專利名稱：一種tdi ccd相機動態(tài)成像的模擬裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于航天TDI CCD相機研制與成像仿真實驗領(lǐng)域中涉及 的裝置。
背景技術(shù)：
空間光學(xué)載荷的研究是一項高風(fēng)險、高投入、高度復(fù)雜而又高精 度的系統(tǒng)工程，為保證空間光學(xué)載荷成像性能，必須在地面進行深入 可靠的理論研究及物理仿真驗證實驗?，F(xiàn)階段，國內(nèi)對于高分辨率航 天光學(xué)相機的物理成像仿真研究幾乎為零，沒有實時成像仿真手段。 經(jīng)查，目前國內(nèi)與TDI CCD相關(guān)的發(fā)明專利審請僅有三例1、 一種 TDI CCD器件的模擬裝置；2、 一種TDI CCD器件的光電轉(zhuǎn)換模擬裝 置及方法；3、航天光學(xué)遙感器成像電路的仿真測試方法。以上申請 均是僅對于TDI CCD器件及其處理電路的模擬，沒有對整個航天TDI CCD成像系統(tǒng)的動態(tài)成像仿真發(fā)明的記載。
利用置于衛(wèi)星姿態(tài)控制三軸氣浮仿真臺上的面陣CCD相機實現(xiàn) 對TDI CCD相機進行動態(tài)成像并存儲實時的姿態(tài)角信息，使用得到 的不同衛(wèi)星姿態(tài)角誤差、姿態(tài)角速度誤差及像移速度匹配誤差時TDI CCD的成像結(jié)果，可為TDI CCD相機成像模型建立理論的修正和相 機研制參數(shù)的確定提供物理仿真實驗基礎(chǔ)，從而可以縮短設(shè)備的研制 周期，并避免了調(diào)試階段TDI CCD器件可能發(fā)生損壞的現(xiàn)象。

發(fā)明內(nèi)容
為驗證航天TDI CCD的成像像移模型建立方法的正確性，修正航 天TDI CCD相機研制允許的工程誤差參數(shù)值，利用置于衛(wèi)星姿態(tài)控制 仿真實驗三軸氣浮臺上帶有無線網(wǎng)絡(luò)功能的面陣CCD相機和自研的 推掃成像軟件，發(fā)明了一種TDI CCD相機動態(tài)成像的模擬裝置。
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是利用面陣CCD相機和衛(wèi)星姿態(tài)控制 三軸氣浮仿真臺，提供一種TDICCD相機動態(tài)成像的模擬裝置，為航 天TDI CCD的研制提供物理仿真實驗平臺。
解決技術(shù)問題的技術(shù)方案如圖1所示，包括配平后的"零重力" 衛(wèi)星姿態(tài)控制三軸氣浮臺21、姿態(tài)控制中心計算機1、三軸氣浮臺姿 態(tài)測量系統(tǒng)5(含傾角傳感器2、磁強計3和光纖陀螺4)、臺上通信 C認(rèn)總線6、臺下遙測遙控?zé)o線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點7、臺上遙測遙控?zé)o線網(wǎng)絡(luò) 節(jié)點8、地面遙測遙控計算機9、飛輪IO、面陣CCD相機ll、圖像采 集器12、臺上無線圖像發(fā)送網(wǎng)絡(luò)節(jié)點13、臺下無線圖像接收網(wǎng)絡(luò)節(jié) 點14、地面仿真計算機15、臺上姿態(tài)數(shù)據(jù)無線發(fā)送藍牙節(jié)點16、臺 下姿態(tài)數(shù)據(jù)無線接收藍牙節(jié)點17、動態(tài)靶標(biāo)面18、靶標(biāo)轉(zhuǎn)動電機19 和耙標(biāo)轉(zhuǎn)動減速機構(gòu)20。
三軸氣浮臺姿態(tài)測量系統(tǒng)5、飛輪10、姿態(tài)控制中心計算機1均 置于三軸氣浮臺21上且通過臺上通信CAN總線6互聯(lián)，臺下遙測遙 控?zé)o線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點7與置于三軸氣浮臺21上的姿態(tài)控制中心計算機1 互聯(lián)并且與臺下接于地面遙測遙控計算機9的臺上遙測遙控?zé)o線網(wǎng) 絡(luò)節(jié)點8構(gòu)成姿態(tài)控制系統(tǒng)無線網(wǎng)橋，臺上姿態(tài)數(shù)據(jù)無線發(fā)送藍牙節(jié)點16置于三軸氣浮臺21上與姿態(tài)控制中心計算機1互聯(lián)，并與臺下
