下载文档原格式
2018.15理论与算法一种改进面阵红外相机畸变校正方法研究曹桐滔\鲁湛2,徐秀\徐弈辰3(1.上海电力学院，上海，200083; 2.中国科学院上海技术物理研究所，上海，200083 ;3.太仓光电技术研究所，江苏苏州，215400 )摘要：针对由黑色氧化铝与镀镍铝板制作的红外标定板标定程序复杂，以及红外标定板温度影响标定板成像效果问题^ 研宄了红外辐射理论以及红外相机探测原理,并分析影响热红外相机标定的因素，利用(}_3算法对采集的红外靶标 图像进行处理，得到了准确的靶标角点，提高了畸变校正的准确性。
研究成果为热红外面阵相机畸变校正提供了重要参 考，对利用红外与可见光图像融合的电力设备识别起到了一定的推进作用。
关键词：热红外相机；畸变校正；靶标角点提取；G_a算法An Improved Method of Distortion Correction for Area ArrayInfrared CameraCao Tongtao1,Lu Zhan2,Xu Xiu1,Xu Yichen3(L Shanghai University Of Electric Power,Shanghai, 200080;2. Shanghai Institute of Technical Physics,Chinese Academy of Sciences,Shanghai, 200080;3. Taicang Insitute Of Opto-ElectronicTecnology,Suzhou Jiangsu215400)Abstract:Aimed at the complex of the calibration procedure for infrared calibration plates made of black alumina and nickel-plated aluminum plates,and the infrared calibration plate temperature affects the imaging effect.We studied the theory of infrared radiation and the principle of infrared camera detection,analyzed the factors of affecting the calibration of the thermal infrared camera.Using the Gamma algorithm to process the infrared image,obtained accurate target corner points and improved the accuracy of distortion correction .The research results provide an important reference for the distortion correction of thermal infrared area array cameras,and it plays a certain role in promoting the recognition of power equipment using infrared and visible light images.K e y W o r d s：infrared camera；distortion correction；target corner extraction；gamma algorithm1红外福射理论与热红外相机探测原理为了更准确地描述热红外相机靶标成像效果与靶标材料温度的关系，本文研宄了红外辐射理论。
第40卷第2期红外与激光工程2011年2月Vol.40No.2Infrared and Laser Engineering Feb.2011长波红外高光谱成像系统的设计与实现袁立银1，林颖1，何志平1，徐卫明1，张滢清2，舒嵘1，王建宇1（1.中国科学院上海技术物理研究所，上海200083；2.上海太阳能工程技术研究中心，上海200241）摘要：针对长波红外高光谱系统背景辐射强以及信噪比低的特点，设计了能有效抑制背景辐射的长波红外精细分光光谱成像系统。
利用杂散辐射分析软件，对系统进行了背景辐射分析，包括全波段各辐射面源对背景辐射的贡献分量、各光学通道的背景辐射、机械内壁吸收率对背景辐射的影响、以及光机内壁温度对背景辐射的影响。
主要通过制冷光机系统的温度、抛光亮化处理光谱仪的内部表面，降低系统的背景辐射。
搭建了一套地面实验装置，该系统光谱范围为7.7~9.3μm，光谱分辨率为54nm，空间分辨为0.75mrad，推扫式成像。
整机的测试结果表明，系统的光谱分辨率(SRF)达到了预先设计的要求值，低温150K时，系统的噪声等效温差NETD接近300mK。
