针对当前遥感卫星电荷耦合器件(CCD)相机幅宽越来越大, 速率越来越高, 现有相机模拟源设备数据输出带宽不足的问题, 提出并实现了一种基于非易失性存储器 Express(NVMe)的超高速多通道遥感相机模拟源设备。该设备利用现场可编程逻辑门阵列 (FPGA)实现 4组 NVMe SSD主机控制器, 完成对固态硬盘 (SSD)的读写操作; 同时利用 DMA控制器读取 DDR4中缓存数据, 数据经封装处理后通过光纤接口输出。实验结果表明: NVMe主机控制器的写平均速率可以达到 1.7 GBps, 读平均速率达到 3.2 GBps。模拟源系统整体存储容量 8 TB, 对外输出带宽高达 80 Gbps, 支持 8路光纤接口输出。该模拟源具有较强的稳定性及良好的可扩展性, 已成功应用在某遥感卫星 CCD相机模拟源系统中, 为数传等设备的测试以及调试提供了充分保障。

云相机用于对目标区域进行云识别和云覆盖率的判别,其采用阈值法进行云判。为满足云判的准确性,确定探测器响应值与辐亮度之间的关系尤为重要。以云相机采用的基于拜耳阵列的面阵彩色CCD相机为研究对象,分析其成像过程,发现其红(R)、绿(G)、蓝(B)通道的辐射响应光谱存在重叠;以此为基础,建立了多通道CCD探测器辐射响应定标模型。针对云相机使用的R和B通道,使用747 nm LED和443 nm LED作为积分球的光源,设置光谱辐亮度的最小值、典型值、最大值,在单光源条件下进行云相机的绝对辐射响应定标实验以确定相应的绝对辐射响应系数,在双光源条件下验证了提出的辐射响应定标模型的正确性。该方法消除了探测器响应混叠带来的定标不确定性,有效提高了绝对辐射定标的准确度。

在分析CCD相机噪声特性的基础上, 设计了一种用于CCD相机电子学增益测试的新方法。该方法采用任意场景作为测试背景, 通过改进算法推导了图像信号SDN和图像噪声σDN之间的线性关系, 从而解算出相机的电子学增益。与传统方法采用积分球或EMVA1288标准要求的均匀光源相比, 该方法具有操作简便、经济性高的特点。与原有算法进行对比实验, 结果表明, 该方法能够较精确地对CCD相机电子学增益进行测试, 测试重复性高, 且有效可靠。

提出一种基于CCD相机和双朗伯靶的能流均匀性测量系统和方法。系统有两块朗伯靶,其中一块是固定的水冷朗伯靶,靶中心开孔处装有一个用来获得区域灰度值的热流探测器,另一块是可移动朗伯靶,用于拍摄没有探测器的光斑图像。所提方法可以直接获得探测器区域的像素灰度值,使得测量过程简单精确。详细阐述了测量原理和聚焦光斑灰度图像能流密度分布提取的整个过程,并搭建了平台,测量了多块小型定日镜的光斑能流分布,验证了所提方法的正确性和可行性。通过重复性实验和误差分析,结果表明,所提方法检测的峰值能流密度误差小于2.4%,所提方法可用于线性菲涅耳聚光系统二次聚光器开口平面处吸热管表面的能流分布检测。

设计了由平行光源、双远心镜头、面阵CCD摄像机和待测物等部分组成的高精度线材测径仿真系统。考虑到实验系统是 为了模拟完成高速线材的拍摄测量,在线材轧制过程中其径向速度可以高达100 m/s,同时存在横向跳动的迹象, 所以在光学设计中采用具有固定放大倍率的远心镜头,确保当物距改变时光敏面上的图像大小不发生变化; 并且选用的面阵CCD最快曝光时间可以达到1 μs,从而可以得到实时反映被测物体尺寸的高清图像。 实验结果表明:使用该仿真系统测量出的工件直径精度可以达到20 μm,足以满足生产需要。

为实现星载三线阵CCD相机的相机参数在轨测量, 提出了一种六自由度微位移测量方法。高亮度LED输出光被准直并耦合到输入光纤。输出光纤末端固定在可移动的被测物体上。光纤输出由多个光纤准直器(≥4)准直, 并由系统固定部分中的多个区域阵列的CCD相机(≥4)捕获。根据CCD图像中光点的位置变化来求解被测物体的六自由度位移。为了验证系统模型和六自由度位移计算程序, 对该方法进行了理论分析和仿真。结果表明: 当平移位移小于100 μm且旋转位移小于6′时, 典型的4准直测量系统求解误差小于10-5 μm和10-4′。并且, 当准直器的光斑位置的两个坐标方向上添加-0.5~0.5 μm的随机量时, 平移误差和旋转误差的3σ分别为0.9 μm和0.012′。

为了研究高速飞行弹丸的运动姿态问题, 提出转镜同步跟踪技术。在高速CCD相机主光轴方向放置一面转镜, 将弹道线位置上飞行弹丸的运动姿态反射到高速CCD相机内实现同步跟踪。设计了基于高速CCD相机视场中点的转镜跟踪系统, 建立了弹丸和转镜的运动模型, 并利用MATLAB软件得到了其随时间变化的曲线, 分析了相机和转镜空间位置对成像质量的影响。针对参数H=200 m, V=100 m/s, 对系统存在的误差进行了分析, 结果表明该系统可以实现对高速弹丸的同步跟踪。

为提高单线阵CCD相机双激光器立靶测量系统的坐标测量精度, 为系统设计提供理论和实验依据, 对系统测量误差进行了理论分析, 在建立系统数学模型的基础上, 推导了系统测量误差公式, 采用Matlab软件对测量误差进行了仿真, 获得了各误差影响因素对着靶坐标测量误差影响的大小和趋势, 以及1 m×1 m靶面内的误差分布, 并通过模拟实弹实验对误差分析结果进行了实验验证, 实验结果表明, x坐标测量误差的标准差σx为4.1 mm, y坐标测量误差的标准差σy为10.2 mm, 模拟实弹实验坐标测量误差与理论分析结果一致。

通过CCD相机成像模型讨论了成像链路各个环节对系统传递函数的影响, 分析了滤波器品质因数的增强效果、品质因数对信噪比的影响, 品质因数对多个像元影响, 分析表明：当相机光学部件及传感器确定之后, 可以通过设置合理的后端滤波电路品质因数来增强系统传递函数; 当滤波器的最佳品质因数设置值为1时, 成像系统在Nyquist空间频率处的传递函数能够提高32%.利用黑白条纹靶进行相机传递函数测试及信噪比测试, 试验结果表明, 调制传递函数增强滤波器在品质因数为1时可提高CCD成像相机的成像性能, 提高传递函数30%; 电路噪声抑制能力与通带内最平坦滤波器相当.

为了实现高清数字化医疗内窥成像,使用成像质量良好的耦合透镜系统耦合内窥镜目镜和CCD相机,成为高清视频内窥镜。基于实际应用的要求,设计了一个适用于耳鼻喉科内窥镜耦合CCD相机的透镜系统,该系统可以用于1/1.8 in(1 in=25.4 mm)、200万像素的CCD相机成像,并且具有12°视场角,4.4的F数。在调制传递函数(MTF)大于0.1判据下,透镜系统各视场的分辨率都在111 lp/mm以上,在全视场范围都能取得很好的成像效果。实际测试表明,该系统光学成像清楚,图像细节表现明显,分辨率达到了高清成像的要求,虽然结构简单,但达到了预期的设计目标,不但有利于加工和装配,而且降低了大量的成本。