时间延迟积分电荷耦合器件(TDICCD)及多光谱线阵探测器是航天遥感相机常用的成像器件。为了获得高质量的航天遥感图像,要求TDICCD的电荷转移速度与像移速度相等、方向相同。航天遥感相机在轨推扫成像时,畸变会导致像移方向与积分方向不匹配。为了减小电荷转移方向和像移方向之间的失配误差,将探测器拼接成一条弧线以补偿畸变引起的像移。首先建立了时间延迟积分(TDI)方向和像移方向失配的数学模型,分别给出了枕形畸变和桶形畸变弧形拼接的方向。其次,推导了像移方向与TDI方向夹角的计算公式,建立目标函数计算每片探测器的弧形拼接角度。最后,进行了弧形拼接在轨实验,结果表明,相比拼接前,弧形拼接后边缘视场的配准精度由4 pixel提升到1 pixel。

本文提出了一种基于快速反射镜的像移补偿方法用于解决航空成像中的像移问题。首先通过计算航空相机在曝光时间内的像移速度证明了像移补偿的必要性; 针对快速反射镜存在伺服模型不确定性的问题, 设计了模型参考自适应控制器; 最后通过实验验证了该算法的性能, 结果显示: 采用本算法后, 快速反射镜的阶跃响应稳定时间降低了50%以上, 在振动情况下快速反射镜的稳定精度都可以达到10 μrad, 精度比传统控制方案提升10倍以上。最终的像移补偿成像实验成功验证了基于快速反射镜的像移补偿方案有较高的工程应用价值。

针对大视场空间相机的像移补偿, 建立了基于坐标变换和姿态动力学的离轴三反大视场空间相机通用像移速度场模型。建模过程中考虑了离轴三反光学系统的离轴角对像移模型的影响, 推导了离轴三反大视场空间相机的像速场解析式。以某大视场空间相机为例, 分析了3种典型成像姿态下焦面像移速度和偏流角的分布特点, 研究了卫星姿态稳定度对相机成像质量的影响。分析表明, 卫星三轴姿态稳定度的降低会导致相机焦面动态传递函数(MTF)下降, 其中俯仰姿态稳定度对焦面动态MTF的影响最大; 并且随着积分级数增加, 下降会愈发明显。相机侧摆姿态成像时, 对卫星姿态稳定度的要求更高。以传递函数下降5%为限, 积分级数为96级的大视场空间相机, 要求卫星姿态稳定度控制在0.001(°)/s以内。实验结果验证了文中对卫星姿态稳定度的分析, 证明了像移速度场模型的准确性, 为大视场空间相机像移补偿提供了可靠依据。

大视场空间相机在轨成像期间, 由于地球自转、卫星姿态机动和颤振等因素导致焦面像速场呈非线性各向异性分布。为此提出了一种新的基于刚体运动学的像移速度场建模方法, 考虑离轴角参数, 推导了离轴三反大视场空间相机的像速场解析式。以某大视场空间相机为例, 分析了侧摆成像时同速与异速像移速度匹配模式对相机成像质量的影响。分析结果表明: 以传函下降5%为约束, 侧摆15°成像时, 当积分级数大于10级时应采用异速匹配模式, 积分级数为32级时, 异速匹配相比于同速匹配使焦面动态MTF从0.340 8提高到0.970 2。当积分级数确定为16级时, 侧摆角在12.3°以内时可采用同速匹配模式。在轨成像结果证明了像移速度场模型的准确性, 可为大视场空间相机像移补偿提供可靠依据。

航空推扫成像时，由载机的姿态变化产生的像移是影响光学成像质量的主要因素之一，可由稳定平台进行补偿。基于某机载成像光谱仪系统，首先利用齐次坐标变换法建立像移速度矢量的精确计算模型，分析了成像质量对飞行姿态精度的要求，从而选定稳定平台参数。接着，分析了姿态补偿残差对成像质量的影响，得出引起的相对像移速度偏差仅为10-1，为后续光谱定标和几何校正提供了参考。再次，研究了给定成像要求的飞行参数指标的分配问题，进行了像移速度误差分析。最后，开展了飞行成像试验。结果表明所选的PAV30稳定平台能够确保成像期间的姿态稳定，验证了上述分析正确合理。所提出的方法简单，易于实现，具有一定的工程应用价值。

