一种超敏捷动中成像空间相机积分时间自主匹配测试系统技术方案

一种超敏捷动中成像空间相机积分时间自主匹配测试系统，包括空间相机分系统、相机地面检测分系统、平行光管、动态景物模拟分系统，空间相机分系统包括相机主体、相机电子学，相机主体包括相机镜头、相机焦面、支撑框架，相机电子学包括相机综合电子单元、图像处理单元，地面检测分系统包括控制检测单元、图像采集单元，动态景物模拟分系统包括高精度低扰动转轴靶标、靶标控制系统、上位机。本发明专利技术相机积分时间采用外触发形式，实现相机积分时间和模拟景物运动向关联；从测试系统角度出发，通过软硬件相结合的方式消除延时，实现模拟景物运动和相机成像的同步性，保证地面测试验证试验的充分性。

【技术实现步骤摘要】
一种超敏捷动中成像空间相机积分时间自主匹配测试系统
本专利技术涉及空间光学成像
，特别是一种超敏捷动中成像空间相机积分时间自主匹配测试系统。
技术介绍
传统遥感卫星成像模式为平台姿态机动到位后，相机才开始成像。近年来随着姿控技术的发展，遥感卫星的机动性和稳定度不断提高，将会实现超敏捷动中成像模式，可大幅提高卫星获取的有效信息密度，提高卫星使用的灵活性和观测效率，具有重要应用前景。然而，现有的地面测试环境和测试方法不足以对超敏捷动中成像时相机积分时间的自主匹配性能进行有效测试。超敏捷动中成像时相机探测器在地面的投影速度可达～104m/s量级，且连续变化，对景物模拟转轴靶标提出的很高的要求，现有机械式转轴靶标运动速度有限，且在控制精度和转动稳定性方面存在不足(星载TDICCD动态成像全物理仿真系统设计，张刘，孙志远，金光，光学精密工程，2011:19(3)；一种TDICCD相机动态成像的模拟装置，CN200910067547.2，张刘，戴路，徐开等)；靶标运动状态难以模拟各种复杂的成像模式；此外，现有相机的积分时间与转轴靶标运动之间无法精确关联，难以对积分时间同步精度和动中成像性能进行定量化评价(空间TDICCD相机动态成像地面检测系统的设计，郑耿峰，张柯，韩双丽，金龙旭，梁伟，光学精密工程，2010:18(3))。以上问题限制了超敏捷动中成像时，空间相机积分时间自主匹配的地面验证与测试。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种超敏捷动中成像空间相机积分时间自主匹配测试系统，克服了现有测试系统中机械式转轴靶标转速有限、控制精度和转动稳定性较差，难以模拟各种复杂的动中成像模式，模拟景物运动与相机积分时间之间同步性较差等瓶颈问题，实现了各种复杂成像模式尤其是超敏捷动中成像模式下相机的在轨动态成像性能评测与验证，提高了遥感卫星及相机分系统在轨性能预估的准确性和可靠性。本专利技术的技术解决方案是：一种超敏捷动中成像空间相机积分时间自主匹配测试系统，包括空间相机分系统、相机地面检测分系统、平行光管、动态景物模拟分系统；空间相机分系统包括相机主体、相机电子学；相机主体包括相机镜头、相机焦面、支撑框架，相机镜头将来自平行光管的平行光汇聚于相机焦面，相机焦面将图像数据光信号转化为图像数据电信号，支撑框架用于连接相机镜头和相机焦面；相机电子学包括相机综合电子单元、图像处理单元，综合电子单元接收来自地面检测分系统中控制检测单元的控制指令、动态景物模拟分系统的相机焦面行周期的积分时间外触发信号，控制相机焦面成像参数，并控制相机焦面将成像过程中的相机焦面成像参数、相机焦面工作状态量返回给控制检测单元，图像处理单元接收相机焦面发送图像数据电信号，并对图像数据进行优化处理后发送给地面检测分系统的图像采集单元；地面检测分系统包括控制检测单元、图像采集单元，控制检测单元模拟整星的星务系统，向相机电子学的综合电子单元发送控制指令，接收成像过程中的相机焦面成像参数、相机焦面工作状态量，图像采集单元模拟整星的数传系统，接收来自图像处理单元发送的优化处理后图像数据；平行光管将转轴靶标表面的图案发出的光转变为平行光，并使得平行光可以被相机镜头接收；动态景物模拟分系统包括高精度低扰动转轴靶标、靶标控制系统、上位机；高精度低扰动转轴靶标表面有特定图案，内部放置光源，可在靶标控制系统的控制下转动，转轴靶标表面图案发出的光信号可以被平行光管接收；靶标控制系统包括转轴靶标控制电路、转轴靶标驱动接口电路、角度测量电路；转轴靶标控制电路接收上位机的转动控制信息、当前转轴靶标的转动速度，配置转轴靶标驱动接口电路的转轴靶标的运动参数，并将用于控制相机焦面行周期的积分时间外触发信号发送给相机电子学，转轴靶标驱动接口电路根据转轴靶标的运动参数驱动转轴靶标运动，角度测量电路检测转轴靶标的转动速度，将测量信号返回给靶标控制电路实现对转轴靶标运动的闭环控制，上位机向靶标控制电路发送转动控制信息。