1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 中国科学院航空光学成像与测量重点实验室，吉林长春30033
2 空军装备部驻某地区军事代表室
3 长春奥普光电技术股份有限公司，吉林长春100
为解决航空遥感相机不同波段目标作用距离计算模型缺乏统一评价标准及工程闭环等问题，开展双波段航空遥感相机目标作用距离评价标准研究及工程应用案例分析。明确航空遥感相机目标作用距离的限制条件，从目标的几何和辐射特性出发。首先根据航空遥感的特点提出了目标三维投影变换关系式，得到任意观测工况下目标的等效观测尺寸；针对可见光、红外双波段点目标和面目标各自不同的辐射成像特点，分别建立了目标作用距离计算模型。接着，结合工程应用示例对不同计算模型的结果进行分析比较，给出了适合航空遥感相机远距离斜视成像条件下选用的计算模型。然后，采用某型航空遥感相机的实际飞行图像中提取的信息，对目标作用距离计算过程中信噪比及调制度的阈值进行了合理选择，并根据修正后的阈值分析了大型舰船和坦克在可见光与红外不同的探测及识别概率下对应的作用距离。分析结果表明：在载机航高18 km，大气能见度15 km，航空遥感相机可见光焦距不低于1.5 m时，可实现在50%的概率下对海面大型舰船的探测距离141 km、识别距离93 km，对陆地坦克等小目标的探测距离105 km、识别距离80 km；在红外焦距不低于1 m的条件下，可实现在50%的概率下对海面大型舰船的探测距离203 km、识别距离140 km，对陆地坦克等小目标的探测距离44 km、识别距离37 km。上述仿真的结果吻合实际，本文的成果可较好应用于工程实践。
航空相机 可见光红外 作用距离 探测识别 信噪比 调制度 对比度 aerial camera visible and infrared operating distance detection and identification SNR modulation contrast
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 中国科学院航空光学成像与测量重点实验室，吉林 长春 130033
2 空军航空大学，吉林 长春 130022
为改善航空光电载荷用音圈致动快速反射镜的控制性能，提出一种降阶自抗扰控制方法。首先，对快速反射镜(Fast Steering Mirror，FSM)模型进行了分析并获取了模型参数。根据自抗扰 控制理论，设计了FSM的三阶通用自抗扰控制器。将电涡流传感器的测量结果视为已知，提出降阶扩张状态观测器及其对应的自抗扰控制器设计方法。根据控制器带宽设计思想，推导了对于FSM 这 类二阶欠阻尼对象的控制律，并给出了加入扰动补偿量的控制律的具体实现形式。实验结果表明，降阶自抗扰控制能明显改善FSM的位置阶跃响应动态性能，能实现无超调与振荡的阶跃响应，稳态 时间由11.7 ms提升至9.2 ms，同时能够降低FSM对位置斜坡输入跟踪的稳态误差，并改善其速度响应动态过程，像移补偿稳速时间由10.2 ms提升至7.8 ms，提升约24%。降阶自抗扰控制具有实现简 单、运算量小的特点，能够明显提升FSM的动态性能。
自抗扰控制 音圈致动 快速反射镜 降阶 带宽设计 active disturbance rejection control driven by VCA fast steering mirror reduced-order bandwidth design
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 中国科学院航空光学成像与测量重点实验室，吉林 长春 130033
2 北京控制工程研究所，北京 100190
针对目前对地目标定位算法在大倾角远距离航空成像应用时定位误差较大的问题，提出了一种修正系统误差定位方法。对大倾角远距离航空成像系统的系统误差进行分析与建模，给出了包含系统误差修正模型的对地目标定位算法，并针对残余误差的获取问题，进一步提出了一种依据地面控制点估计残留误差参数的方法。仿真结果表明，依据地面控制点估计残留误差参数，可将残留误 差降为1/10。飞行试验数据验证，在进行大倾角远距离航空成像目标定位时，通过修正系统误差可将定位误差平均值从401 m缩小到97 m。修正系统误差定位方法可以有效提高在大倾角远距离航空 成像应用时对地目标定位的准确度。
航空相机 目标定位 误差修正 定位误差 aerial camera geo-location error correction geo-location error
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院 航空光学成像与测量重点实验室，吉林 长春 130033
针对飞机姿态角、速度、高度对重叠率影响进行分析并给出了补偿方法。以图像目标直接地理定位方法为基础，给出了大倾斜成像重叠率的基于坐标变换分析方法；对飞行参数单变量影响给 出了几何分析方法及计算公式，两种方法结果是一致的。对于载机姿态角综合作用影响，利用基于坐标变换的方法给出了载机姿态角波动在1°范围内，分析了图像目标区域与预期区域偏离的结果 ，同时提出了使用相机位角和俯角对飞机姿态角影响进行补偿的方法，并给出了基于坐标变换方法的相机位角和俯角补偿量计算公式；基于几何分析结果，提出了通过调整拍照周期对载机速度和载 机高度波动影响进行补偿方法，并给出拍照周期的计算公式。仿真结果和实际飞行数据表明，使用相机位角和俯角进行载机姿态补偿，同时调整拍照周期，可以很好抑制航拍过程中飞机参数波动对 重叠率影响，在小视场角0.88°时，在平坦地区重叠率均值与预期值偏差为1%。
重叠率 载机参数 倾斜成像 坐标变换 拍照周期 overlap flight parameter oblique imaging coordinate transformation imaging period
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所航空光学成像与测量重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
针对传统检焦法复杂度高、稳定性差等问题,提出一种基于图像处理的自准直检焦方法。通过自准直法与图像处理相结合的方法来提高检焦系统的适应性与检焦精度;利用系统离焦距离增大引起成像分辨率降低特性,设计空间频率连续变化的辐射状靶标,避免靶标在系统离焦后对比度变化小的问题。仿真实验选用清晰度评价函数算子计算不同靶标离焦序列图的特征值曲线,结果表明辐射状靶标特征值曲线的灵敏度、无偏性、单峰性均优于Lena图和光栅靶标,且本文检焦法比传统自准直检焦法的检焦精度提高了约19.6%,满足光学系统对离焦量允许值的要求。
