CN109238304A - 空间相机超高速变行频测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种空间相机超高速变行频测试装置，属于光电成像技术领域，包括平台、数据转换器、控制与存储计算机、柔性环形LED靶标、高精度单轴转台、编码器和转台控制器，其中空间相机固定在平台上，且空间相机的靶面与水平面垂直；控制与存储计算机通过数据转换器与空间相机连接，控制与存储计算机还分别与柔性环形LED靶标、编码器和转台控制器连接，转台控制器与高精度单轴转台连接；柔性环形LED靶标固定在高精度单轴转台上，编码器设置在高精度单轴转台内。本发明的空间相机超高速变行频测试装置结构简单、测试方法简单易行，能够有效地在地面上测试空间相机的超高速实时变化行频性能，从而有效测试空间相机的成像能力。

Description

空间相机超高速变行频测试装置
技术领域
本发明涉及光电成像技术领域，特别是涉及一种空间相机超高速变行频测试装置。
背景技术
航天TDI CCD相机成像模式的摆扫成像模式是与卫星姿态机动同步进行成像的动态成像方式，如图1所示，其中(a)为相机横滚方向摆扫示意图，(b)为俯仰方向摆扫示意图，可以满足目前对地观测范围增大的需求，但是随着轨道高度和摆扫角度的变化，相机的行频与图像的分辨率实时变化，对于高分TDI相机来说，像移速度大小必须与CCD相机的电荷行转移速度匹配，否则成像的调制传递函数将下降，图像变得模糊。空间光学遥感技术的研究是一项高风险、高投入、高度复杂而又高精度的***工程，为保证空间光学卫星成像性能，必须在地面进行全面、深入可靠的理论研究与物理仿真实验，来演示验证关键技术及理论研究结果的正确性。空间相机在摆扫成像过程中存在运动速度和成像距离的实时变化，因此要实时调整空间相机的采样频率，目前相关领域尚无针对空间相机在摆扫成像过程中超高速实时变化行频性能的地面测试装置，导致在地面上无法有效地测试空间相机的成像能力。
发明内容
基于相关技术瓶颈，有必要针对空间相机在摆扫成像过程中超高速实时变化行频无法有效地在地面上进行测试的问题，发明一种空间相机超高速变行频测试装置。
为解决上述问题，本发明采取如下的技术方案：
一种空间相机超高速变行频测试装置，包括平台、数据转换器、控制与存储计算机、柔性环形LED靶标、高精度单轴转台、编码器和转台控制器；
空间相机固定在所述平台上，且所述空间相机的靶面与水平面垂直；
所述控制与存储计算机通过所述数据转换器与所述空间相机连接，所述控制与存储计算机还分别与所述柔性环形LED靶标、所述编码器和所述转台控制器连接，所述转台控制器与所述高精度单轴转台连接；
所述柔性环形LED靶标固定在所述高精度单轴转台上，所述编码器设置在所述高精度单轴转台内；
所述控制与存储计算机控制所述柔性环形LED靶标显示靶标图像，并将预设角速度曲线对应的控制信息发送至所述转台控制器，所述转台控制器控制所述高精度单轴转台按照所述预设角速度曲线旋转；所述控制与存储计算机接收所述编码器实时发送的转台角度信息，并根据所述转台角度信息计算所述空间相机的行频控制信息，将所述行频控制信息通过所述数据转换器实时发送至所述空间相机；所述空间相机根据所述行频控制信息实时改变拍摄行频并对按照所述预设角速度曲线旋转的所述柔性环形LED靶标进行实时成像，将成像后得到的图像通过所述数据转换器发送至所述控制与存储计算机，所述控制与存储计算机对所述图像进行存储。
