CN105588564A - 一种适用于二维广域扫描的稳定成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种适用于广域扫描的稳定成像方法，其核心是地理稳定和电子像移补偿配合，光电***的前向移动用地理稳定的方式实现补偿，方位向的移动用地理稳定结合电子像移的方式补偿，最终实现光电***在广域二维扫描过程中清晰成像。该方法主要是利用算法实现，其结构形式简单，能有效提高光电***成像质量，同时提高光电***的可靠性。

Description

一种适用于二维广域扫描的稳定成像方法

技术领域

本发明属于机载光电侦察技术领域，具体为一种适用于二维广域扫描的稳定成像方法，该方法主要是地理稳定和电子像移补偿配合方法，可实现机载光电***可见光传感器在快速二维扫摆过程中清晰成像。

背景技术

光电***可见光传感器CCD的电子像移补偿技术目前在星载/机载的空间/航空相机使用较多，由于CCD在载体上通常无须扫描运动，只有一维的前向运动，所以电子像移补偿技术主要是用于补偿载体前向运动的像移，如发表在《航天返回与遥感》2009年第30卷的《帧转移面阵CCD电子像移补偿设计》和发表在《微计算机信息》2010年第26卷的《彩色大面阵CCD相机的像移补偿技术》，未查到电子像移补偿技术用于弥补载体在方位向摆动的应用。

在光电搜索***中，为了实现目标搜索的目的，可见光传感器必须随载体二维运动，相对目标就产生了两个方向的像移。以往光电***采用的是光学像移补偿和机械式像移补偿，如发表在《激光与红外》2013年第43卷的《快速反射镜关键技术研究》等。这些方法需要额外的机械结构进行辅助，同时补偿精度受扫摆镜性能的限制，成像质量较静态有所下降。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种适用于广域扫描的稳定成像方法，其核心是地理稳定和电子像移补偿配合，光电***的前向移动用地理稳定的方式实现补偿，方位向的移动用地理稳定结合电子像移的方式补偿，最终实现光电***在广域二维扫描过程中清晰成像。该方法主要是利用算法实现，其结构形式简单，能有效提高光电***成像质量，同时提高光电***的可靠性。

本发明的技术方案为：

所述一种适用于二维广域扫描的稳定成像方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：实时采集当前载机数据：α,β,γ,h,θ_AZ,θ_EL；其中α为载机航向角，β为载机俯仰角，γ为载机横滚角，h为载机海拔高度，θ_AZ为载机光电***光轴方位角，θ_EL为载机光电***光轴俯仰角；

根据采集的当前载机数据，计算东北天坐标系O-XYZ到载机机体坐标系O-X_uY_uZ_u的转换矩阵A₁：

$A_1=\left[\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\α}& sin\mathrm{\α}& 0\\ -sin\mathrm{\α}& cos\mathrm{\α}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& cos\mathrm{\β}& -sin\mathrm{\β}\\ 0& sin\mathrm{\β}& \cos \mathrm{\β}\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\γ}& 0& sin\mathrm{\γ}\\ 0& 1& 0\\ -sin\mathrm{\γ}& 0& cos\mathrm{\γ}\end{array}\right]$

计算载机机体坐标系O-X_uY_uZ_u到光电***坐标系O-X_ocY_ocZ_oc的转换矩阵A₂：

$A_2=\left[\begin{array}{ccc}cos\left({\mathrm{\θ}}_{AZ}\right)& sin\left({\mathrm{\θ}}_{AZ}\right)& 0\\ -sin\left({\mathrm{\θ}}_{AZ}\right)& cos\left({\mathrm{\θ}}_{AZ}\right)& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& cos\left({\mathrm{\θ}}_{EL}\right)& -sin\left({\mathrm{\θ}}_{EL}\right)\\ 0& sin\left({\mathrm{\θ}}_{EL}\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_{EL}\right)\end{array}\right]$

根据当前光轴指向点目标在东北天坐标系下的速度矢量(v_X，v_Y，v_Z)以及公式

$\left[\begin{array}{c}{v}_X\\ v_Y\\ v_Z\end{array}\right]=A_1\×A_2\×\left[\begin{array}{c}{v}_{Xe}\\ v_{Ye}\\ v_{Ze}\end{array}\right]=A\×\left[\begin{array}{c}{v}_{Xe}\\ v_{Ye}\\ v_{Ze}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}\\ a_{31}& a_{32}& a_{33}\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{v}_{Xe}\\ v_{Ye}\\ v_{Ze}\end{array}\right]$