关键词：光谱成像系统；长波红外；高光谱；背景辐射中图分类号：TN744.1文献标志码：A文章编号：1007-2276(2011)02-0181-05Design and realization of an long-wave infrared hyperspectralimaging systemYuan Liyin1,Lin Ying1,He Zhiping1,Xu Weiming1,Zhang Yingqing2,Shu Rong1,Wang Jianyu1(1.Shanghai Institute of Technical Physics,Chinese Academy of Science,Shanghai200083,China;2.Shanghai Solar Energy Research Center,Shanghai200241,China)Abstract:In view of the strong background radiation and the low signal noise rate of the long-wave hyperspectral imaging spectrometer,an infrared spectral imaging system which could restrain the background radiation was designed.The background radiation was analyzed by the TacePro software.The analysis include composition of the background radiation(within the whole spectral range),relative background radiation of each channel,background radiation as different mechanism inwall surfaces absorbance,and background radiation at different temperature of machine inwall.The background radiation was mainly suppressed by cooling opto-mechanic system and polishing inwall surface.A ground-based experimental device was established,whose spectral range was from7.7to9.3μm,spectral resolution was54nm,spatial resolution was0.75mrad and scanning way was push broom.Measurement of the whole instrument presents that spectral resolution(SRF)of the system reaches the designed value and NETD is less than300mK as the inwall surfaces of opto-mechanic is at150K.Key words:imaging spectrometer system;long-wave infrared;hyperspectral;background radiation收稿日期：2010-05-10；修订日期：2010-06-05基金项目：国家863计划资助项目（2007AA12Z104）；福建省青年科技人才创新项目（2007F3066）作者简介：袁立银（1981-），女，博士后，研究方向为红外系统设计及应用技术研究。
大幅宽长波红外变帧频变焦成像赵航斌;张宗存;柴孟阳;孙德新;刘银年【摘要】为了验证变焦扫描大幅宽成像时扫描方向边缘视场图像畸变的矫正效果,并降低扫描镜控制难度.首先分析了变焦成像时扫描镜扫描速度与扫描视场角间非线性变化关系;针对扫描镜变速扫描稳定性低且控制难度大的问题,在结合探测器变帧频分析与实现的基础上,提出采用扫描镜匀角速度扫描结合探测器变帧频变焦成像方法.推导了扫描镜匀角速度扫描时,光学系统焦距、相机实时帧频与扫描成像视场角的关系式.最后基于课题组已有的可连续变焦长波红外光学系统,搭建了一套基于扫描镜扫描成像的大幅宽长波红外变焦实验系统,并利用该系统进行了成像验证.成像结果表明,采用变帧频结合变焦成像方法,可有效抑制大幅宽成像时扫描方向边缘视场图像畸变问题.变帧频成像方法降低了变焦扫描时扫描镜扫描复杂度,证明了变焦扫描方法具备图像畸变矫正能力.