适应曝光周期算法.建立卫星对地实时凝视跟踪数学模型, 搭建矢量映射的速度匹配曝光成像关系, 利用蒙特卡洛方法对卫星三轴姿态角和姿态角速度控制准确度在微光成像曝光时间内引起的像移量进行统计计算, 分析了一定姿态控制准确度下满足高分卫星微光成像的曝光周期.最后, 利用灵巧验证卫星进行微光成像曝光周期自适应稳像姿态的在轨试验.结果表明, 卫星姿态控制准确度分别为0.08°与0.0088°/s和0.04°与0.003°/s时, 对应的成像曝光时间分别为18 ms和55.2 ms, 通过对微光成像的目标点进行分析, 曝光过程中成像目标点的实际偏差像元量小于1个像元, 此偏差对成像质量影响较小, 成像影像的信噪比高.
微光成像 自适应曝光 稳像姿态 蒙特卡洛 信噪比 Low-light imaging Adaptive exposure Image stabilization attitude Monte Carlo Signal-to-Noise Ratio 光子学报
2016, 45(12): 1211001
1 长春理工大学理学院, 吉林 长春 130022
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所星载一体化技术研究室, 吉林 长春 130033
3 3中国科学院长春光学精密机械与物理研究所小卫星技术国家地方联合工程研究中心, 吉林 长春 130033
4 中国科学院大学, 北京 100049
为了实现卫星大侧摆成像时交错拼接时间延迟积分（TDI）CCD准确的重叠度配准和大幅宽无缝影像拼接，提出一种利用错位搭接像元像移速度矢量之间的夹角计算最小搭接像元数目的方法。分析了卫星侧摆成像时像面像移速度矢量的变化，根据侧摆角度计算对应地物点的经纬度和合速度矢量；利用光线追迹和矢量映射等方法将合速度矢量通过成像的物像关系和地球曲率参数等投影至像面坐标系，计算出搭接像元像移速度矢量之间的角度；结合TDI CCD位置矢量关系确立相邻两片TDI CCD的最少搭接像元数目。该算法成功应用到快舟一号卫星工程中，实验和理论对比分析发现，片间搭接像元的实际值和理论值有一个像元的偏差，在图像配准精度范围内。说明该方法能够有效消除卫星大侧摆成像对错位搭接像元拼接精度的影响。
成像系统 时间延迟积分 图像配准 光线追迹 侧摆 激光与光电子学进展
2016, 53(5): 051104
