用于航空相机像移补偿的三轴稳定平台设计与研究

航空相机在工作过程中,由于载机的抖动干扰,拍摄过程中会产生像移,而像移是影响图像质量的主要原因。为航空相机配备一套稳定平台系统是解决像移问题有效的解决办法,稳定平台系统的原理是通过将航空相机成像传感器与干扰隔离来稳定视轴。为了稳定视轴,实现推扫拍摄,这里设计了一种三轴稳定平台,对三轴稳定平台的姿态补偿方式和结构设计进行了研究。通过分析像移对像质的影响,确定了轴系的旋转精度,推导了基于角速度的横滚轴、俯仰轴与航向轴框架交叉耦合的平台补偿方程。然后,根据轴系精度和运动补偿方程,设计并分析了三轴稳定平台结构,通过实验来验证视轴稳定的性能。实验结果表明,平台在载波干扰下具有良好的稳定性能。

机载航空相机前移像移补偿技术

航空相机是搭载在高速飞行的飞机平台上工作的,其成像过程由于飞机运动、姿态变化等,不可避免地会产生影像位移,造成成像质量下降。随着航空摄影技术的不断进步,航空相机图像分辨能力不断提升,像移补偿技术在新型侦察设备中得到广泛应用。论文重点针对前移像分析了其产生的原因及影响,讨论了四种主要的补偿类型,介绍了侦察设备中速高比获取的途径,给出了像移补偿效果评估的方法及技术发展趋势。

基于迟滞回线的航空相机减振器特性研究

橡胶减振器具有优异的阻尼减振功能,且结构简单、可设计性强,在航空相机领域具有重要的研究与应用价值。用高阻尼硅橡胶材料制备航空相机减振器,通过迟滞回线法对其静刚度、动刚度、损耗因子的影响因素进行研究。结果表明:筒式航空相机减振器的静刚度随位移的增加先降后增;动刚度随频率和预压缩量的提高而提高,随动位移的增加而降低;损耗因子随位移的增加先降后增,随频率和预压缩量的增加而增加。当预压缩量一定时航空相机减振器的损耗因子由约为0.2,提高至0.6以上。

航空相机离焦补偿及其精度测试技术研究

航空相机搭载在高速飞行的飞机平台上工作,在成千上万米高空对地进行侦照,高度的变化以及恶劣的使用环境,都对相机的成像造成不利的影响。随着航空侦察装备的跨越式发展,必须加装调焦系统,才能满足其成像质量要求。论文在仿真分析不同因素对离焦影响规律的基础上,对比研究了程序补偿法和光电自准直法两种典型补偿方法的原理及特点,并对两类新型图像法调焦进行了讨论,最后给出了检焦系统精度测定评估的方法,展望了航空相机离焦补偿技术及发展趋势。

基于三线靶标的航空相机地面分辨率质量评价

检测航空相机对地面图像质量是对其性能检测的一项重要指标。航空相机是否达到设计指标要求要通过实际航拍验证,但是航空相机航拍检测的地面目标不是实际的地面目标而是人为设定的一种目标。目前这种目标在国内还没有相应的技术标准和质量评价体系,三线靶标成像的分辨率检测是目前国内广泛使用的航空相机对地面图像质量评价比较直观、易读和定量的判别方法。简述了地面分辨率的不同表达方式及三线靶标的构成,分析了三线靶标地面分辨率与航高、焦距的关系。根据三线靶标分辨率判别方法特点,结合实际应用,实际设计了一个三线靶标用于航拍试验,航拍结果满足设计的航空相机地面分辨率航拍技术指标性能要求。

航空相机的像移计算及其补偿分析

航空相机拍照时难免会产生像移,要提高成像质量和相机分辨力必须进行像移补偿。推导出前向像移、飞行器俯仰、滚动和偏航产生的像移及其误差计算公式,以美国 KS-146 航空侦察相机为例,计算出前向像移的大小数量级在 10-3,而其它像移量大小则为 10-4数量级,提出在航空垂直拍照时前向像移占主导地位,应作为像移补偿的主要方向,同时提出在航空相机设计中通过缩短曝光时间和提高快门精度等途径来减小像移、增强航摄图像的清晰度。

TDI-CCD全景航空相机前向像移补偿的数字实现方法

为了提高航空相机的照相分辨率,必须对航空相机拍照时飞行方向上景物与感光介质之间存在相对运动产生的前向像移进行补偿,以使景物与感光介质在拍照过程中相对静止。分析了TDI-CCD全景航空相机产生前向像移的原因、像移补偿精度与伺服系统指标之间的关系,以及补偿机构-反射镜的工作方式;然后,提出了一种基于定点数字信号处理器的控制系统来实时实现前向像移补偿的算法。深入讨论了数字伺服控制系统中的补偿精度、算法选择、相位计算、时间约束等关键问题,并给出了一种适合于工程实际的硬件结构与软件流程。实验结果表明,速度环的稳速误差为0.85%,带来的像移为0.425μm,位置环的归位时间为0.8s,满足系统总体要求。