针对椭圆轨道卫星地心距和前进速度时刻变化对航天时间延迟积分(TDI) CCD相机成像的影响，提出了一种矢量映射分析方法来计算椭圆轨道时变的像移速度矢量。通过建立不同的坐标系，将椭圆轨道卫星在轨运行速度和地物随地球自转的线速度映射至TDI CCD相机像面坐标系。以某临界回归椭圆轨道为例，计算了影响航天TDI CCD相机成像的像移速度矢量和数据读出频率。最后，利用小卫星姿态控制系统半物理仿真平台和TDI CCD原理样机对提出的像移速度矢量映射分析方法进行了实验验证。结果表明：临界回归椭圆轨道一个周期内，参数按照等比缩放原则配置时，对应的偏流角、像移速度矢量和靶标移动速度分别为-3.76~3.22(°)、0.1673~0.72 mm/s和19.12~82.24 pixel/s，获取的图像能够满足1~2 peixl的目标分辨率。实验结果说明，用提出的方法计算像移速度矢量结果准确，可为椭圆轨道航天TDI CCD相机成像匹配提供可靠依据。

针对扫描反射镜和电荷耦合器件(CCD)时间延迟积分(TDI)无法完全补偿前向像移和摆扫像移的问题，提出了TDI-CCD全景航空相机像移速度场的计算模型。根据相机结构和像移补偿原理，用坐标变换和共线方程建立了成像几何模型，在此基础上利用微分法推导出像移速度场的解析式。数值分析表明，像点位置越接近CCD靶面的后边缘，扫描角和前向补偿角越大，像移速度越大。对于TDI级数为100、CCD像元数为14000的全景航空相机，当扫描角小于-1.5°、前向补偿角小于4.16°时，可满足最大像移补偿残差小于1 pixel的要求。实验结果验证了模型的有效性，该模型可作为定量分析TDI-CCD全景航空相机像移补偿误差的理论依据。

基于矢量关系运算和不同坐标系之间的转换, 推导了对地观测相机的像移速度矢量模型。该模型适用于机载和星载两种平台, 且在模型中考虑了地球扁率、姿态指向精度、姿态角速度等因素对像移的影响。对所提出的像移速度矢量计算模型进行了仿真分析。仿真结果表明, 机载成像时, 像移速度随载体飞行速度的增加而增加, 随飞行高度的增加而减少; 地球扁率因素对星载相机像移有重要影响, 在近极处引起的误差可达4.60%; 姿态参数对星载相机像移的影响大于机载相机。

根据宽覆盖相机的特性, 分析了其侧摆成像的几何关系。建立了地面物点到相机像面的空间坐标变换关系, 在此基础上, 推导了基于圆地球模型的相机侧摆像移速度计算公式, 并以像移失配传递函数MTFmismatch作为评价方法分析了相对像移匹配残差对像质的影响。以某宽覆盖型相机为例, 计算了不同侧摆角和不同地心角条件下的像面像移速度。计算结果表明: 像面各点的侧摆像移速度均不相同, 且变化趋势也不相同, 远地点处像移速度相对变化量最大。在侧摆角为25°且积分级数为48的条件下, 像移失配传递函数的最大值为0.681。外场成像试验结果表明, 积分级数控制在16级以内时的相机成像质量良好。

大视场空间遥感器由于卫星轨道、姿态机动、颤振、地球星历、几何特性和载荷相机光学设计等因素耦合影响，成像过程中焦面像场的运动和图像形变表现出非线性时变规律。像速场的分布和变化会影响动态推扫的成像控制精度和成像质量。提出了一种新的遥感器像移速度场数学建模方法，通过分析具有空间光滑曲面的体目标视运动及其动态成像问题，推导了对地观测大视场相机像速解析式。算法具准确性好和效率高的优点，适用于大视场空间遥感器在轨像速匹配的嵌入式计算机处理和仪器设计。同时研究了强非线性像速场的像速匹配和偏流角跟踪的电荷耦合器件（CCD）曝光积分控制及优化问题。