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2018(026)007【总页数】8页(P1758-1765)【关键词】变焦扫描成像;大幅宽成像;长波红外;变帧频;图像畸变矫正【作者】赵航斌;张宗存;柴孟阳;孙德新;刘银年【作者单位】中国科学院上海技术物理研究所中国科学院红外探测与成像技术重点实验室 ,上海200083;中国科学院大学 ,北京100049;中国科学院上海技术物理研究所中国科学院红外探测与成像技术重点实验室 ,上海200083;中国科学院大学 ,北京100049;中国科学院上海技术物理研究所中国科学院红外探测与成像技术重点实验室 ,上海200083;中国科学院上海技术物理研究所中国科学院红外探测与成像技术重点实验室 ,上海200083;中国科学院大学 ,北京100049;中国科学院上海技术物理研究所启东光电遥感中心 ,江苏启东226200;中国科学院上海技术物理研究所中国科学院红外探测与成像技术重点实验室 ,上海200083;中国科学院大学 ,北京100049;中国科学院上海技术物理研究所启东光电遥感中心 ,江苏启东226200【正文语种】中文【中图分类】TP722.51 引言长波红外遥感可对物体实现全天时无接触温度测量与热状态分析。
长波红外高光谱成像系统的设计与实现随着红外光谱技术的不断发展，长波红外高光谱成像系统的应用越来越广泛。
本文将介绍一种长波红外高光谱成像系统的设计与实现。
一、系统概述本系统主要由光学系统、光谱仪、控制系统和图像处理系统四部分组成。
其中，光学系统负责将被测样品的辐射能量收集到光谱仪中；光谱仪负责将不同波长的辐射能量分离并检测；控制系统负责控制光学系统和光谱仪的运行；图像处理系统负责将光谱数据转化为图像。
二、系统设计1. 光学系统设计本系统采用反射式光学系统，由凸面反射镜和平面反射镜组成。
凸面反射镜用于收集被测样品的辐射能量，平面反射镜用于将辐射能量反射到光谱仪中。
为了提高系统的灵敏度，采用了金属反射镜。
2. 光谱仪设计本系统采用分光光度计作为光谱仪，由光栅、光电二极管和放大器组成。
光栅负责将不同波长的辐射能量分离，光电二极管负责检测辐射能量，放大器负责放大检测信号。
为了提高系统的分辨率，采用了高分辨率光栅。
3. 控制系统设计本系统采用单片机作为控制系统，通过控制光学系统和光谱仪的运行，实现对被测样品的辐射能量的收集和分析。
为了提高系统的稳定性和可靠性，采用了高性能单片机。
4. 图像处理系统设计本系统采用数字信号处理器作为图像处理系统，通过将光谱数据转化为图像，实现对被测样品的成像。
为了提高系统的处理速度和精度，采用了高性能数字信号处理器。
三、系统实现1. 光学系统实现本系统采用了定制的凸面反射镜和平面反射镜，通过精密加工和调试，实现了光学系统的精度和稳定性。
2. 光谱仪实现本系统采用了高分辨率光栅、高灵敏度光电二极管和高增益放大器，通过精密调试和校准，实现了光谱仪的高分辨率和高灵敏度。
3. 控制系统实现本系统采用了高性能单片机，通过编写控制程序，实现了对光学系统和光谱仪的精确控制和数据采集。
4. 图像处理系统实现本系统采用了高性能数字信号处理器，通过编写图像处理程序，实现了对光谱数据的转化和成像。
四、系统测试本系统经过精密调试和校准后，进行了系统测试。
长波红外大孔径长焦距无热化光学系统设计
曹一青;沈志娟
【期刊名称】《光子学报》
【年(卷),期】2024(53)3
【摘要】对于长波红外长焦距光学系统,大孔径能使系统具有更好的成像亮度,但也带来了孔径边缘像差较大且难以校正的问题。
利用折反射式结构减少光学系统总长,采用两块反射镜结构作为基础,在其后搭配一组校正折射透镜构成光学系统,并应用光焦度分配、消热差及消色差条件,设计出大孔径、长焦距的长波红外无热化光学系统。
该光学系统工作波段为8~12μm,焦距为800 mm,全视场角为0.6°,F数为2.5,遮拦比为0.2,光学系统总长为344.62 mm;在-40~60℃工作温度范围内,全视场角的调制传递函数值在奈奎斯特频率20 lp/mm处均大于0.25。
设计的长波红外大孔径长焦距光学系统由2块反射镜和4块折射透镜组成,系统结构紧凑,成像性能稳定,可为类似此类光学系统设计提供参考。
【总页数】9页(P114-122)
【作者】曹一青;沈志娟
【作者单位】莆田学院机电与信息工程学院;福建省激光精密加工工程技术研究中心
【正文语种】中文
【中图分类】O435.2
【相关文献】
1.大视场、大相对孔径长波红外机械无热化光学系统设计
2.长波红外大视场大相对孔径光学系统设计
3.大相对孔径长波红外光学系统无热化设计
4.基于硫系玻璃的紧凑式大相对孔径长波红外光学系统无热化设计
5.大相对孔径大面阵长波红外光学无热化镜头的设计
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
第8卷 第1期2015年2月 中国光学 Chinese Optics Vol.8 No.1 Feb.2015 收稿日期:2014⁃10⁃17;修订日期:2014⁃12⁃26 基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(No.2013AA0342)文章编号 2095⁃1531(2015)01⁃0107⁃07扫描型长波红外连续变焦光学系统骆守俊∗,夏寅辉,杨宁宁,于繁迪(华北光电技术研究所,北京100015)摘要:基于斯特林制冷式4×288元光伏型碲镉汞二维探测器,根据红外扫描成像系统原理,设计了一个扫描型长波红外连续变焦光学系统。