所述的高精度低扰动转轴靶标的要求为：1)高精度低扰动转轴靶标的外形采用圆柱形，圆柱半径尺寸rsim为其中，vsim是平行光管入瞳焦面处靶标线速度，ωsim是转轴靶标的角速度，fpara是平行光管的焦距，vdet是相机中的像面速度，τ是最小积分时间，f是相机的焦距，θmin是编码器可以检测到的最小角度；2)高精度低扰动转轴靶标材料采用微晶材料，圆柱内部为中空构型，可放置光源，圆柱外表面采用网格型井字纹理，刻线宽度为10-30μm；3)角速度满足0.49-49.08rad/s，角加速度满足0-10.28rad/s2，圆柱形靶标切向速度误差≤0.5‰，圆柱形靶标切向、轴向颤振幅度≤0.5μm，转轴靶标的直径为61.11mm.所述的在平行光管焦面处靶标边缘的线速度为15-1500mm/s，加速度为0-310mm/s2。所述的平行光管的焦距为12m，口径为1.5m，视场角为0.2°。所述的相机焦面为具备双向扫描功能的时间延迟积分的CMOS探测器探测器，探测器像元尺寸7x7μm，像元数3200，探测器积分时间调整范围为4～1000μs，增益调整范围1.0～8.0，级数调整范围32～128级。所述的相机的积分时间τ、像面速度vdet、靶标线速度vsim、靶标角速度ωsim的计算方法为：其中，d是探测器的像元大小，是从相机质心指向地面目标的矢径，H表示模量，f是相机的焦距，是星下点投影速度，是相机机动角速度。||||符号表示取模，⊥符号表示被测地物与卫星的相对速度在垂轨方向的分量，fpara是平行光管的焦距。所述的相机成像时DN值不小于饱和时相机DN值的90％～95％。所述的转轴靶标的驱动构架为基于上位机的编制好的转动控制信息驱动转轴靶标运动，该构架可以模拟各种真实在轨场景下的超敏捷动中成像模式；所述的转轴靶标控制电路的输出相机焦面行周期的积分时间外触发信号采用软硬件相结合的方式控制转轴靶标与相机积分时间的延迟，保证成像时间的同步性。基于权利要求1所述一种超敏捷动中成像空间相机积分时间自主匹配测试系统的测试方法，包括如下步骤：(1)动态景物模拟分系统上电后高精度低扰动转轴靶标、靶标控制系统、上位机进行自检，通过后动态景物模拟分系统控制系统进行初始化；(2)相机分系统上电后进行健康状态自检，通过后相机电子学完成参数设置初始化，等待相机焦面行周期的积分时间外触发信号，以控制相机成像时相机焦面的行周期，相机分系统进入成像等待模式；(3)动态景物模拟分系统的上位机载入编制好的转动控制信息，通过靶标控制系统实现对高精度低扰动转轴靶标的精确控制，靶标控制系统将相机焦面行周期的积分时间外触发信号发送给相机电子学，高精度低扰动转轴靶标放置于平行光管入瞳焦面位置，靶标光学信号通过平行光管后可以被相机主体接收；(4)当相机电子学接收到相机焦面行周期的积分时间外触发信号后，控制相机主体对转轴靶标成像，相机电子学将获取的图像数据输出到图像采集设备中，并相机分系统的相机焦面成像参数、相机焦面工作状态量返回控制检测单元。动态景物模拟分系统的控制电路还包含延迟模块，保证靶标运动和相机积分时间的同步，相机积分时间用于控制相机焦面的行周期，靶标运动和积分时间同步时能保证获取正确的图像数据；(5)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超敏捷动中成像空间相机积分时间自主匹配测试系统，其特征在于包括空间相机分系统、相机地面检测分系统、平行光管、动态景物模拟分系统；空间相机分系统包括相机主体、相机电子学；相机主体包括相机镜头、相机焦面、支撑框架，相机镜头将来自平行光管的平行光汇聚于相机焦面，相机焦面将图像数据光信号转化为图像数据电信号，支撑框架用于连接相机镜头和相机焦面；相机电子学包括相机综合电子单元、图像处理单元，综合电子单元接收来自地面检测分系统中控制检测单元的控制指令、动态景物模拟分系统的相机焦面行周期的积分时间外触发信号，控制相机焦面成像参数，并控制相机焦面将成像过程中的相机焦面成像参数、相机焦面工作状态量返回给控制检测单元，图像处理单元接收相机焦面发送图像数据电信号，并对图像数据进行优化处理后发送给地面检测分系统的图像采集单元；地面检测分系统包括控制检测单元、图像采集单元，控制检测单元模拟整星的星务系统，向相机电子学的综合电子单元发送控制指令，接收成像过程中的相机焦面成像参数、相机焦面工作状态量，图像采集单元模拟整星的数传系统，接收来自图像处理单元发送的优化处理后图像数据；平行光管将转轴靶标表面的图案发出的光转变为平行光，并使得平行光可以被相机镜头接收；动态景物模拟分系统包括高精度低扰动转轴靶标、靶标控制系统、上位机；高精度低扰动转轴靶标表面有特定图案，内部放置光源，可在靶标控制系统的控制下转动，转轴靶标表面图案发出的光信号可以被平行光管接收；靶标控制系统包括转轴靶标控制电路、转轴靶标驱动接口电路、角度测量电路；转轴靶标控制电路接收上位机的转动控制信息、当前转轴靶标的转动速度，配置转轴靶标驱动接口电路的转轴靶标的运动参数，并将用于控制相机焦面行周期的积分时间外触发信号发送给相机电子学，转轴靶标驱动接口电路根据转轴靶标的运动参数驱动转轴靶标运动，角度测量电路检测转轴靶标的转动速度，将测量信号返回给靶标控制电路实现对转轴靶标运动的闭环控制，上位机向靶标控制电路发送转动控制信息。...