接于地面仿真計算機15上的臺下姿態(tài)數(shù)據(jù)無線接收藍牙節(jié)點17構(gòu)成 平臺姿態(tài)參數(shù)無線下傳通道，面陣CCD相機ll，圖像采集器12和臺 上無線圖像發(fā)送網(wǎng)絡(luò)節(jié)點13均置于三軸氣浮臺21上，臺上無線圖像 發(fā)送網(wǎng)絡(luò)節(jié)點13與臺下接于地面仿真計算機15上的臺下無線圖像接 收網(wǎng)絡(luò)節(jié)點14構(gòu)成實時圖像下傳的網(wǎng)橋通道，面陣CCD相機11的視 軸與三軸氣浮臺21的Z軸平行且與動態(tài)靶標(biāo)面18相垂直，靶標(biāo)轉(zhuǎn)動 電機19通過耙標(biāo)轉(zhuǎn)動減速機構(gòu)20帶動動態(tài)靶標(biāo)面18自上而下勻速 運動。
工作原理為基于配平后的"零重力"三軸氣浮臺21，姿態(tài)控 制中心計算機1利用臺下遙測遙控?zé)o線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點7和臺上遙測遙控 無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點8，從地面遙測遙控計算機9獲得或重注姿態(tài)控制程 序，通過通信CAN總線6從姿態(tài)測量系統(tǒng)5實時獲得當(dāng)前氣浮臺姿 態(tài)參數(shù)，然后通過CAN總線6向姿態(tài)控制執(zhí)行機構(gòu)飛輪10發(fā)送控制 指令，進行衛(wèi)星三軸姿態(tài)控制仿真實驗，此時為配合實驗，動態(tài)靶 標(biāo)面18在耙標(biāo)轉(zhuǎn)動電機19通過靶標(biāo)轉(zhuǎn)動減速機構(gòu)20的帶動下按理 論運行速度轉(zhuǎn)動，當(dāng)三軸氣浮臺三軸姿態(tài)角及姿態(tài)角速度均達到一 個較小量時，面陣CCD相機11在具有實時姿態(tài)運動的三軸氣浮臺 21上開始對動態(tài)耙標(biāo)面18實時成像，利用圖像采集器12并通過無 臺上無線圖像發(fā)送網(wǎng)絡(luò)節(jié)點13和臺下無線圖像接收網(wǎng)絡(luò)節(jié)點14， 將實時成像結(jié)果下傳至地面仿真計算機15，在實時接收每幀圖像的 同時，地面仿真計算機15通過臺上姿態(tài)數(shù)據(jù)無線發(fā)送藍牙節(jié)點16和臺下姿態(tài)數(shù)據(jù)無線接收藍牙節(jié)點17實時接收并存儲相應(yīng)的姿態(tài)角信息，地面仿真計算機15使用下傳的圖像，利用線陣推掃處理
算法，可實現(xiàn)對不同級數(shù)TDI CCD相機動態(tài)成像模擬。
地面仿真計算機15可將得到的第一幀圖像進行存儲，以此作為數(shù)學(xué)理想圖像，使用真實下傳的姿態(tài)角信息，代入使用航天TDICCD成像模型原理而建立的系統(tǒng)數(shù)學(xué)成像模型，開發(fā)圖像處理軟件，得到理論仿真結(jié)果，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)數(shù)學(xué)成像模型建立正確與否的驗證。
本發(fā)明的積極效果該TDI CCD相機動態(tài)成像的模擬裝置，可利用置于衛(wèi)星姿控仿真三軸氣浮臺上的面陣CCD相機實現(xiàn)對TDI CCD相機動態(tài)成像的模擬，可得到不同姿態(tài)角和姿態(tài)角速度誤差、TDICCD積分時間誤差等情況下的TDI CCD仿真成像結(jié)果，并可實時存儲相應(yīng)姿態(tài)角、姿態(tài)角速度誤差和TDICCD積分時間等參數(shù)源誤差，從而可為航天TDI CCD成像數(shù)學(xué)模型的驗證及研制過程中各項關(guān)鍵誤差源幅值的確定提供物理仿真基礎(chǔ)。