根据系统指标要求对光学指标进行分解计算及光学优化设计得到系统的光学参数和外形结构图,并对扫描光学系统的冷反射进行分析优化。
该光学系统采用三次成像的结构,由变焦望远镜组、扫描摆镜、中继镜组、成像镜组4部分组成,包含9片透镜和2片反射镜。
为了降低校正色差成本,系统使用了硫系玻璃镜片。
光学仿真结果表明:系统在耐奎斯特频率处的全视场光学传递函数大于0.35,全视场畸变小于2%。
最后,对系统进行了成像实验验证,结果表明:该系统可以实现30.8~154mm 范围内连续变焦,变焦过程中目标景物清晰,细节分辨率高,无冷反射现象出现,该系统具有分辨率高、热灵敏度高、像质清晰等特点。
关 键 词:红外扫描系统;连续变焦;冷反射;三次成像中图分类号:TN215 文献标识码:A doi:10.3788/CO.20150801.0107Long⁃wavelength infrared continuouszoom scanning optical systemLUO Shou⁃jun ∗,XIA Yin⁃hui,YANG Ning⁃ning,YU Fan⁃di(North China Research Institute of Electro⁃optics ,Beijing 100015,China )∗Corresponding author ,E⁃mail :luoshoujun@Abstract :Using infrared scanning system principle,a novel long⁃wavelength continuous zoom scanning optical system is presented based on 4×288infrared MCT detector dewar cooled assembly.Related optical index pa⁃rameters are resolved and calculated according to requirements of system,and the optical design parameters and outside view are obtained by the optical design software.The narcissus effect of the scanning optical sys⁃tem are analyzed and optimized.The optical system is composed of zoom telescope,scanning mirror,relay lens,imaging lens and a tertiary imaging system including nine lenses and two reflectors.In order to reduce cost and optical color aberrations,chalcogenide glass lens is used.The optical index is simulated,and the MTF in whole field at Nyquist frequency is over 0.35and distortion is below 2%.Finally the system imaging experimental verification is conducted.The results indicate that 30.8~154mm continuous zoom and 100%cold shield efficiency are achieved.High resolution,thermal sensibility,excellent images are validated.Key words :infrared scanning system;continuous zoom;narcissus effect;tertiary imaging1 引 言 红外成像系统具有全天候工作,不需要辅助照明,并且其被动工作方式不会被对方电子干扰,图像直观,易于观察等优点,在警戒、侦察和制导等军事领域中得到了广泛应用[1⁃3]。
第31卷 第3期 激光与红外V o l.31,N o.3 2001年6月 L A SER & IN F RA RED J une,2001 文章编号:1001-5078(2001)03-0133-03长波红外激光成像雷达技术的研究进展王春晖,王 骐,尚铁梁(哈尔滨工业大学光电子技术研究所,黑龙江哈尔滨150001)摘 要:文中论述了长波红外激光成像雷达国内外最新研究进展。
以CO2激光成像雷达为典型代表,分析了长波红外激光成像雷达(与短波红外和中波红外相比)所拥有的技术优势。
其中CO2长波红外激光成像雷达已步入技术成熟阶段,现向高帧频、小型化、多用途波导CO2激光成像雷达方向发展。
随着近年来量子级联半导体激光器(QCL)迅猛发展,全固化QCL激光成像雷达,将是未来长波红外激光成像雷达技术研究的热点之一。