得到当前光轴指向点目标在光电***坐标系下速度矢量(v_Xe，v_Ye，v_Ze)；进而得到当前光轴指向点目标相对于光电***坐标系的方位角速度ω_AZ和俯仰角速度ω_EL：ω_AZ＝v_Xe/L，ω_EL＝v_Ze/L，其中L＝(h-h_g)/(-a₃₂)，h_g是当前光轴指向点目标海拔高度；

步骤2：根据步骤1得到的当前光轴指向点目标相对于光电***坐标系的方位角速度ω_AZ和俯仰角速度ω_EL，确定光电***伺服机构的方位向速度指令ω_OAZ为ω_OAZ＝ω_S+ω_AZ，光电***伺服机构的俯仰向速度指令ω_OEL为ω_OEL＝ω_EL，光电***方位向扫描换向时的俯仰向步进角α_OEL为α_OEL＝α_EL/(1+K)；其中ω_S为光电***要求达到的方位向扫描速度，α_EL为光电***传感器的俯仰向视场角，K为图像重叠率；

根据设定的光电***传感器总曝光时间T_CCD和光电***传感器分辨率l，确定光电***传感器曝光次数n为：

$n=\frac{({\mathrm{\ω}}_s\×T_{CCD}\×l)}{{\mathrm{\α}}_{Az}}$

每次曝光时间t为：

$t=\frac{T_{CCD}}{n}$

其中α_Az为光电***传感器的方位向视场角；

步骤3：根据步骤2确定的光电***伺服机构的方位向速度指令ω_OAZ、俯仰向速度指令ω_OEL、光电***方位向扫描换向时的俯仰向步进角α_OEL、光电***传感器曝光次数n和每次曝光时间t，对光电***进行控制，实现光电***二维广域扫描稳定成像。

有益效果

本发明的有益效果体现在以下几个方面：

(一)本发明可有效保证电***广域搜索模式下成像清晰，提高目标识别率。

(二)本发明在工程实践中以软件算法的方式实践，结构形式简单，易于实现。

(三)本发明可实现光电***二维扫描，广域搜索范围大，同时可保证一定的重叠率，无漏扫。

附图说明

图1是东北天坐标系、载机机体坐标系和光电***坐标系的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

本实施例中的适用于二维广域扫描的稳定成像方法，其核心是地理稳定和电子像移补偿配合，光电***的前向移动用地理稳定的方式实现补偿，方位向的移动用地理稳定结合电子像移的方式补偿，最终实现光电***在广域二维扫描过程中清晰成像。具体方法包括以下步骤：

步骤1：实时采集当前载机数据：α,β,γ,h,θ_AZ,θ_EL；其中α为惯性导航***输出的载机航向角，β为惯性导航***输出的载机俯仰角，γ为惯性导航***输出的载机横滚角，h为惯性导航***输出的载机海拔高度，θ_AZ为载机光电***输出的光轴方位角，θ_EL为载机光电***输出的光轴俯仰角；

根据采集的当前载机数据，计算东北天坐标系O-XYZ到载机机体坐标系O-X_uY_uZ_u的转换矩阵A₁：

$A_1=\left[\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\α}& sin\mathrm{\α}& 0\\ -sin\mathrm{\α}& cos\mathrm{\α}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& cos\mathrm{\β}& -sin\mathrm{\β}\\ 0& sin\mathrm{\β}& \cos \mathrm{\β}\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\γ}& 0& sin\mathrm{\γ}\\ 0& 1& 0\\ -sin\mathrm{\γ}& 0& cos\mathrm{\γ}\end{array}\right]$

计算载机机体坐标系O-X_uY_uZ_u到光电***坐标系O-X_ocY_ocZ_oc的转换矩阵A₂：

$A_2=\left[\begin{array}{ccc}cos\left({\mathrm{\θ}}_{AZ}\right)& sin\left({\mathrm{\θ}}_{AZ}\right)& 0\\ -sin\left({\mathrm{\θ}}_{AZ}\right)& cos\left({\mathrm{\θ}}_{AZ}\right)& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& cos\left({\mathrm{\θ}}_{EL}\right)& -sin\left({\mathrm{\θ}}_{EL}\right)\\ 0& sin\left({\mathrm{\θ}}_{EL}\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_{EL}\right)\end{array}\right]$

