航天光学成像遥感器动态成像质量评价与优化

【摘要】： 航空、航天事业的迅猛发展，为对地观测技术的发展提供了广阔前景。光 学成像遥感技术作为现代对地观测的一个重要手段，其能力得到了很大提高。 通过采取以下几方面的措施：a．提高光学成像遥感器的质量，加长焦距，提高 记录介质的分辨力，提高系统的传递函数；b．提高航天器姿态稳定度；C．提 高像移补偿水平，减小像移补偿残差，光学成像遥感器的成像质量得到了进一 步提高。但在航天器所处动力学环境的作用下，航天器的姿态变化、光学成像 遥感器的整体振动以及其内部各个光学元件的振动对成像质量的影响也是不可 忽略的。本文主要从提高光学成像遥感器的成像质量这一目标出发，探讨了工 程中如何评价机械振动对光学成像遥感器成像质量的影响及如何采取措施降低 振动对成像质量的影响所面临的诸多问题：包括正确分析系统的激励、利用有 限元法进行正确的响应分析、寻求行之有效的成像质量评价方法以及如何进行 光学成像遥感器的动态成像质量的优化。针对这些实际问题，进行了深入的理 论研究、计算，并就结合工程实际应用问题做了初步的尝试。 本文首先对航天光学成像遥感器所处的动力学环境进行了分析，包括运载 阶段和空间在轨运行阶段。对运载阶段动力学环境下的光学成像遥感器进行了 刚度、强度分析，考察光学成像遥感器及光学系统在这一环境下是否破坏或产 生残余微屈服意义上的变形。同时为了保证运载阶段的模拟环境试验中光学成 像遥感器的安全性及确保试验的顺利进行，进行了某高级光学成像遥感器等效 力学模型的研制，在高级光学成像遥感器与航天器进行耦合动力学试验之前用 等效力学模型进行规律性的探索，对试验起到一定的指导作用；对空间在轨运 行时的动力学干扰源包括调姿火箭调姿、动量轮的制造误差和动不平衡、太阳 帆板的调姿及低频振动等进行了详细分析，确定了干扰源的加载时刻、作用形 式，并利用有限元方法分析了航天器、高级光学成像遥感器系统的响应，为成 像质量的评价提供必要的数据。 由于动力学干扰会引起光学遥感器的光学系统整体及其各个光学元件在曝 光过程中复杂的空间运动，导致图像在像面上的运动，而像移影响到影像记录 的质量。本文通过对坐标变换法在某高级光学成像遥感器像移补偿中应用的基 一 中国科学院博士学论文 本思想进行详细地分析，提出将这一思想与任意空间坐标系之间的坐标变换方 法有机地结合，进一步拓宽了坐标变换法在光学系统像移计算中的应用，从而 能够利用坐标变换法进行光学成像遥感器曝光过程中像面上的图像运动分析。 为了证明坐标变换法在像移计算中的正确性，本文采用了光线追迹法对其进行 了验证。 只用图像在像面上的移动并不能非常直观地评价振动过程中地光学系统成 像质量。为了能对振动导致的光学系统成像质量的下降进行有效的评价，本文 引入了运动光学传递函数的概念。但若使运动光学传递函数能够应用于各种形 式的图像运动，特别是应用于复杂的二维图像运动是非常困难的。本文利用“运 动的概率密度函数相当于光学系统的点（线）扩散函数”这一概念，提出了用 统计矩法计算二维图像运动时的运动光学传递函数。这种方法能够用统一的计 算形式对各种复杂形式的图像运动进行计算，具有较高的精度和收敛速度。根 据己经计算得到的图像运动数据，利用统计矩法进行了某高级光学成像遥感器 振动过程中成像质量的评价。 根据动态成像质量的评价结果，提出对光学成像遥感器动态成像质量进行 优化。本文将结构影响系数的概念与视轴误差的概念结合在一起，提出了一种 新的结构影响系数定义方法，从而分析了结构对光学系统视轴的影啊程度。将 结构影啊系数和图像振动的频谱分析相结合，确定了结构优化的环节和优化方 法，对系统的动态成像质量进行了优化。 本文通过对航天光学成像遥感器的结构分析、所处动力学环境分析、光学 成像遥感器动态成像质量评价及优化这一整套理论的研究与应用，实现了光学 成像遥感器在设计阶段对成像质量的全面评价与优化，对光学成像遥感器的开 发研制具有一定的指导意义，而且也将为光学成像遥感器动态成像质量评价与 提高的深入研究提供一定的参考依据。