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 长春精测光电技术有限公司，吉林 长春130012
3 小米通讯技术有限公司，北京100089
针对多重差分航空相机图像检焦精度的问题，提出了一种多重差分空间滤波器参数选取方法。首先，介绍了空间滤波法以及基于空间滤波效应的自动检焦。然后阐述了多重差分滤波检焦法的具体实施过程，并从滤波器输出信号功率谱角度分析了滤波器参数的选取与检焦精度、灵敏度的关系。最后设计动态成像实验，在典型导轨移速532 mm/s下采集外景图像，选取不同的滤波器参数分别进行20次像面检测，并将其结果与传统图像检焦算子的检焦效果进行比较。结果表明，本文方法选取的参数使得检焦精度比Brenner算法提高了18%，且检焦系统的最大误差为3392 m，小于光学系统允许误差(768 m)，满足实际工作需求。
光学成像系统 航空相机 焦面检测 空间滤波器参数 optical imaging system aerial camera focal plane detection filter parameters
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
3 空军装备部驻长春地区军事代表室, 吉林 长春 130033
在大倾角航空相机对地面目标定位过程中，借助数字高程模型（DEM）可有效解决地球椭球模型定位存在的大地高误差影响。为获取地面坐标的准确信息特别是高程信息，首先，根据载机的位置姿态信息以及航空相机的框架角等信息利用齐次坐标变换求解出成像系统视轴在地理坐标系下的指向，再利用数字高程模型确定目标点的坐标。针对成像过程中目标点高程计算繁琐、容易不迭代等问题，提出了一种对目标高程值进行快速迭代的方法。通过对目标区域高程进行折半查找处理，计算该处视轴光线高程与地面高程差值。继续计算该高程差中值并继续迭代，直到小于一定阈值。最后使用蒙特卡洛分析法对整个成像过程存在的误差项进行分析。实验结果表明：采用快速迭代法进行计算，当收敛阈值为十分之一DEM网格精度时，迭代效率提升45.5%，收敛速度大大提高；且通过数字高程模型计算，在飞行高度为15409 m，相机框架角大于74°时，对于山地区域目标的圆概率误差小于200 m，可以满足实际工程需要。
航空相机 对地目标定位 数字高程模型 快速迭代法 误差分析 aerial camera ground target localization digital elevation model fast iteration method the error analysis
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春30033
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
在某型面阵分幅步进成像的航空光电载荷中，俯角分幅步进控制系统存在位置给定突变以及电机启停导致机身整体微晃动的问题，使系统调整时间延长超过时序控制并影响成像效果。提出了串级动态复合限幅控制方法，在带有Anti-Windup的主副回路串级控制基础上，根据“一周拍照开始信号”和“位置/速度控制信号”动态规划电压限幅和速度限幅的幅值，实现对步进给定突变的自适应以及根据需要减小机身整体微晃动影响，最终满足载荷时序控制要求。控制实验测试及动态成像实验表明：在该航空光电载荷俯角分幅步进控制系统采用串级动态复合限幅控制后，实现了拍照段步进位置和返程段回位控制的快速性和稳态性能，拍照段位置步进控制的稳态调整时间缩短了26.56%，返程段位置回位控制的稳态调整时间缩短了18.47%。该方法满足载荷时序控制要求，提高了动态成像的横向像移补偿效果。
航空光电载荷 航空相机 限幅 抗饱和 串级控制 airborne optical electronic load aerial camera amplitude limitation anti-windup cascade control 光学 精密工程
2023, 31(13): 1922
长春电子科技学院 电子工程学院， 长春 130000
航空相机动态分辨力检测系统用于在实验室内模拟飞机飞行过程中地物相对飞机运动状态，实现针对航空相机在进行动态照相时的分辨力的检测。主要研究基于LABVIEW的动态分辨力检测系统的虚拟仪器技术与运动控制技术，根据航空相机像移速度方程设计了动态目标模拟的运动曲线，采用摩擦波动补偿算法改进了常规的PID控制算法完成运动曲线中的高精度匀速段的直线电机控制。系统实现了动态图形匀速直线运动速度范围10~1000mm/s，匀速段瞬时速度误差≤3mm/s，平均速度波动误差≤0.1%。
航空相机 动态分辨力 伺服直线电机 摩擦波动补偿 aerial camera dynamic resolution detection servo linear motor fluctuation compensation algorithm LABVIEW LABVIEW
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
