近年来，charge coupled device（CCD）在相关领域有着广泛的研究与应用。线阵CCD的成像形状为直线，可以高效扫描空间平面。利用空间直线在线阵CCD的成像可积聚为同一个像素点的特性及空间平面原点位置的投影信息，提出了一种基于投影积聚特性的目标平面位置测量方法。针对采集到的线阵图像，使用直方图均衡化对数据进行对比度增强，可以稳定提取测量目标的像素位置。在获取多个线阵CCD的直线解算矩阵后，采集被测目标在各个线阵CCD上的像素位置，便可得到穿过目标的多条平面直线方程，最终利用最小二乘法计算出目标的平面位置。对目标在20 cm×20 cm的平面区域内进行了双目测量，实验结果表明，对于线阵CCD模块TSL1401，所提方法的平均测量误差约为0.19 cm，标准差约为0.09 cm，验证了所提方法的有效性。

针对当前气候变化对太阳光谱辐射的观测需求, 为精确监测太阳光谱辐照度, 研制了波长扫描型太阳光谱辐照度仪。该太阳光谱辐照度仪主要由光谱测量单元和波长扫描单元组成, 其中波长扫描单元作为色散光谱的精密定位机构, 是保障仪器测量精度的关键。为此, 设计了基于小型交流伺服电机的波长精密扫描定位装置, 采用定时器主从方式控制电机旋转, 并利用 STM32 驱动线阵 CCD 工作, 结合 CCD 检测的光斑质心位置与预设位置的偏差进行闭环控制, 闭环控制精度小于 2 个像元宽度。最后, 对线阵 CCD 的质心位置检测的重复性以及扫描定位装置的稳定性进行测试, 测试结果表明 CCD 质心位置检测的标准差为 0.0693, 最大偏差不超过 0.3 像元宽度, 系统运行时闭环精度小于 2 个像元宽度, 满足波长扫描的重复性和稳定性要求。

调焦调平系统主要通过光学三角法的测量原理来实现,线阵电荷耦合器件(CCD)具有高帧频和高分辨率等特点,适用于高速且高精度检测的三角法测量。某调焦调平项目要求线阵CCD具有2048个有效像元,5 kHz的行读出频率,为此提出对最大额定读出频率为10 MHz的S11156-2048型线阵探测器进行12.5 MHz超频读出的驱动设计,以满足系统行读出频率的要求。首先从理论上验证超频读出的可行性,然后在电源、时序驱动和模拟前端的设计上展开细致研究,最后使用积分球光源在6.0 MHz的额定频率读出和12.5 MHz的超频读出下对线阵CCD成像系统的光电性能进行对比测试。实验结果表明,S11156-2048型探测器采用12.5 MHz的超频读出设计光电性能没有明显下降,信噪比为54.22 dB,电荷转移效率为0.999974,满足调焦调平系统的成像性能要求。

针对推扫型光学遥感器成像光学系统中线阵CCD探测器各像元响应不一致的现象,提出一种基于太阳漫反射板星上相对辐射定标方法。该方法以实验室积分球定标数据作为参考标准,对星上太阳漫反射板定标数据进行平场校正,消除了相机视场内杂散光及双向反射分布函数(BRDF)分布对相对定标结果带来的影响;进而得到各像元的相对定标系数,最后将相对定标系数应用于海洋、戈壁滩、云层三种不同地物目标场景。结果表明:三种地物场景的原始影像中存在的各种垂直条纹噪声可以得到有效消除;相对定标后各场景影像条纹系数均优于0.0045;基于太阳漫反射板相对定标方法可对线阵CCD探测器进行大动态范围内相对辐射校正,具有较高的时效性和定标精度,以满足星上相对辐射定标需求。

针对传统光学成像测量方法对高速运动目标成像帧频低、像质模糊, 难以满足对目标形变高精度测量的缺点, 提出一种基于线阵CCD像素数提取的高速运动目标形变测量方法。该方法利用线阵CCD高分辨率、高帧频等优势, 通过提取线阵CCD输出目标强度——像素曲线斜率变化率最大点来获取目标所占像素数N的像素数提取方法, 同时采用DMD模拟高速运动目标形变过程, 配合基于线阵CCD像素数提取的高速运动目标形变测量方法进行形变测量实验验证。实验结果显示采用该方法对V=450 km/h的高速运动目标进行形变量测量时, 可以满足目标形变测量偏差小于0.3 mm, 标准差小于0.5 mm, 相对误差最低0.01%。实现了高速运动目标形变量的准确测量, 为高速磨损测试、高温形变测试、高压形态测试等奠定了基础。

CCD作为一种光电转换器件, 具有成本低、结构简单、扫描速度快、频率响应高等优点, 越来越广泛地运用到测量领域。提出采用单色线阵CCD, 以非接触的光学方式对角度信息进行编码调试, 通过采集该信号利用数据处理模块, 完成对图像信号的解调, 实现角度值的测量。系统选用TSL1401和LPC2138为核心构成嵌入式测量系统, 利用TSL1401采集信号, 通过A/D传输到LPC2138中进行数据处理, 最终得到角度值。系统通过光学的方式对角度进行测量, 实现了非接触式测量。

利用石英倾斜仪CCD驱动器、高精度电动位移台和光路系统搭建测试平台, 对线阵CCD亚像素细分定位中的一种灰度加权重心法进行实验测试。通过噪声漂移实验和分辨力测试实验, 验证了灰度加权重心法能够有效抑制噪声干扰, 提高CCD像点定位分辨力, 实现线阵CCD亚像素细分定位。实验结果, 倾斜仪CCD驱动器采用加权重心法将像点定位分辨力提高至了1/3像素。

为了解决三线阵CCD空间目标位姿测量的精度问题,提出一种高精度位姿解算方法。该算法将所有线阵CCD相机的坐标系进行统一化处理。通过建立一个新的误差评价函数,运用改进的正交迭代算法求解位姿参数,并进行非线性优化。仿真和实际测量结果表明,该算法有效避免了因数据恶化或初值选取等因素造成的不收敛或收敛差的问题。与传统算法相比,该算法测量精度和抗噪特性均得到有效改善,计算效率提高了4.6倍,实际测量的6个自由度的最大相对误差为0.71%。该测量系统可实现对空间目标的高精度实时测量,且具有安装方便、应用范围广等优点。

为了实现对微小位移的高精度非接触测量，设计了一种基于线阵CCD的高精度位移传感器前端模块。运用激光三角测量法设计了光学镜头，利用FPGA产生线阵CCD所需的驱动时序，CCD输出的一维视频信号经过前置电路处理后得到稳定的模拟信号，供数字电路进行处理。系统具有结构简单、体积小、输出信号稳定、分辨率高、测量精度高等特点。实验测试表明，该传感器前端模块输出模拟信号稳定，干扰小，计算得到最大量程为±15 mm，精度可达到20 μm，能广泛应用于微小位移的精密测量。