SWDC-4数码航空相机虚拟影像生成

介绍了利用外视场拼接技术生成虚拟影像的主要过程和原理,包括相机检校、影像纠正、内部相对定向、虚拟影像生成。实验结果表明,SWDC-4数字航摄仪的高程精度指标达到同类产品的国际领先水平,平面精度指标达到国际先进水平。测图精度检测结果表明,使用SWDC-4数码航空相机影像资料测制的1∶500、1∶1000、1∶2000、1∶5000比例尺地形图满足精度要求,优于规范规定的限差。

考虑飞机姿态角时倾斜航空相机像移速度计算

飞机的飞行和姿态变化使航空相机在拍照时产生像移,必须通过像移补偿来提高照相分辨率。为获得飞机姿态角变化时在倾斜航空相机像面上的像移速度大小,首先建立姿态变化过程的数学模型,用坐标系的旋转来等同姿态角的变化,然后根据坐标系旋转前后相同点坐标值之间的矩阵转换关系,推算出单个姿态角变化导致的像移速度,最后将此方法推广到三个姿态角都变化时像移速度的计算。实际应用证明了该方法是一种有效的斜视画幅式航空相机的像移速度计算法,且直观、简单易行,还可以扩展到星载相机上。

高分辨率可见光航空相机的热设计及热分析

为了确保工作在复杂环境中的航空相机能顺利完成任务,对其热控制技术进行了研究。分析了相机的热环境,建立了其换热模型并给出了外热流的计算方法。针对航空相机所处的复杂飞行环境及所需的热控指标,详细阐述了相机的热设计方案,利用热分析软件IDEAS-TMG建立了相机的有限元模型并对相机的两个极端工况进行了仿真分析。仿真分析结果表明:在两个极端工况中,主镜筒温度水平18±1℃、主镜筒轴向温差不大于1.5℃和周向温差不大于1.85℃,均达到了热控指标要求,热设计方案合理可行。该研究方法对各类航空相机的热设计和热分析有一定的指导和借鉴作用。

航空相机的自准直自动检焦方法研究

针对航空照相在高空中会由于温度、气压等环境参数的变化引起光学系统离焦的现象,设计了一种利用自准直原理实现自动检焦的结构。分析了光栅常数与反射镜摆扫速率、接收元件响应时间的关系,研究了光栅的刻线方向在焦平面上的摆放位置和不同光源参数对检焦精度的影响。试验结果表明,自动检焦的焦平面位置与实验室光学标定的焦平面位置的偏差<1/3半焦深,满足使用要求,并在动态飞行试验中获得了良好的图像。该方法可推广于带有扫描反射镜的航空相机的检焦设计与研究中。

航空相机焦面组件相变温控设计及验证

航空相机焦面组件是机载电子设备中具有严格温度要求的重要组件，其工作期间温度过高产生的热噪声和暗电流将导致成像质量下降。讨论分析了某型航空相机焦面组件热设计的特点，采用封装有相变材料的相变温控系统进行散热，根据结构特点和导热路径，给出了热设计方案。采用有限元数值分析方法，建立了热平衡方程和热分析计算模型，应用热分析软件IDEAS—TMG在给定温度边界条件下进行瞬态仿真分析，给出了组件的热响应性能。热分析结果表明：焦面组件和散热器工作温度范围分别为18—31．1℃、18～28．2℃。所获得的分析结果能够满足热控指标要求。最后通过热实验对采用相变温控系统的热设计方案进行了验证，验证实验结果与数值分析结果吻合较好，结果对比最大偏差均不超过5％，验证了数值分析的正确性和温度预示的有效性。实验过程中焦面组件和散热器工作温度范围分别为18—32．3℃、18—29．6℃。

大角度倾斜成像航空相机对地目标定位

针对大角度倾斜成像航空相机拍摄距离远,激光测距设备作用距离有限的问题,提出了一种不依赖距离测量设备的直接对地目标定位算法。依据载机POS测量的载机位置、姿态信息以及航空相机中位置编码器测量的框架角位置信息,利用齐次坐标变换的方法求解目标在大地坐标系下的指向,再利用地球椭球模型和数字高程模型确定目标点的经纬度信息。采用蒙特卡洛法仿真分析载机位置姿态测量误差及相机框架角位置误差对视轴指向精度的影响,相比于仅采用地球椭球模型的目标定位算法,该算法有效降低了地形起伏对目标定位影响,在目标区域地形起伏标准差大于10m时,大角度倾斜成像的定位精度明显提高。采用飞行试验数据验证了该目标定位算法的有效性,在飞行高度18 000m拍摄框架横滚角小于63°时,目标定位圆概率误差小于70m,可满足工程实际需要。