关键词:激光雷达;波导CO2激光器;量子级联半导体激光器(QCL)中图分类号:TN958.98 文献标识码:AState of the Art of Long Wave Infrared Laser Imaging RadarW ANG Chun-hui,W AN G Qi,SHAN G Tie-lia ng(Institute of o pto eletro nics,Harbin institute of T echnolog y,P.O.B309,Har bin150006,China)Abstract:In this paper,the latest r esea rch adv a nces o f lo ng wav e(LW)infr ared(IR)laser imag ing radar(L I R)a re ex pounded.The technolog ic adva nta ges o f LW I R L IR ov er sho rt-a nd mid-I R ones ar e analy zed.T heLW I R CO2LI R hav e matur ed,and is a dv ancing o n w aveg uide CO2L IR with high fra me f requency,miniaturiza tio n a nd multi-use.As recent qua ntum casca de la se r(Q CL)is dev eloping r apidly,a ll-sta te QCLL IR will be one o f th e best study task o n the LW IR LI R techno log y.Key words:laser imaging ra da r(L IR);wav eguide CO2laser;qua ntum cascade laser(Q CL).1 引 言激光成像雷达的研究始于七十年代“火池”(Firepond)激光雷达,它采用CO2激光外差探测体制,对GECO S-3卫星进行了跟踪演示试验[1]。
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201710756630.5(22)申请日 2017.08.29(71)申请人 宁波舜宇红外技术有限公司地址 315400 浙江省宁波市余姚市舜宇路66-68号(72)发明人 朱光春 任和奇 (74)专利代理机构 北京谨诚君睿知识产权代理事务所(特殊普通合伙)11538代理人 陆鑫 延慧(51)Int.Cl.G02B 13/00(2006.01)G02B 13/06(2006.01)G02B 13/14(2006.01)G02B 13/18(2006.01)(54)发明名称长波红外变焦镜头(57)摘要本发明涉及一种长波红外变焦镜头，包括：沿光轴从物侧至像侧依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜；所述透镜有至少两片采用较低热膨胀系数的红外材料；所述透镜具有至少一个衍射面。
采用较低热膨胀系数的红外材料，使得透镜受温度变化的影响减小，降低了透镜随温度变化而产生的像面漂移现象。
透镜的热膨胀系数小，透镜自身从而具有消热差的性能，从而保证了本发明的长波红外变焦镜头能够在温度变化的大环境中使用。
同时，由于镜片自身具有消热差的性能，减小透镜之间的调节距离就可实现本发明的镜头的无热化性能，对于减小本发明的长波红外变焦镜头的体积也起到了有益效果。
权利要求书2页 说明书14页 附图7页CN 107479171 A 2017.12.15C N 107479171A1.一种长波红外变焦镜头，包括：沿光轴从物侧至像侧依次排列的第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)和第五透镜(5)；其特征在于，所述透镜有至少两片采用较低热膨胀系数的红外材料；所述透镜具有至少一个衍射面。
2.根据权利要求1所述的长波红外变焦镜头，其特征在于，所述第一透镜(1)为负光焦度透镜；所述第二透镜(2)为负光焦度透镜；所述第三透镜(3)为正光焦度透镜；所述第四透镜(4)为负光焦度透镜；所述第五透镜(5)为正光焦度透镜。
长波红外双线列探测器推扫图像配准技术研究张晓;王宏博;张腾飞;汤瑜瑜;危峻【摘要】A dual-channel LWIR camera is mounted on the wide-band imaging spectrometer, using push-broom imaging mode. This paper analyzes the three kinds of mismatch transformations of the dual-channel remote sensing images acquired by this camera, and gives a set of registration parameters with reference to the SIFT. The sub-pixel registration accuracy meets the need for surface temperature inversion using the dual-channel remote sensing data and split-window algorithms.%宽波段成像仪上搭载了一个双通道长波红外相机，采用推扫方式成像。
