颤振对TDICCD相机像质的影响分析-樊超

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1、第36卷第9期光子学报Vol.36No.92007年9月ACTAPHOTONICASINICASeptember2007颤振对TDICCD相机像质的影响分析樊超,李英才,易红伟(中国科学院西安光学精密机械研究所,西安710068)摘要:为了分析卫星颤振对TDICCD相机像质的影响,给出了低频正弦颤振引起的相机像移,重点分析了滚动、俯仰、偏航三个方向的颤振对相机成像质量的影响.通过对两种卫星颤振动力学仿真数据的计算,具体研究了颤振对相机像质的影响程度.结果表明,TDICCD相机对卫星颤振幅值要求较高,且随TDI积分级数的增加,颤振的影响尤为突出,必须加以限制.关键词:颤振;TDICCD

2、相机;像移;像质中图分类号:V448.21文献标识码:A文章编号:1004-4213(2007)09-1714-40引言颤振的振幅很小,并可通过一定的减振和隔振措施加以抑制.因此,它对相机的像质影响很小.卫星在轨摄像期间,星上活动部件的各种运动对于低频颤振,相机的积分时间小于振动周期影响均会引起相机镜头的抖动响应,从而对图像质(te

3、包括:卫星平台上由于动量轮变速转动、喷气、指向控制、太阳[1]帆板调整等运动.对于TDICCD,其正常工作的基本前提是光生电荷包的转移与焦面上图像的运动保持同步,任何的误匹配都将导致图像模糊.多级TDICCD对地面同一目标曝光相当于积分时间延长,要想获得清晰的图像,必须在此较长积分时间内保持同步.而颤振会导致相机在积分成像过程中产生图像像移,破坏其与光生电荷包运动的同步性,影图1颤振引起的像移与曝光起始点的关系Fig.1Relationbetweentheimagemotionandtheinitial响相机的成像质量.本文通过对卫星滚动、俯仰、偏exposurepoint航三种颤振

4、对相机成像质量影响的分析和仿真计算弦颤振x(t)引起的像移与曝光初始时间ts之间的表明随TDI积分级数的增加,这种影响尤为突出.关系,由此可以计算出低频颤振引起的最小和最大1卫星颤振导致的像移分析像移2πte星载相机成像系统中,正弦颤振是非常重要的.amin=A1-cosT02卫星姿态调整、太阳翼的转动等引起的颤振都可以2πte[2]amax=2Asin近似看作正弦颤振.虽然可以通过恰当的设计减T02[3-4]小正弦颤振的影响,但是,它仍然产生较为严重这里A是颤振幅值.最小像移出现在颤振极值附的像移.正弦振动引起的像质恶化取决于积分时间近,而最大像移发生在以x(t)=0为中心的积分时

5、te和正弦振动的周期T0间的比值.据此,颤振可以间内.并且,积分时间越短,颤振引起的像移越小.分为两种:高频颤振和低频颤振.对于高频颤振,由于颤振引起的像移依赖于曝光的初始时间,而它te>T0,在一个积分时间内存在一个或几个周期的是在0～T0内的随机分布,导致像移在[amin,amax][5-6]颤振.这种颤振对像质影响的MTF为内也是随机分布的.因此较为准确地计算低频颤振-MTF=J0(2πfA)引起的像移较为复杂,使用平均像移aJ0为零阶贝塞尔函数,A是颤振的幅值.由于高频-amin+amax2πte1a==Asin+-2T022Tel:029-88498392Email:anf

6、an2003@gmail.com12πtecos(1)收稿日期:2006-05-182T029期樊超,等:颤振对TDICCD相机像质的影响分析1715来近似表示积分时间内像移对像质的影响.对于低频正弦颤振,当积分时间相对较短时,可以认为在该时间内,像移的速度是均匀的,此时,低频颤振对像质影响的MTF可以表示为-MTF=sinc(πfa)f为所成图像的空间频率.图2偏航轴颤振引起的像移示意Fig.2Thesketchoftheimagemotioncausedbythe2颤振对成像质量的影响buffetingalongtheyawdirection在一个积分时间内产生的平均像移Δax2

7、为在欧洲航天局(ESA)发射的OLYMPUS通信2πte1卫星上用三个彼此正交的微加速计对颤振进行测Δax2=bsin(θ3)sin+-T0y22量.从测量的数据来看,其颤振频率主要集中在12πte200Hz以下.从美国宇航局/戈达德航天中心cosT20y2(NASA/GSFC)提供的LANDSAT-4在轨测量的在沿TDI方向产生的像移Δay2颤振数据可以看出,卫星颤振频率从低频扩展到高2πteΔay2=b[1-cos(θ3)]sin+频(约125Hz),