根据当前光轴指向点目标在东北天坐标系下的速度矢量(v_X，v_Y，v_Z)以及公式

$\left[\begin{array}{c}{v}_X\\ v_Y\\ v_Z\end{array}\right]=A_1\×A_2\×\left[\begin{array}{c}{v}_{Xe}\\ v_{Ye}\\ v_{Ze}\end{array}\right]=A\×\left[\begin{array}{c}{v}_{Xe}\\ v_{Ye}\\ v_{Ze}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}\\ a_{31}& a_{32}& a_{33}\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{v}_{Xe}\\ v_{Ye}\\ v_{Ze}\end{array}\right]$

得到当前光轴指向点目标在光电***坐标系下速度矢量(v_Xe，v_Ye，v_Ze)；进而得到当前光轴指向点目标相对于光电***坐标系的方位角速度ω_AZ和俯仰角速度ω_EL：ω_AZ＝v_Xe/L，ω_EL＝v_Ze/L，其中L＝(h-h_g)/(-a₃₂)，h_g是当前光轴指向点目标海拔高度；

在本实施例中，例举：α_F＝5°,β_F＝3°,γ_F＝2°,h＝5000m,θ_AZ＝40°,θ_EL＝-35°。设V_X＝5m/s，V_Y＝150m/s，V_Z＝-10m/s，h_g＝500m；则ω_AZ＝0.72°/s，ω_EL＝-0.34°/s。

光电***伺服软件模块根据计算的方位角速度值0.72°/s、俯仰角速度值-0.34°/s进行速度补偿，从而实现光电***地理稳定，即隔离飞机的运动，光轴始终指向同一位置。

步骤2：在执行扫描指令时，光电***在地理坐标系下，方位向按一定速度ω_S扫描，在光电***方位向扫摆换向时，俯仰向步进一个角度α_0EL，同时通过422通讯使光电***传感器CCD电子像移也同步换向，保证***配合精确，成像始终清晰。

光电***伺服计算机给方位方向的速度指令为ω_OAZ，给俯仰方向的速度指令为ω_OEL：根据步骤1得到的当前光轴指向点目标相对于光电***坐标系的方位角速度ω_AZ和俯仰角速度ω_EL，确定光电***伺服机构的方位向速度指令ω_OAZ为ω_OAZ＝ω_S+ω_AZ，光电***伺服机构的俯仰向速度指令ω_OEL为ω_OEL＝ω_EL，光电***方位向扫描换向时的俯仰向步进角α_OEL为α_OEL＝α_EL/(1+K)；其中ω_S为光电***要求达到的方位向扫描速度，α_EL为光电***传感器的俯仰向视场角，K为图像重叠率。

在本优选示例中：ω_S＝30°/s，α_EL＝1.22°，K＝12％，则ω_OAZ＝30+0.72＝30.72°/s，α_OEL＝1.09°。

根据设定的光电***传感器总曝光时间T_CCD(根据当前天气条件设定，本实施例中T_CCD＝10ms)和光电***传感器分辨率l，确定光电***传感器曝光次数n为：

$n=\frac{({\mathrm{\ω}}_s\×T_{CCD}\×l)}{{\mathrm{\α}}_{Az}}$

每次曝光时间t为：

$t=\frac{T_{CCD}}{n}$

其中α_Az为光电***传感器的方位向视场角。实现电子像移补偿和光电转塔运动同步。

本实施例中l＝1980，α_Az＝1.53°，则n＝388，t＝0.0258ms。

步骤3：根据步骤2确定的光电***伺服机构的方位向速度指令ω_OAZ、俯仰向速度指令ω_OEL、光电***方位向扫描换向时的俯仰向步进角α_OEL、光电***传感器曝光次数n和每次曝光时间t，对光电***进行控制，实现光电***二维广域扫描稳定成像。

本实施例中，***伺服计算机给方位方向的速度指令为30.72°/s，给俯仰方向的速度指令为-0.34°/s，在光电***方位向扫摆换向时，俯仰向步进一个角度1.09°，同时通过422通讯使光电***传感器CCD电子像移也同步换向，光电***传感器CCD一副图像将曝光388次，每次曝光的时间为0.0258ms，保证***配合精确，成像始终清晰。