分析了相机获取的2个通道遥感图像存在的3种失配变换类型，结合 SIFT 特征算子，给出了一组配准参数，配准精度达到亚像素级，满足了利用双通道遥感数据和分裂窗算法反演地温的需求。
【期刊名称】《红外技术》【年(卷),期】2015(000)002【总页数】8页(P139-146)【关键词】图像配准;推扫成像;SIFT分裂窗算法;长波红外【作者】张晓;王宏博;张腾飞;汤瑜瑜;危峻【作者单位】中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083; 中国科学院大学，北京 100049;中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083; 中国科学院大学，北京 100049;中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083; 中国科学院大学，北京 100049;中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083;中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083【正文语种】中文【中图分类】TP75随着大规模面阵和长线列探测器研制技术的发展[1]，推扫扫描成像技术在航天遥感仪器中的应用逐渐被推广。
20×长波红外连续变焦热像仪光机系统设计王红伟;束慧琴;陈吕吉;严敏;曾怡【摘要】The long-wave thermal imager has a zoom ratio of 20:1. It's focal length can be continuously varied from 18.5 mm to 367 mm by the mechanical compensation zoom approach. We designed the continuous zoom mechanism. In order to make optical axis error reaches requirements of the system, the inner linearity/parallelism of zoom mechanism, the parallelism between the zoom mechanism and the optical axis of the system needs to be adjusted accurately. By using thermal compensation table, temperature compensation and fast zoom at different temperatures can be achieved in this thermal imager, while a broad temperature range is covered.%一款长波红外热像仪具有20:1的变倍比,采用机械补偿变焦方式实现热像仪18.5~367 mm范围内的连续变焦.本文对热像仪的连续变焦机构进行了设计.为保证光轴偏差满足要求,变焦机构内部的直线性和平行度、变焦机构与系统光轴间的平行度需进行精确调节.同时,通过调用温度补偿信息表可实现不同温度条件下的温度补偿和快速变焦,使热像仪具有较宽的温度范围.【期刊名称】《红外技术》【年(卷),期】2016(038)011【总页数】4页(P924-927)【关键词】长波红外;热像仪;连续变焦;光轴偏差;平行度;温度补偿【作者】王红伟;束慧琴;陈吕吉;严敏;曾怡【作者单位】昆明物理研究所,云南昆明 650223;昆明物理研究所,云南昆明650223;昆明物理研究所,云南昆明 650223;昆明物理研究所,云南昆明 650223;昆明物理研究所,云南昆明 650223【正文语种】中文【中图分类】TN216连续变焦系统是一种焦距可以连续变化，而在变焦过程中像面保持稳定且像质保持良好的系统。
