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。

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。

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.

宽动态范围的红外辐射特性测量系统往往预设多个积分时间档位,并对每个积分时间逐一进行非均匀性校正.本文研究了不同积分时间下非均匀性校正系数有的差异问题,基于黑体定标法和积分时间法提出了新的非均匀性校正方法.该方法只需要得到两个积分时间和两个定标温度点即可得到全动态范围所有积分时间下的非线性校正系数,可在保证校正精度的同时减少辐射源温度点,降低校正时间.使用某Φ400 mm口径的地基红外辐射特性测量系统对该方法进行了验证.结果表明,采用本文方法后图像的非均匀性由3.78%减小到0.24%.由4 ms下的校正数据可知,得到的校正结果接近直接用该积分时间进行校正的精度.提出的方法简化了所需设备,降低了校正时间,具有实时性强、精度高等特点,适用于外场测量.

由于现有的大口径短波红外测量系统的辐射定标需要制备大口径红外平行光管, 不仅机动性差且成本较高, 故提出了一种基于内、外定标修正的辐射定标新方法。该方法将一个中、高温腔型黑体置于红外系统内部, 通过切换反射镜, 将中、高温腔型黑体辐射引入红外光学系统, 并对部分光路进行中、高温段的内定标。然后, 使用大面源黑体对全系统进行中温段的外定标; 提取并处理公共温度范围的内、外定标数据以获取内、外定标之间的修正系数。最后, 对中、高温段的内定标数据进行修正从而获取全系统的辐射定标数据。使用该方法对某Φ400 mm口径的红外测量系统进行了辐射定标, 并根据定标结果反演了黑体的辐射亮度和温度。 结果显示: 辐射亮度反演的最大误差为1.67%, 温度反演的最大误差为1.02 ℃。实验结果证明了该方法可以准确、有效地对大口径短波红外测量系统进行辐射定标。

采用红外成像系统进行目标辐射特性测量时，环境温度变化引起的输出灰度漂移是一项重要的误差来源。通过研究环境温度对制冷型红外成像系统输出灰度的影响机理，提出了一种直接根据环境温度对输出灰度漂移进行补偿的方法。分析了红外成像系统灰度漂移来源，推导了漂移量与环境温度的函数关系，建立了理论模型，并在此基础上提出一种简便的漂移修正方法。通过辐射定标实验对该方法的有效性进行验证，结果表明，提出的方法不仅保证了红外系统测量精度，而且在系统线性响应范围内可以直接通过计算实现任意积分时间下的漂移补偿，提高了辐射定标和测量效率。

介绍了折转光管在瞄准系统中的使用位置、结构、工作原理和装调方法，分析了折转光管安装误差和两块平面反射镜之间的装调误差对方位传递精度的影响。使用MATLAB软件编程、计算、绘制出方位传递误差和高低传递误差的统计直方图，其分析结果为折转光管的装调提供了指导数据。计算分析表明，影响折转光管方位传递误差的主要因素是折转光管中两平面反射镜的装调误差，只要两平面反射镜的装调满足技术要求：方位误差≤4″、高低误差≤05′，即使折转光管在3个方向的安装误差极限值达到15°，也可满足折转光管方位传递误差≤10″的设计要求。

由于单台高速摄像机无法满足高速测量领域对大视场、高帧频、高分辨力和高数据量处理的要求，本文对通过外视场拼接来实现大视场角目标测量的技术进行了研究。在分析和比较各种拼接方式的基础上，提出了由4个测量相机的外视场拼接实现大视场测量的系统方案。4台测量相机以"田"字型配置在跟踪架水平轴两端，拼接后在视场上实现了“一”字型大视场测量。采用提出的方案，设计和研制了外视场拼接测量系统样机。采用视场角为10°的镜头进行视场拼接，实际拼接后最大视场为40°(方位)×10°(高低)；视差为360 mm时，目标距摄像机大于247 m无盲区，可以拍摄到完整的图像。

基于2台外视场拼接高速电视测量仪原型样机(硬件)提出了一种将交汇测量和拼接处理相结合的算法。根据需要对地球质心和光电测量系统建立了5个坐标系，介绍了坐标系的定义及其它们之间的变换过程，给出了目标轨迹交汇测量和视场拼接的实例。用2台高速电视测量仪拼接的8台测量相机同时对同一运动目标进行测量，对获得的测量数据进行交汇和视场拼接处理，结果显示提出的拼接算法是正确、有效的，可以得到唯一解；地球曲率半径和地球子午线收敛两项影响因素得到了完全修正，表明交汇测量算法完全可以推广到其它光电测控仪器的交汇测量。