本发明的有益效果是：本发明综合考虑了相机的成像能力和卫星姿态的控制能力，依据在轨成像的真实状态，设计了一种基于柔性环形LED靶标的高分辨率空间相机超高速变行频测试装置。在该测试装置中，转台控制器控制高精度单轴转台按照预设角速度曲线旋转，编码器实时将转台角度信息发送给控制与存储计算机，控制与存储计算机根据实时的物距和速度计算出空间相机的拍照行频，通过数据转换器发送给空间相机，同时控制与存储计算机实时记录空间相机拍摄的图像，通过将存储的图像与实际转速和图像进行对比即可验证空间相机变频、高频成像能力。本发明的测试装置结构简单、测试方法简单易行，能够有效地在地面上测试空间相机的超高速实时变化行频性能，从而有效测试空间相机的成像能力。
附图说明
图1为航天TDI CCD相机摆扫成像示意图；
图2为本发明空间相机超高速变行频测试装置的结构示意图；
图3为本发明空间相机超高速变行频测试装置的工作流程图；
图4为柔性环形LED靶标的示意图。
具体实施方式
空间相机在摆扫成像过程中因运动速度和成像距离实时变化，要实时调整空间相机的采样频率，为了验证空间相机在摆扫成像过程中的超高速实时变化行频性能，本发明提出了一种基于柔性环形LED靶标的空间相机超高速变行频测试装置。下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细描述。
本发明公开了一种空间相机超高速变行频测试装置，如图1所示，该装置包括平台1、数据转换器2、控制与存储计算机3、柔性环形LED靶标4、高精度单轴转台5、编码器和转台控制器6。
具体地，空间相机7固定在平台1上，并且空间相机7的靶面与水平面垂直，如图1所示，空间相机的靶面方向与水平面垂直。本发明中的空间相机7可以为高帧频线阵TDI CCD相机，高帧频线阵TDI CCD相机安装有百万级像素光学镜头。
控制与存储计算机3通过数据转换器2与空间相机7连接，控制与存储计算机3还分别与柔性环形LED靶标4、编码器和转台控制器6连接，转台控制器6与高精度单轴转台5连接。
柔性环形LED靶标4固定在高精度单轴转台5上，编码器设置在高精度单轴转台5内。
控制与存储计算机3控制柔性环形LED靶标4显示靶标图像，并将预设角速度曲线对应的控制信息发送至转台控制器6，转台控制器6控制高精度单轴转台5按照预设角速度曲线旋转；控制与存储计算机3接收编码器实时发送的转台角度信息，并根据转台角度信息计算空间相机7的行频控制信息，将行频控制信息通过数据转换器2实时发送至空间相机7；空间相机7根据行频控制信息实时改变拍摄行频并对按照预设角速度曲线旋转的柔性环形LED靶标4进行实时成像，将成像后得到的图像通过数据转换器2发送至控制与存储计算机3，控制与存储计算机3对图像进行存储。
控制与存储计算机3控制柔性环形LED靶标4的通电与显示，转台控制器6控制高精度单轴转台5的转动方向与速度，编码器将高精度单轴转台5的转台角度信息实时发送给控制与存储计算机3，控制与存储计算机3根据已知的物距和实时的编码器的转台角度信息，计算出空间相机7的拍照行频，通过数据转换器2实时控制空间相机7的频率，从而使空间相机的行转移速度与像移速度匹配，控制与存储计算机3实时存储空间相机7拍摄的图像，从而仿真空间相机在机动中的成像，并验证实时调整相机频率的能力。
下面结合图3对本发明测试装置的工作过程进行详细说明。
S1控制与存储计算机3控制柔性环形LED靶标4显示靶标图像，该靶标图像由控制与存储计算机3制作并通过网口控制柔性环形LED靶标4进行显示。
作为一种具体的实施方式，本发明中柔性环形LED靶标4包括带有法兰盘的空心圆筒4-1和覆盖在空心圆筒4-1外表面上的柔性LED显示屏4-2，法兰盘与高精度单轴转台5固定连接。如图4所示，柔性LED显示屏4-2固定在空心圆筒4-1的外表面上，空心圆筒4-1的高度为0.8m，直径为0.7m，空心圆筒4-1的底面连接有宽度为5cm的法兰盘，并带有过孔，法兰盘通过螺栓和过孔可以与高精度单轴转台5固定。控制及存储计算机3中制作靶标图像，通过网口控制柔性环形LED靶标4显示靶标图像，并可控制其通断电。假设空间相机7的像元尺寸为7μm，空间相机的光学镜头焦距为4mm，根据相机光学***与柔性环形LED靶标4之间的物距对应关系，如果物距为2.28m，则空间相机7的一个像元对应的柔性环形LED靶标4的像元尺寸为4mm，如图4所示。