长波红外相机在轨扫描成像畸变消除控制策略刘小勇;张宗存;曹开钦;孙德新;刘银年【摘要】The control technology of a distortion control system for zoom scanning imaging was investigated to eliminate ground distortion of a long wave infrared camera on-orbit scanning imaging.A high-precision multi motor position synchronization algorithm was proposed taking the multi motor position synchronization of zoom scanning control into consideration .The synchronous positions of the zoom group motor and the compensating group motor at each point of the scanning time were set according to the design principle of zoom scanning imaging control.In particular,the zoom control system was designed to realize synchronous timing with the scanning control system ,calculate the running velocity of the motor every 0.01 s according to the current position and the next moment synchronous position ,and control the velocity of the motor in real time.The experimental results show that the position synchronization errors of the zoom group motor and the compensating group motor are within ±0.003mm and ± 0.002mm ,respectively ,and the maximum ground sample resolution deviation in the track direction is within ± 0.047 m .The images obtained from the long wave infrared camera in the process of continuous zoom scanning control are quite clear ,and the distortion has been significantly eliminated ,thus realizing zoom scanning imaging.%为消除长波红外相机在轨扫描成像的地面畸变,研究了变焦扫描成像畸变消除系统控制技术.针对变焦扫描控制的多电机位置同步要求,提出一种高精度多电机位置同步算法.依据设计的变焦扫描成像控制原理,设定每个扫描时刻点变倍组电机和补偿组电机的同步位置.变焦控制系统实现与扫描控制系统的同步计时,根据当前位置和下一时刻的同步位置,每隔0.01s计算出电机的运行速度,实时对电机的速度进行控制.实验结果表明,变倍组和补偿组电机的位置同步偏差分别在±0.003 mm、±0.002mm 以内;沿轨方向地面分辨率的最大偏差不超过±0.047m.长波红外相机在连续变焦扫描控制过程中成像清晰,达到消除畸变的效果,满足变焦扫描成像的要求.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2018(026)005【总页数】9页(P1028-1036)【关键词】长波红外相机;变焦扫描;消畸变;多电机位置同步【作者】刘小勇;张宗存;曹开钦;孙德新;刘银年【作者单位】中国科学院上海技术物理研究所中国科学院红外探测与成像技术重点实验室 ,上海200083;中国科学院大学 ,北京100049;中国科学院上海技术物理研究所中国科学院红外探测与成像技术重点实验室 ,上海200083;中国科学院大学 ,北京100049;中国科学院上海技术物理研究所中国科学院红外探测与成像技术重点实验室 ,上海200083;中国科学院上海技术物理研究所中国科学院红外探测与成像技术重点实验室 ,上海200083;中国科学院大学 ,北京100049;中国科学院上海技术物理研究所启东光电遥感中心 ,江苏南通226200;中国科学院上海技术物理研究所中国科学院红外探测与成像技术重点实验室 ,上海200083;中国科学院大学 ,北京100049;中国科学院上海技术物理研究所启东光电遥感中心 ,江苏南通226200【正文语种】中文【中图分类】TP273;TH741 引言受红外探测器、制冷机以及光学等技术的限制，相比于可见光成像系统，红外成像系统很难获取大视场、高分辨率的遥感影像。
因此，红外波段的成像系统往往采取光机扫描成像方式以扩大成像系统的观测区域，如45°镜旋转扫描[1]、双面镜旋转扫描、望远镜整体旋转扫描以及单面镜双向摆动扫描等[2]。