成像系统 航空相机 自动检焦 图像处理 自准直 辐射状靶标 激光与光电子学进展
2020, 57(2): 021104
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 中国科学院航空光学成像与测量重点实验室, 吉林 长春 130033
2 空军航空大学, 吉林 长春 130022
提出一种基于扩张状态观测器并引入加速度补偿策略的控制器设计方案, 以实现快速步进/凝视成像机构对控制性能的高要求。首先, 阐述了扩张状态观测器理论, 对其特性进行了详细分析, 并设计了以成像机构为被控对象的三阶线性扩张状态观测器。通过将观测器置于速度内环反馈通道, 设计了基于扩张状态观测器的位置和速度双回路控制器。在此基础上, 利用观测器输出的加速度估计值, 提出加速度补偿策略, 并设计了补偿环节。实验结果表明, 与无加速度补偿环节相比, 引入加速度补偿后, 成像机构每次步进调节时间由76 ms减小到33 ms, 凝视期间的角位置精度由约0.07°减小到0.01°以内, 速度波动减小约2～3倍, 成像机构的控制性能明显改善。控制器设计简单, 需整定参数少, 对于提高同类控制系统性能具有较高的实用价值。
快速步进/凝视成像 扩张状态观测器 加速度补偿 扰动估计 带宽参数化 fast step/stare imaging Extended State Observer(ESO) acceleration compensation disturbance estimate bandwidth parameterization
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 航空光学成像与测量重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
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10 m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18 000 m拍摄框架横滚角小于63°时, 目标定位圆概率误差小于70 m, 可满足工程实际需要。
航空相机 目标定位 其次坐标变换 数字高程模型 误差分析 aerial camera geo-location homogeneous coordinate transformation digital elevation model error analysis
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中科院航空光学成像与测量重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
为准确获取摄影区域地理位置信息, 针对时间延迟积分电荷耦合器件(TDI-CCD)全景式航空相机未配备激光测距仪的情况, 提出一种直接对地目标定位算法。依据机载定位定向系统(POS)测量的载机位置、姿态信息以及航空相机中编码器测量的俯角、位角信息, 利用齐次坐标变换求解成像系统视轴(LOS)在地理坐标下的指向角以WGS-84坐标系下定义的地球椭球模型为基础, 利用地球椭球计算理论确定目标区域经纬度信息。采用蒙特卡罗方法仿真分析了载机姿态角测量误差以及相机俯角、位角误差对视轴指向角计算精度的影响; 着重分析了摄影倾斜角和目标区域地形起伏对对地目标定位精度的影响, 指出摄影倾斜角和目标区域地形起伏越小, 定位精度越高。采用飞行实验验证了该对地目标定位算法的有效性, 在飞行高度为17750 m, 摄影倾斜角在63°~75°范围内, 对地目标定位圆概率误差小于212.96 m, 可满足工程实际需要。
遥感 航空相机 对地目标定位 齐次坐标变换 误差分析
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春, 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了消除CMOS航空相机高速成像时存在的卷帘快门(RS)效应对成像质量的影响, 建立了在任意姿态角下计算CMOS相机RS效应的数学模型。通过分析CMOS成像原理, 利用坐标变换法求得像面上任意像素点的速度。在分析卷帘快门原理的基础上推导出了RS效应的解析式。利用蒙特卡洛统计方法分析模型精度, 对模型关键参数进行了仿真实验, 并讨论了帧间延迟和姿态角对RS效应的影响。实验结果显示: 在高度测量误差小于0.09 km, 速度测量误差小于0.3 km/h, 姿态角测量误差小于0.02°时, 该模型的精度在1/3个像元以内。得到的结果证明了本文模型的有效性。该模型可作为定量分析大面阵CMOS相机RS效应的理论依据, 对CMOS传感器在航空相机领域的应用有指导作用。
CMOS航空相机 成像系统 卷帘快门(RS)效应 误差分析 飞行器姿态 姿态角 CMOS aerial camera imaging system Rolling Shutter(RS) effect error analysis aircraft attitude gesture angle
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中科院航空光学成像与测量重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
应用图像法对长焦距高分辨率航空相机实时检调焦过程中，由于外界环境因素的影响使得系统产生像移，调焦精度降低。当前对于由相对运动引起的像移和调焦精度两者的之间关系没有通用性的理论和确切的研究。从理论上分析了高分辨率航空图像线性像移和抖动像移的模型，给出了像移模型对评价函数的影响，得到像移与调焦曲线极大值呈负相关的关系。图像的像移量越大，调焦函数曲线的最大值下降越显著。利用二次函数拟合的方法获得离散评价函数点的拟合曲线，曲线最高点即对应调焦的最优对焦位置。搭建了动基座检调焦实验平台，实验结果表明当平台引起的图像像移量由1 pixel 增加至5 pixel 时，评价函数曲线的最大值由95.95%下降到87.64%。应用拟合曲线的方法得到的最佳对焦位置在系统半焦深范围之内，满足高分辨率航空相机调焦精度的要求，同时证明了像移理论分析的正确性。
成像系统 航空相机 像移 检调焦精度 曲线拟合
