遥感相机二维指向技术研究及其控制系统设计

论文摘要

近年来航天光学遥感技术获得了巨大的发展,为了使遥感仪器既具有高的地面分辨率,又有大的观测范围,往往采用二维扫描镜来使遥感相机能够对不同位置的地面目标进行观测。指向反射镜的使用给遥感相机的成像过程带来了一些新的影响。本文针对二维指向镜在遥感相机中的应用从以下几个方面展开研究。首先运用光学反射矢量理论来分析扫描镜二维运动时相机的对地指向特性,分析了扫描镜摆角检测误差和轴系误差对相机光轴指向的影响,然后针对采用面阵探测器的二维扫描相机建立了成像模型,利用成像模型分析了指向镜运动所引起的像旋转现象,并结合坐标变换和地面扁球模型进行了遥感图像的自主定位计算。针对当探测器阵列较大时如果对每个像素都直接进行求解则计算量很大的问题,尝试采用线性插值的办法减少计算量,经仿真认为这种算法能够在不产生太大误差的条件下减少计算工作量。探讨了采用二维指向机构来补偿卫星姿态误差所引起的像移的方法,给出的仿真结果显示对于图像中心位置补偿效果较好,而图像边缘的补偿效果较差。针对相机指向镜的转动控制设计了一个控制系统,对PD控制算法、Ⅲ型控制算法和改进的变模态控制算法进行了仿真分析,仿真认为变模态控制算法能够满足要求。设计了以DSP为核心的控制器来实现控制算法完成对指向镜摆角的控制。采用感应同步器作为角位置传感器,设计了感应同步器测角电路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 国内外发展现状及分析
• 1.2.1 国外发展现状
• 1.2.2 国内发展现状
• 1.2.3 总结与分析
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 反射镜二维扫描特性
• 2.1 二维扫描的理论描述
• 2.1.1 反射定律的矢量表示与矩阵表示
• 2.1.2 反射镜旋转的描述
• 2.2 二维扫描特性分析
• 2.2.1 光轴指向与扫描视场角
• 2.2.2 地面扫描轨迹
• 2.3 光轴的指向误差分析
• 2.3.1 指向镜角位置误差的影响
• 2.3.2 指向镜轴系误差的影响
• 2.4 本章小结
• 第3章 二维指向镜的成像特性
• 3.1 二维指向镜的成像特性分析
• 3.1.1 采用面阵探测器时的成像模型
• 3.1.2 像旋转现象和消像旋措施
• 3.2 指向镜角位置与图像定位
• 3.2.1 遥感图像定位概念与方法
• 3.2.2 基于双线性插值的图像定位简化算法
• 3.2.3 插值定位算法的误差分析
• 3.3 利用指向机构进行像移补偿
• 3.3.1 像移原因及其对成像的影响
• 3.3.2 姿态误差所引起像移的补偿
• 3.4 本章小结
• 第4章 二维指向控制系统方案设计
• 4.1 系统的性能要求
• 4.2 系统方案确定
• 4.2.1 控制系统整体结构
• 4.2.2 指向控制器选型
• 4.2.3 测角传感器选择
• 4.2.4 执行驱动装置
• 4.3 控制算法方案设计
• 4.3.1 控制系统数学模型
• 4.3.2 PD控制算法设计
• 4.3.3 Ⅲ型控制算法设计
• 4.3.4 变模态控制算法
• 4.4 本章小结
• 第5章 二维指向控制系统硬件设计
• 5.1 指向镜摆角检测部分电路设计
• 5.1.1 感应同步器测角原理
• 5.1.2 正弦波激磁电源的设计
• 5.1.3 前置放大电路与滤波电路
• 5.1.4 移相电路
• 5.2 轴角数字转换电路设计与分析
• 5.2.1 轴角转换电路的模型
• 5.2.2 轴角转换电路部分参数计算
• 5.2.3 轴角转换电路性能分析
• 5.3 控制器电路设计
• 5.3.1 外部存储器扩展
• 5.3.2 DSP与测角电路接口
• 5.3.3 DSP与D/A转换电路接口
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录 1
• 附录 2
• 致谢