S2控制与存储计算机3将预设角速度曲线对应的控制信息发送至转台控制器。本发明中预设角速度曲线是指高精度单轴转台5的角速度随时间变化的曲线，预设角速度曲线可以由控制与存储计算机3根据卫星轨道高度和卫星的摆扫速度确定，控制与存储计算机3将预设角速度曲线对应的控制信息通过串口发送给转台控制器6。
S3转台控制器6驱动高精度单轴转台5按照预设角速度曲线转动。转台控制器6可根据控制与存储计算机3的指令驱动高精度单轴转台5按照预设角速度曲线旋转，高精度单轴转台5可连续旋转，定速旋转或者变速旋转均可，高精度单轴转台5的旋转角速度范围为5°/s～500°/s，旋转角速度精度小于或者等于0.001°。
S4编码器向控制与存储计算机3发送转台角度信息。编码器设置在高精度单轴转台5内，在高精度单轴转台5的旋转过程中，编码器实时采集高精度单轴转台5的转台角度信息。
S5编码器将高精度单轴转台5的转台角度信息输出给控制与存储计算机3，例如编码器通过RS422接口与控制与存储计算机3连接，并通过RS422接口以100Hz频率将高精度单轴转台5的转台角度信息输出给控制与存储计算机3。
S6控制与存储计算机3接收到编码器发送的转台角度信息，经计算转换成速度信息，计算出空间相机7的行频控制信息，并将行频控制信息通过网络传输给数据转换器2，同时可对空间相机7发送控制指令，设置相机参数。柔性环形LED靶标4与空间相机7的相对运动速度为V＝2×ω×R，其中：ω为高精度单轴转台5高速旋转的角速度，R为柔性环形LED靶标4的半径，需要控制空间相机的行频推导计算公式如下：
靶标在空间相机像面上的成像速度为：
则：靶标在空间相机像面上的成像时间为：
因空间相机的行频为F＝1/t，由此可推导出
其中，V＝2×ω×R为柔性环形LED靶标4与空间相机7的相对运动速度，f为空间相机7的镜头的焦距，L为空间相机7与柔性环形LED靶标4之间的物距，a为空间相机7的像元尺寸。
S7数据转换器2将控制与存储计算机3发送的行频控制信息发送至空间相机7。数据转换器2将控制与存储计算机3发送的行频控制信息转换成cameralink信号发送给空间相机7，空间相机7将根据行频控制信息实时改变拍摄行频。
S8空间相机7对按照预设角速度曲线旋转的柔性环形LED靶标4进行成像。空间相机7采用高帧频线阵相机，像元尺寸7μm×7μm；空间相机7的光学镜头可采用百万像素级4mm定焦镜头。
S9空间相机7对按照预设角速度曲线旋转的柔性环形LED靶标4进行成像，得到柔性环形LED靶标4的图像，将柔性环形LED靶标4的图像发送给数据转换器2。空间相机7拍摄得到柔性环形LED靶标4的图像后，实时将图像通过cameralink接口发送给数据转换器2。
S10数据转换器2将空间相机7拍摄得到柔性环形LED靶标4的图像转成网络信号发送给控制与存储计算机3，控制与存储计算机3对图像进行存储，也可作为图像显示终端对图像进行显示。
经过一段时间的成像后，测试装置停止工作。将控制与存储计算机3中存储的图像打开查看，检查随着高精度单轴转台5的不同速度拍摄的柔性环形LED靶标4的图像是否清晰，来验证空间相机超高速变行频的有效性。在一次测试工作完成后，如果控制与存储计算机3不改变预设角速度曲线，则在下一次测试时，测试装置执行步骤S3至步骤S10；如果控制与存储计算机需要重新设定预设角速度曲线，则测试装置执行步骤S2至步骤S10。