Claims (1)

1.一种适用于二维广域扫描的稳定成像方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：实时采集当前载机数据：α,β,γ,h,θ_AZ,θ_EL；其中α为载机航向角，β为载机俯仰角，γ为载机横滚角，h为载机海拔高度，θ_AZ为载机光电***光轴方位角，θ_EL为载机光电***光轴俯仰角；

根据采集的当前载机数据，计算东北天坐标系O-XYZ到载机机体坐标系O-X_uY_uZ_u的转换矩阵A₁：

$A_1=\left[\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\α}& sin\mathrm{\α}& 0\\ -sin\mathrm{\α}& cos\mathrm{\α}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& cos\mathrm{\β}& -sin\mathrm{\β}\\ 0& sin\mathrm{\β}& \cos \mathrm{\β}\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\γ}& 0& sin\mathrm{\γ}\\ 0& 1& 0\\ -sin\mathrm{\γ}& 0& \cos \mathrm{\γ}\end{array}\right]$

计算载机机体坐标系O-X_uY_uZ_u到光电***坐标系O-X_ocY_ocZ_oc的转换矩阵A₂：

$A_2=\left[\begin{array}{ccc}cos\left({\mathrm{\θ}}_{AZ}\right)& sin\left({\mathrm{\θ}}_{AZ}\right)& 0\\ -sin\left({\mathrm{\θ}}_{AZ}\right)& cos\left({\mathrm{\θ}}_{AZ}\right)& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& cos\left({\mathrm{\θ}}_{EL}\right)& -sin\left({\mathrm{\θ}}_{EL}\right)\\ 0& sin\left({\mathrm{\θ}}_{EL}\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_{EL}\right)\end{array}\right]$

根据当前光轴指向点目标在东北天坐标系下的速度矢量(v_X，v_Y，v_Z)以及公式

$\left[\begin{array}{c}{v}_X\\ v_Y\\ v_Z\end{array}\right]=A_1\×A_2\×\left[\begin{array}{c}{v}_{Xe}\\ v_{Ye}\\ v_{Ze}\end{array}\right]=A\×\left[\begin{array}{c}{v}_{Xe}\\ v_{Ye}\\ v_{Ze}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}\\ a_{31}& a_{32}& a_{33}\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{v}_{Xe}\\ v_{Ye}\\ v_{Ze}\end{array}\right]$

得到当前光轴指向点目标在光电***坐标系下速度矢量(v_Xe，v_Ye，v_Ze)；进而得到当前光轴指向点目标相对于光电***坐标系的方位角速度ω_AZ和俯仰角速度ω_EL：ω_AZ＝v_Xe/L，ω_EL＝v_Ze/L，其中L＝(h-h_g)/(-a₃₂)，h_g是当前光轴指向点目标海拔高度；

步骤2：根据步骤1得到的当前光轴指向点目标相对于光电***坐标系的方位角速度ω_AZ和俯仰角速度ω_EL，确定光电***伺服机构的方位向速度指令ω_OAZ为ω_OAZ＝ω_S+ω_AZ，光电***伺服机构的俯仰向速度指令ω_OEL为ω_OEL＝ω_EL，光电***方位向扫描换向时的俯仰向步进角α_OEL为α_OEL＝α_EL/(1+K)；其中ω_S为光电***要求达到的方位向扫描速度，α_EL为光电***传感器的俯仰向视场角，K为图像重叠率；

根据设定的光电***传感器总曝光时间T_CCD和光电***传感器分辨率l，确定光电***传感器曝光次数n为：

$n=\frac{({\mathrm{\ω}}_s\×T_{CCD}\×l)}{{\mathrm{\α}}_{Az}}$

每次曝光时间t为：

$t=\frac{T_{CCD}}{n}$

其中α_Az为光电***传感器的方位向视场角；

步骤3：根据步骤2确定的光电***伺服机构的方位向速度指令ω_OAZ、俯仰向速度指令ω_OEL、光电***方位向扫描换向时的俯仰向步进角α_OEL、光电***传感器曝光次数n和每次曝光时间t，对光电***进行控制，实现光电***二维广域扫描稳定成像。