圖1是本發(fā)明的TDI CCD相機動態(tài)成像的模擬裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明TDI CCD相機動態(tài)成像模擬裝置按圖1所示進行安裝和調(diào)試"零重力"三軸氣浮臺21為自研雙層"傘形"結(jié)構(gòu)，載重量超過600kg，直徑為1.5m，上下層距550mm，三軸臺上姿態(tài)控制中心計算機1選用Eurotech公司的CPU-1462作為主控計算機，操作系統(tǒng)使用實時多任務(wù)VxWorks，傾角傳感器2用于水平軸的角度測量，型號LE-30，磁強計3選用CXM539，用于鉛垂軸的角度測量，光纖陀螺4共選用三個俄羅斯產(chǎn)的VG951D，用于三軸姿態(tài)角速度的測量，目前采用擴展卡爾曼濾波(簡稱EKF算法)臺上的姿態(tài)確定算法。臺上通信CAN總線6采用的波特率為1Mbps，各CAN智能節(jié)點采用SJA1000作為主要CAN總線控制器。
地面遙測遙控計算機9采用VxWorks操作系統(tǒng)軟件進行三軸控制程序的開發(fā)，臺下遙測遙控?zé)o線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點7采用DWL-2000與采用D-Link的臺上遙測遙控?zé)o線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點8互聯(lián)，飛輪10采用哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的小型反作用飛輪，安裝方式為三正交一斜交，面陣CCD相機11采用1/3英寸CCD, 50mm焦距，圖像采集器12采用海康DH-7204，采樣頻率25Hz，臺上無線圖像發(fā)送網(wǎng)絡(luò)節(jié)點13采用TP-Link與臺下無線圖像接收網(wǎng)絡(luò)節(jié)點14互聯(lián)，臺上姿態(tài)數(shù)據(jù)無線發(fā)送藍牙節(jié)點16和臺下姿態(tài)數(shù)據(jù)無線接收藍牙節(jié)點17采用一對臺灣產(chǎn)的無線串口藍牙設(shè)備，地面仿真計算機15內(nèi)安裝自行開發(fā)的TDI CCD成像仿真軟件，動態(tài)耙標(biāo)面18幅寬為500mm*800mm，靶標(biāo)轉(zhuǎn)動電機19采用四通公司的直流伺服電機，靶標(biāo)轉(zhuǎn)動減速機構(gòu)20的減速比60:1。
權(quán)利要求
1、一種TDI CCD相機動態(tài)成像的模擬裝置，其特征在于該裝置包括姿態(tài)控制中心計算機(1)、三軸氣浮臺姿態(tài)測量系統(tǒng)(5)、臺上通信CAN總線(6)、臺下遙測遙控?zé)o線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(7)、臺上遙測遙控?zé)o線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(8)、地面遙測遙控計算機(9)、飛輪(10)、面陣CCD相機(11)、圖像采集器(12)、臺上無線圖像發(fā)送網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(13)、臺下無線圖像接收網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(14)、地面仿真計算機(15)、臺上姿態(tài)數(shù)據(jù)無線發(fā)送藍牙節(jié)點(16)、臺下姿態(tài)數(shù)據(jù)無線接收藍牙節(jié)點(17)、動態(tài)靶標(biāo)面(18)、靶標(biāo)轉(zhuǎn)動電機(19)、靶標(biāo)轉(zhuǎn)動減速機構(gòu)(20)、“零重力”三軸氣浮仿真臺(21)；各部分的位置及連接關(guān)系姿態(tài)控制中心計算機(1)、姿態(tài)控制執(zhí)行機構(gòu)飛輪(10)、平臺姿態(tài)確定系統(tǒng)(5)均置于配平后的“零重力”三軸氣浮臺(21)上，構(gòu)成衛(wèi)星姿態(tài)控制實時全物理仿真系統(tǒng)，為TDICCD相機動態(tài)成像提供成像環(huán)境及實時姿態(tài)信息，面陣CCD相機(11)，圖像采集器(12)和臺上無線圖像發(fā)送網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(13)也均置于三軸氣浮臺(21)上，臺上無線圖像發(fā)送網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(13)與臺下接于地面仿真計算機(15)上的臺下無線圖像接收網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(14)構(gòu)成實時圖像下傳的網(wǎng)橋通道，面陣CCD相機(11)的視軸與三軸仿真臺(21)的Z軸平行且與動態(tài)靶標(biāo)面(18)相垂直，面陣CCD相機(11)對動態(tài)靶標(biāo)面(18)利用圖像采集器(12)實時成像，并通過臺上無線圖像發(fā)送網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(13)與臺下無線圖像接收網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(14)，將成像結(jié)果發(fā)送給地面仿真計算機(15)，在實時接收每幀圖像的同時，地面仿真計算機(15)通過臺上姿態(tài)數(shù)據(jù)無線發(fā)送藍牙節(jié)點(16)和臺下姿態(tài)數(shù)據(jù)無線接收藍牙節(jié)點(17)實時接收并存儲相應(yīng)的姿態(tài)角信息，地面仿真計算機(15)使用下傳的圖像，利用線陣推掃處理算法，可實現(xiàn)對不同級數(shù)TDI CCD相機動態(tài)成像模擬。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種TDI CCD相機動態(tài)成像的模擬裝 置，其特征在于所述的三軸氣浮臺姿態(tài)測量系統(tǒng)(5)包括傾角傳感 器(2)、磁強計(3)和光纖陀螺(4)。
全文摘要
一種TDI CCD相機動態(tài)成像的模擬裝置，屬于航天TDI CCD相機成像仿真領(lǐng)域中涉及的裝置。該裝置將面陣CCD相機置于配平的三軸氣浮臺上，臺上姿態(tài)控制中心計算機通過姿態(tài)確定系統(tǒng)實時測量平臺三軸姿態(tài)角及姿態(tài)角速度，經(jīng)控制算法處理得到控制信號，通過執(zhí)行機構(gòu)飛輪對氣浮臺進行姿態(tài)控制，同時將實時的姿態(tài)信息通過藍牙通信系統(tǒng)無線下傳至臺下仿真計算機，從而為置于三軸氣浮臺上的面陣CCD相機提供一個真實的衛(wèi)星姿態(tài)仿真環(huán)境。面陣CCD相機對動態(tài)靶標(biāo)面實時成像，并將成像結(jié)果通過無線局域網(wǎng)絡(luò)實時下傳至臺下仿真計算機，仿真計算機使用下傳的圖像及相應(yīng)時刻的姿態(tài)信息，利用線陣推掃處理算法，可實現(xiàn)對不同級數(shù)TDI CCD相機動態(tài)成像模擬。
文檔編號G01M11/00GK101660966SQ20091006754
公開日2010年3月3日 申請日期2009年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月18日
發(fā)明者孫志遠(yuǎn), 劉 張, 開 徐, 路 戴, 楊秀彬, 陳茂盛 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所