随着扫描角度的增大，光机扫描型成像系统的观测距离会被拉长，虽然成像系统的瞬时视场角不变，但是地面瞬时视场的线度将随之增加，地面分辨率将逐渐下降，即发生地面畸变[3]。
受地球曲率的影响，这种地面畸变表现得更为突出，学者们称之为Bowtie 效应[4-9]。
MODIS和VIIRS是受Bowtie效应影响较为严重的两个典型载荷。
MODIS搭载在Terra和Aqua卫星上，扫描幅宽2 330 km，红外波段分辨率为1 000 m。
VIIRS搭载在Suomi NPP卫星上，扫描幅宽3 000 km，红外波段分辨率为375 m、750 m。
Bowtie效应严重影响遥感数据的进一步分析及应用，为了消除其影响，国内外学者进行了很多相关研究。
李振等[4]通过推算重叠行，对重叠行进行裁切，并对重叠行进行重采样处理的方法去除MODIS L1B数据的Bowtie效应，该方法最大限度地保证了原始数据的真实性。
宋莎莎等[5]利用MODIS Level 1B 产品自带的地理纬度数据确定重复行数，提出基于网函数插值的MODIS图像Bowtie效应修正方法，避免相关系数法计算重复行数的不稳定性问题。
王汉禹等[6]提出一种不基于传统星历表的Bowtie效应消除算法，采用相关系数法确定每个扫描带的重复行数，根据不同分辨率的MODIS L1B数据，使用相对应的重釆样方法对图像进行重釆样处理，该算法具有较快的执行速度。
贾益等[7]针对现有Bowtie效应去除方法存在计算复杂和效率低的不足，提出一种基于路径追踪的Bowtie效应快速去除的几何纠正算法。
钱海明等[8]研究了MODIS L1B的数据存储结构，利用自带星下点1 km 间隔维度数据解算扫描方向上的影像重叠度，通过重采样方式消除Bowtie效应，该方法减少了算法的复杂度，提高了计算效率，具有很强的适应性。
VIIRS载荷的研发人员采用在轨预处理的方法降低地面畸变，在轨成像时删除部分重叠像元，再对扫描方向上的像元分多级进行合并获得地面分辨率趋于一致的遥感影像[9]。
不难看出，以上各种Bowtie效应消除算法以及预处理方法都是基于后期图像处理，处理的数据类型单一，算法具有一定的局限性，同时会影响原始数据的准确性，不利于遥感数据的定量化应用。
随着成像幅宽的增大以及地面分辨率的提高，获得的图像数据量变得非常庞大，消除算法将变得更加复杂，耗时也将增加。
在轨扫描成像畸变消除系统基于光学方法来消除地面畸变，无需经过后期图像修正，保证原始数据的准确性，同时还可以降低重叠率，减小数据冗余，提高数据传输效率，有利于超大幅宽、高分辨率红外遥感数据的定量化研究及应用。
为了达到在轨消除畸变的效果，本文根据地面畸变的规律实现变焦扫描控制系统的多电机位置高精度同步控制，以保证连续变焦扫描过程中成像清晰。
2 在轨扫描成像畸变消除技术原理如图1所示，红外成像系统以固定瞬时视场角在轨扫描成像时，不同成像角度下其观测距离不一样，因此探测器单个像元的覆盖区域不一致，即地面分辨率发生变化，导致地面发生几何畸变。
同时由于穿轨方向上地球曲率的影响大于沿轨方向，所以穿轨方向的地面畸变情况要比沿轨方向更严重。
图1 在轨扫描成像地面畸变示意图Fig.1 Schematic diagram of ground distortion of on orbit scanning imaging张宗存等[10]研究了在轨畸变消除成像系统的光学设计方法并给出了设计实例，其基本原理是：(1)在光学成像系统中引入一个连续变焦光学系统，在扫描成像的过程中根据沿轨方向地面分辨率的变化规律连续改变成像系统的瞬时视场角，使沿轨方向上不同成像角度下的地面分辨率与星下点的保持一致，从而消除沿轨方向上的地面畸变。
连续变焦光学系统设计的关键是要保证在变焦过程中光学系统的F数保持不变，以确保变焦过程中像面照度不变。
(2)由于穿轨方向地面畸变比沿轨方向严重，在消除沿轨方向地面畸变后，穿轨方向仍然存在剩余畸变。
通过在穿轨方向上引入连续可调狭缝光阑，根据剩余地面畸变的变化规律对光阑进行连续调节以消除穿轨方向上的剩余畸变。
3 变焦扫描控制3.1 控制系统组成如图2所示，变焦扫描控制系统由两部分组成：扫描镜的扫描控制系统以及红外连续变焦镜头的变焦控制系统。
扫描控制系统主要对扫描镜进行控制，使它按照既定规律运动完成视场扫描，使视场内的地物辐射信息进入到成像光学系统。
变焦控制系统主要对连续变焦镜头的变倍透镜组和补偿透镜组的位置进行控制，移动变倍透镜组完成光学系统的变焦功能，而移动补偿透镜组则是对变焦过程中的离焦量进行补偿，使变焦过程中成像始终保持清晰。
图2 变焦扫描控制系统框图Fig.2 Block diagram of zoom scanning control system3.2 扫描控制原理与组成扫描控制系统主要由主控制器DSP、测角电路、电流采样电路、电机驱动电路组成。
扫描控制的基本原理是通过电流采样电路获取三相永磁同步电机各相电流作为电流闭环控制的反馈量，主控制器DSP通过测角电路获取扫描电机的高精度角度信息，并运用移动差分测速算法获取电机的高精度角速度作为速度闭环控制的反馈量，形成速度电流双闭环控制，实现扫描镜转动角速度的高精度控制。
