基于对宽带宽覆盖角天线的需求, 设计了一种工作于 9~11 GHz的小型化对跖 Vivaldi天线。在天线开口末端加入矩形引向器, 以获得良好宽带匹配效果。利用 HFSS软件进行结构优化, 得到天线的具体参数, 由此加工和测试带引向器的对跖 Vivaldi天线。通过仿真和实测得到, 在 9~12 GHz频带内回波损耗小于 -15 dB, 在-10 dB以下的带宽为 6.9~14 GHz。同时, 通带内 3 dB波束宽度实现 ±30°的扫描范围。此时天线的尺寸仅为 15 mm×16 mm×0.762 mm, 是一种宽带宽覆盖角的小型化天线。

基于对称前置同心物镜和中继转像透镜阵列设计的新型级联光学成像系统,是同时实现宽覆盖和高分辨率航拍作业的有效途径。针对超低空精准农情监测和精准施药需求,通过研究新型级联光学成像系统在超低空飞行高度下获取的最佳中间曲面像面面型及位置,研究并设计适用于超低空飞行高度的新型级联光学成像系统。在设计时,针对无人机(UAV)轻小型载荷需求,在系统中通过引入非球面来平衡轴外像差、减少镜片数量、缩短光学系统筒长。基于此,优化设计了飞行高度为20~80 m、焦距为60 mm、F数为3.4的无人机载宽覆盖遥感相机光学系统,其视场角高达132°,实现了地面宽覆盖,且成像性能优,为农用无人机精准高效农情监测提供了重要参考途径。

针对机载相机广域高效航拍作业需求,采用新型级联光学成像结构,设计了一种宽覆盖高分辨率机载相机光学系统。该系统由对称前置同心物镜和中继转像透镜阵列组成,对称前置同心物镜获取剩余像差均匀的宽视场曲面像,中继转像透镜阵列对该曲面像进行视场细分、剩余像差校正及中继成像。所设计的机载相机光学系统焦距为60 mm、F数为3.4、视场角可达132°。基于一阶理论和像差特性,在不同飞行高度对地观测时,研究了机载相机光学系统的成像质量与宽视场曲面像的关系,获得系统在不同飞行高度实现清晰成像的方法。通过像质评价,结果表明,优化设计的系统在低空、中空及高空进行对地观测时,像面光线追迹点列图方均根半径均优于1.6 μm,在奈奎斯特频率为230 lp/mm处,调制传递函数均达0.4,系统成像性能优异且像质均匀。新型级联光学成像系统适用于不同飞行高度的机载相机。

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。

为扩大遥感仪器像面覆盖宽度，从现有的CCD拼接方法入手，提出了凸轮驱动的动态扫描拼接方法。将电机与凸轮同轴安装，两者做等速旋转运动，带动4片线阵TDI CCD在像面上做往复直线运动，相邻线阵CCD在扫描方向上的成像区域保持一定重叠率，从而实现了动态扫描拼接。分析了由凸轮结构的特殊性造成的系统负载力矩的非平衡特性进行了分析，针对采用常规稳速方法时，凸轮转速在负载变化阶段产生较强波动的情况，提出了常规稳速控制和神经网络相结合的自适应控制方法，并进行了实验分析。分析表明：作用于凸轮轴上的负载力矩与相机位角、凸轮转速成正比。与常规稳速方法相比，应用神经网络自适应控制方法后，系统稳速精度提高了41%，非平衡负载引起的速度波动降低了20%，满足工程需要。