TDI CCD全景式航空相机的像移补偿误差分析

基于TDICCD的航空相机通常工作于推扫方式,介绍了一种新型TDICCD全景式航空相机。与相同CCD片数的推扫式相机相比,其优点是扩大了摄影视场,但同时带来摆扫方向上的像移。针对这一问题,提出了一种真角度像移补偿方法,并通过实验验证了真角度像移补偿的正确性。以型号为CT F3的TDICCD相机为例,对前向像移补偿误差进行了分析,提出系统的性能指标:TDICCD积分时间精度应大于5‰,扫描反射镜补偿精度应大于1%。

航空相机调焦单元仿真系统的实时显示方法研究

依据某型号航空相机内部系统通讯协议,对航空相机调焦单元仿真系统在通信工程中的实时显示方法进行了研究。提出了一种利用计算机仿真技术,以计算机算法控制为核心,以通信控制电路为基础的实时显示的方法。阐述了航空相机调焦单元的工作原理,设计了仿真系统的硬件实现电路,给出了仿真系统的软件设计流程。工程实践表明,该仿真系统可以同时对4台相机调焦系统进行控制,具有操作简便、信息量大、数据读取直观等特点。

全景式航空相机的扫描角研究

全景式航空相机成像时,需要合理确定扫描起始角和扫描角以便覆盖指定目标、增大覆盖区域,同时满足重叠率要求。研究了扫描角、扫描起始角和目标倾斜角之间的关系以及扫描角的计算方法。提出正好满足图像重叠率要求的扫描角的理论计算方法,由于该方法计算困难,难以用于工程。因此,又提出了一种根据目标倾斜角计算扫描起始角和扫描角的算法,并分别给出了目标倾斜角与扫描起始角和扫描角之间的关系图。结果表明:这种方法确定的扫描起始角和扫描角能使所成图像满足重叠率的要求;给定目标大多处于条带覆盖区域的中间;覆盖区域也尽可能宽。算法计算简单,适合在实际工程设计中使用。

航空相机镜筒位置控制的扰动估计与补偿

在航空相机镜筒速度内环设计了自抗扰控制器,以减小镜筒内偏心凸轮机构的运动对镜筒的扰动。采用扩张状态观测器对扰动进行实时估计,并生成扰动补偿量抵消扰动的影响。首先,分析了凸轮机构的运动对镜筒扰动的特点。然后,建立了镜筒的数学模型,基于带宽的单参数化设计思想设计了扩张状态观测器及带扰动补偿的控制律,设计了镜筒位置控制器。最后,在镜筒上对控制器的抗扰动性能进行了验证,并与目前航空相机常用的一阶平方滞后超前校正法进行了比较。结果表明,采用自抗扰控制能将凸轮机构对镜筒的扰动偏差减小为传统方法的50%左右。在提高系统抗扰动性能的同时,控制器增益减小约2个数量级,大大降低了对控制器增益的要求,提高了系统的稳定性,对改善航空相机控制系统的抗扰动性能及降低控制器设计难度具有较高的实用价值。

由小面阵CCD组合构成宽角航空相机

本文研究由多台小面阵CCD相机构建组合式宽角航空相机的新方法———包括由3台或4台相机组合构建的多相机系统结构,由其分离的各影像转换成等效大影像的数学表达;利用室外和室内近景相机检校场对组合相机系统进行高精度检校的内容、解算方法和检校结果;最后给出了以3相机组合系统装备无人驾驶飞行器(UAV II)进行低空摄影的影像成果。

新型航空相机自动调焦系统的设计

根据航空摄影侦察高机动性的特点和调焦精度要求,提出了数据采集与计算的自动调焦方法。分析了航空摄影时大气压力、温度和摄影斜距的变化对航空相机离焦的影响,给出了计算相机离焦量的简易数学方程,介绍了新型航空相机自动调焦系统的设计原理和基本组成,完成了系统的硬件电路和软件流程设计。光学测试和实际应用证明:这种控制技术不仅实用可靠,而且调焦速度快、精度高,满足了航空摄影侦察的要求。

航空相机的像旋转特性分析及其补偿方法

航空相机在多航迹成像方式中,随着45°反射镜绕光轴旋转对物进行扫描,物体反射像也将绕光轴进行旋转,为此必须采取消除像旋转的措施来保证成像质量。为阐述产生像旋转的原因,分析了扫描反射镜的像旋转特性;并在探讨消除像旋技术理论的基础上,提出了一种反射镜与探测器同步转动消除像旋转的方法。在多航迹工作方式中,此方法为相机扫描机构连续扫描成像提供了必要条件。利用此方法还改进了以往步进式扫描机构的惯量大、扫描效率低的问题,并在实际工程中得以应用和证明。试验结果表明,该方法的同步旋转误差小于1/3像元,能够获得良好的图像效果。