星载三线阵CCD立体测绘相机调焦技术研究

论文摘要

航天测绘在军事国防和国民经济建设等领域中的广阔应用，促进了航天测绘相机的快速发展。为解决在无地面控制点的情况下，提高航天测绘精度，提出利用传输型三线阵CCD立体测绘相机进行测绘，这种测绘方式具有直接在轨立体成像，并且能从摄取图像重构外方位元素的特点，因而在航天测绘领域占据越来越重要的地位，深受航天大国研究机构的重视。而高精度调焦是航天测绘相机成像清晰及提高测绘精度的关键技术，调焦系统是测绘相机的重要组成部分。本文在某型号星载三线阵CCD立体测绘相机研制背景下，对星载三线阵CCD立体测绘相机的调焦技术及调焦系统实现进行了深入分析研究，主要研究工作有如下几点：1、根据光学系统成像原理，建立线阵CCD相机推扫成像模型并对关键技术指标进行分析，详细分析了导致航天相机离焦原因及离焦对相机MTF的影响程度，分析研究了离焦对测绘相机测绘精度的影响。2、针对三线阵CCD立体测绘相机光机结构组成和工作原理，分析了三线阵CCD立体测绘相机的三条线阵CCD空间严格平行性对调焦系统调焦精度性能要求，根据三线阵CCD立体测绘相机光学系统组成设计特点和相机线阵CCD焦平面结构特点，提出适用于三线阵CCD立体测绘相机的调焦系统方案，并详细阐述了调焦系统组成和调焦工作原理，对调焦范围、调焦步长选择和焦深进行了深入计算分析。3、三线阵CCD立体测绘相机的调焦系统是集光学系统、机械结构支撑、电气控制等环节组成于一体的复杂光机电控制系统，根据调焦应具有稳定性、快速性和准确性的要求，对调焦系统各个组成部分进行详细设计和分析，确定调焦电机驱动电路和工作频率；根据CCD焦平面的特点和调焦精度要求，详细设计了三级减速传动机构，计算各级传动比、调焦电机灵敏度和编码器的灵敏度，并根据误差分析合成理论，计算出调焦系统理论设计误差；针对调焦功能需求，在对遍历搜索法和爬山算法进行分析基础上，提出并实现粗调焦细调焦相结合的调焦算法，并根据调焦算法详细设计开环调焦控制和闭环调焦控制软件流程；提出适合三线阵CCD立体测绘相机的三台相机之间调焦互相比对的调焦策略，并对这种策略中的两种对比调焦法进行了阐述。4、研究了调焦系统光机结构和控制系统集成装配和调焦标定测试。在实验室内对调焦系统的调焦行程、调焦精度、调焦行程内CCD焦平面的直线性和旋转性进行详细测试，测试结果满足三线阵CCD立体测绘相机对调焦系统的技术指标要求，验证了调焦系统设计合理性和实用性。在空间环境模拟器里模拟测绘相机在轨工作环境，对相机进行热光学试验，利用调焦系统测试出五种典型温度情况下测绘相机MTF值随着CCD焦平面位置变化特性曲线；然后根据测试数据分析出相机最大MTF值及对应CCD焦平面位置与温度对应关系，作为相机在轨调焦的重要依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 传输型航天测绘相机发展现状
• 1.2.1 传输型航天测绘相机类型
• 1.2.2 传输型航天测绘相机国外发展现状
• 1.2.3 传输型航天测绘相机国内发展现状
• 1.3 课题的提出
• 1.4 论文研究内容和结构
• 第2章 离焦对测绘相机影响分析
• 2.1 光学系统成像原理与调焦原理
• 2.2 线阵 CCD 推扫成像原理与主要技术指标
• 2.3 传递函数
• 2.4 航天相机离焦原因分析
• 2.4.1 大气压力对离焦的影响
• 2.4.2 温度变化对离焦的影响
• 2.4.3 物距变化对离焦的影响
• 2.4.4 成像系统最大允许离焦量
• 2.5 离焦对 MTF 影响分析
• 2.6 离焦对测绘相机的影响
• 2.7 本章小节
• 第3章 三线阵 CCD 立体测绘相机调焦系统
• 3.1 三线阵 CCD 立体测绘相机特点
• 3.2 三线阵 CCD 立体测绘相机工作原理
• 3.3 三线阵 CCD 立体测绘相机总体组成
• 3.3.1 光学系统
• 3.3.2 CCD 焦平面
• 3.4 测绘相机对调焦技术要求
• 3.5 调焦方案
• 3.6 焦深与调焦范围
• 3.6.1 相机光学系统焦深
• 3.6.2 调焦行程范围确定
• 3.7 调焦步长选择原则
• 3.8 调焦系统组成
• 3.9 调焦系统工作原理
• 3.10 本章小结
• 第4章 调焦系统设计与误差分析研究
• 4.1 调焦控制器
• 4.2 调焦步进电机
• 4.2.1 步进电机工作原理
• 4.2.2 步进电机特点
• 4.2.3 输出力矩
• 4.3 驱动与功放
• 4.4 调焦传动机构结构分析与设计
• 4.4.1 设计原则
• 4.4.2 调焦传动机构方式选择
• 4.4.3 调焦传动机构设计
• 4.5 调焦编码器
• 4.5.1 调焦编码器组成
• 4.5.2 编码器测量分辨率与电机步距当量
• 4.6 提高调焦系统可靠性措施
• 4.7 误差分析
• 4.7.1 调焦系统误差分析
• 4.7.2 调焦电机误差
• 4.7.3 编码器的误差
• 4.7.4 调焦传动机构的误差
• 4.7.5 调焦系统总误差计算
• 4.8 本章小结
• 第5章 调焦控制软件设计与调焦策略研究
• 5.1 调焦系统软件组成
• 5.2 调焦搜索算法
• 5.2.1 遍历搜索法
• 5.2.2 爬山搜索法
• 5.2.3 粗调细调结合法
• 5.3 调焦控制设计
• 5.3.1 闭环调焦控制
• 5.3.2 开环调焦控制
• 5.4 编码器采集模块
• 5.5 三线阵 CCD 立体测绘相机调焦策略研究
• 5.5.1 地面遥控比对调焦
• 5.5.2 星上比对调焦
• 5.6 本章小结
• 第6章 调焦标定与调焦精度测试分析
• 6.1 调焦测试概述
• 6.2 调焦行程标定测试
• 6.3 调焦精度分析
• 6.4 CCD 焦平面直线性和旋转性测试
• 6.5 本章小结
• 第7章 热光学试验与温度调焦测试分析
• 7.1 环境试验必要性概述
• 7.2 热光学试验方案
• 7.3 热光学定焦试验测试
• 7.3.1 调制对比度测量法
• 7.3.2 温度工况及调焦行程
• 7.4 正视相机不同温度下传递函数曲线
• 7.5 本章小结
• 第8章 结论与展望
• 8.1 论文完成的主要研究工作
• 8.2 论文主要创新点
• 8.3 研究展望
• 参考文献
• 在学期间学术成果情况
• 指导教师及作者简介
• 致谢