本发明综合考虑了相机的成像能力和卫星姿态的控制能力，依据在轨成像的真实状态，设计了一种基于柔性环形LED靶标的高分辨率空间相机超高速变行频测试装置。在该测试装置中，转台控制器控制高精度单轴转台按照预设角速度曲线旋转，编码器实时将转台角度信息发送给控制与存储计算机，控制与存储计算机根据实时的物距和速度计算出空间相机的拍照行频，通过数据转换器发送给空间相机，同时控制与存储计算机实时记录空间相机拍摄的图像，通过将存储的图像与实际转速和图像进行对比即可验证空间相机变频、高频成像能力。本发明的测试装置结构简单、测试方法简单易行，能够有效地在地面上测试空间相机的超高速实时变化行频性能，从而有效测试空间相机的成像能力。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种空间相机超高速变行频测试装置，其特征在于，包括平台(1)、数据转换器(2)、控制与存储计算机(3)、柔性环形LED靶标(4)、高精度单轴转台(5)、编码器和转台控制器(6)；
空间相机(7)固定在所述平台(1)上，且所述空间相机(7)的靶面与水平面垂直；
所述控制与存储计算机(3)通过所述数据转换器(2)与所述空间相机(7)连接，所述控制与存储计算机(3)还分别与所述柔性环形LED靶标(4)、所述编码器和所述转台控制器(6)连接，所述转台控制器(6)与所述高精度单轴转台(5)连接；
所述柔性环形LED靶标(4)固定在所述高精度单轴转台(5)上，所述编码器设置在所述高精度单轴转台(5)内；
所述控制与存储计算机(3)控制所述柔性环形LED靶标(4)显示靶标图像，并将预设角速度曲线对应的控制信息发送至所述转台控制器(6)，所述转台控制器(6)控制所述高精度单轴转台(5)按照所述预设角速度曲线旋转；所述控制与存储计算机(3)接收所述编码器实时发送的转台角度信息，并根据所述转台角度信息计算所述空间相机(7)的行频控制信息，将所述行频控制信息通过所述数据转换器(2)实时发送至所述空间相机(7)；所述空间相机(7)根据所述行频控制信息实时改变拍摄行频并对按照所述预设角速度曲线旋转的所述柔性环形LED靶标(4)进行实时成像，将成像后得到的图像通过所述数据转换器(2)发送至所述控制与存储计算机(3)，所述控制与存储计算机(3)对所述图像进行存储。
2.根据权利要求1所述的空间相机超高速变行频测试装置，其特征在于，
所述预设角速度曲线由所述控制与存储计算机(3)根据卫星轨道高度和卫星的摆扫速度确定。
3.根据权利要求1或2所述的空间相机超高速变行频测试装置，其特征在于，
所述柔性环形LED靶标(4)包括带有法兰盘的空心圆筒(4-1)和覆盖在所述空心圆筒(4-1)外表面上的柔性LED显示屏(4-2)，所述法兰盘与所述高精度单轴转台(5)固定连接。
4.根据权利要求3所述的空间相机超高速变行频测试装置，其特征在于，所述空心圆筒(4-1)的高度为0.8m，直径为0.7m。
5.根据权利要求1或2所述的空间相机超高速变行频测试装置，其特征在于，所述高精度单轴转台(5)的旋转角速度范围为5°/s～500°/s，旋转角速度精度小于或者等于0.001°。
6.根据权利要求1或2所述的空间相机超高速变行频测试装置，其特征在于，所述编码器通过RS422接口与所述控制与存储计算机(3)连接。
7.根据权利要求1或2所述的空间相机超高速变行频测试装置，其特征在于，所述空间相机(7)为线阵TDI CCD相机。
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GR01 Patent grant
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