【技术特征摘要】
1.一种超敏捷动中成像空间相机积分时间自主匹配测试系统，其特征在于包括空间相机分系统、相机地面检测分系统、平行光管、动态景物模拟分系统；空间相机分系统包括相机主体、相机电子学；相机主体包括相机镜头、相机焦面、支撑框架，相机镜头将来自平行光管的平行光汇聚于相机焦面，相机焦面将图像数据光信号转化为图像数据电信号，支撑框架用于连接相机镜头和相机焦面；相机电子学包括相机综合电子单元、图像处理单元，综合电子单元接收来自地面检测分系统中控制检测单元的控制指令、动态景物模拟分系统的相机焦面行周期的积分时间外触发信号，控制相机焦面成像参数，并控制相机焦面将成像过程中的相机焦面成像参数、相机焦面工作状态量返回给控制检测单元，图像处理单元接收相机焦面发送图像数据电信号，并对图像数据进行优化处理后发送给地面检测分系统的图像采集单元；地面检测分系统包括控制检测单元、图像采集单元，控制检测单元模拟整星的星务系统，向相机电子学的综合电子单元发送控制指令，接收成像过程中的相机焦面成像参数、相机焦面工作状态量，图像采集单元模拟整星的数传系统，接收来自图像处理单元发送的优化处理后图像数据；平行光管将转轴靶标表面的图案发出的光转变为平行光，并使得平行光可以被相机镜头接收；动态景物模拟分系统包括高精度低扰动转轴靶标、靶标控制系统、上位机；高精度低扰动转轴靶标表面有特定图案，内部放置光源，可在靶标控制系统的控制下转动，转轴靶标表面图案发出的光信号可以被平行光管接收；靶标控制系统包括转轴靶标控制电路、转轴靶标驱动接口电路、角度测量电路；转轴靶标控制电路接收上位机的转动控制信息、当前转轴靶标的转动速度，配置转轴靶标驱动接口电路的转轴靶标的运动参数，并将用于控制相机焦面行周期的积分时间外触发信号发送给相机电子学，转轴靶标驱动接口电路根据转轴靶标的运动参数驱动转轴靶标运动，角度测量电路检测转轴靶标的转动速度，将测量信号返回给靶标控制电路实现对转轴靶标运动的闭环控制，上位机向靶标控制电路发送转动控制信息。2.根据权利要求1所述的一种超敏捷动中成像空间相机积分时间自主匹配测试系统，其特征在于：所述的高精度低扰动转轴靶标的要求为：1)高精度低扰动转轴靶标的外形采用圆柱形，圆柱半径尺寸rsim为其中，vsim是平行光管入瞳焦面处靶标线速度，ωsim是转轴靶标的角速度，fpara是平行光管的焦距，vdet是相机中的像面速度，τ是最小积分时间，f是相机的焦距，θmin是编码器可以检测到的最小角度；2)高精度低扰动转轴靶标材料采用微晶材料，圆柱内部为中空构型，可放置光源，圆柱外表面采用网格型井字纹理，刻线宽度为10-30μm；3)角速度满足0.49-49.08rad/s，角加速度满足0-10.28rad/s2，圆柱形靶标切向速度误差≤0.5‰，圆柱形靶标切向、轴向颤振幅度≤0.5μm，转轴靶标的直径为61.11mm。3.根据权利要求2所述的一种超敏捷动中成像空间相机积分时间自主匹配测试系统，其特征在于：所述的在平行光管焦面处靶标边缘的线速度为15-1500mm/s，加速度为0-310mm/s2。4.根据权利要求3所述的一种超敏捷动中成像空间相机积分时间自主匹配测试系统，其特征在于：所述的平行光管的焦距为12m，口径为1.5m，视场角为0.2°。5.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨沐，程少园，于飞，高凌雁，姜宏佳，付强强，吴俊，孙世君，
申请(专利权)人：北京空间机电研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11