为解决弱特征区域中航空相机成像清晰度检测的问题，根据前后两次图像间具有重叠区域的特点，提出了一种基于数字高程模型（DEM）的航空相机图像清晰度检测方法。该方法在引入高精度DEM数据后，以重投影误差最小化原则修正航空成像模型，应用尺度不变特征转换（SIFT）算法进行特征匹配，并利用特征点偏移位置计算主距变化量，最终将主距变化量作为清晰度检测的标准以实现弱特征区域航空图像的清晰度检测。实验表明，所提算法对不同清晰度的弱特征区域航空图像均能进行清晰度检测，其检测均方根误差为16.275 ，小于光学系统的半焦深（19.2 ），能够满足航空相机的实际工程精度要求。
图像处理 航空相机 清晰度检测 数字高程模型 航空成像模型 特征匹配
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春30033
2 中国科学院大学，北京100049
3 中国科学院 航空光学成像与测量重点实验室，吉林长春100
为了保证航空相机的成像效果，设计了气密光学窗口及其保护罩。本文对光学窗口的设计流程进行了分析，讨论了光学窗口设计的考虑因素，例如光学材料、光学厚度、压力和气密安装方案等。为了实现在非工作状态下对光学窗口的保护，设计了双层舱门结构形式的光窗保护罩，实现了系统的小型化。通过仿真分析和试验，测试了气密光学窗口和光窗保护罩的稳定性，系统能够在2个大气压和高低温环境下正常工作，性能良好。光学窗口保护罩整个厚度仅为37 mm，能够实现快速开启与关闭，单程时间为7.7 s。相关分析方法解决了光学窗口设计问题的盲目性，使光学窗口的设计更加合理可靠。本文提出的方案为航空相机光学窗口的设计和保护提供了参考和技术支持。
航空相机 光学窗口 气密性 光窗保护罩 双层舱门 aerial camera optical window airtight protector double hatch 光学 精密工程
2022, 30(20): 2436
长春电子科技学院电子工程学院，吉林 长春 130114
直线运动动态目标模拟系统可提供相对航空相机做像移直线运动的无限远动态目标，用于检测航空相机的动态分辨率指标。针对动态模拟系统中的大视场长焦距的准直光学系统完成了复消色差光学设计，结合鉴别率板、精密直线滚动导轨、直线电机等共同组成了动态目标发生装置。根据航相机像移速度方程设计了动态目标模拟的运行轨迹，在LABVIEW虚拟仪器平台上采用比例-积分-微分算法控制直线电机实现了运行速度10~900 mm/s、匀速段瞬时速度误差≤1%的动态目标模拟。结果表明，优化后的光学系统传递函数优于0.2@100 lp/mm，畸变≤0.03%。
光学设计 动态目标模拟 航空相机 平行光管 比例-积分-微分控制 LABVIEW 激光与光电子学进展
2022, 59(19): 1922003
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
焦面检测准确与否对航空相机光学系统的成像质量起着至关重要的作用。为解决航空相机检焦问题,提出了一种基于多重差分滤波效应的检焦算法。首先,对检焦原理进行了介绍,在基本矩形滤波器的基础上进行设计,提出了一种适用于航空相机检焦的新型滤波器,消除了图像和滤波器之间相对位移产生的影响,并从数学角度证明了其可行性。然后,通过对图像的隔行采样对滤波器进行模拟,以完成图像检焦算法的设计。最后,利用实验采集的图像对所提算法的检焦效果进行了评估。实验结果表明,所提算法可以消除矩形滤波器和图像之间相对位移产生的正弦变化;算法灵敏度较高,最大误差为41.16 μm,小于光学系统的半焦深(76.8 μm),能够满足工程需求。
成像系统 航空相机 焦面检测 空间滤波效应
中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西 西安 710119
为了满足低照度环境下航空影像信息快速获取的需求，对一种低照度宽幅成像系统进行了研究。基于相机摆扫成像的工作模式，明确了采用大相对孔径低畸变的光学系统，配合真空制冷的低噪声高灵敏度CMOS探测器成像，并通过高速振镜进行扫描像移补偿的技术路线。详细阐述了相机机械构型的设计思路，总结了一套可工程应用的低照度成像能力计算方法。研究了振镜补偿像移的基本原理，并对相机主体框架进行了仿真分析计算。依据该设计和研究结果，完成了低照度宽幅航空相机的加工装配。该相机具有0.1 m （航高1 km）地面像元分辨率, 成像照度适应范围为10~100000 lx，并且在速高比≤0.04时，可实现3倍航高的大收容宽度。系统的成像质量优良，实测镜头在77 lp/mm时，中心视场传递函数大于0.45。实验室和外场飞行试验所获取的图像清晰，对比度和分辨率高，可以满足使用需求。同时，该相机实际包络尺寸为190 mm×140 mm×140 mm，质量仅为2800 g，具有轻小型的特点。
航空相机 低照度 仿真分析 宽幅 成像 aerial camera low-light simulation analysis wide view imaging 红外与激光工程
2021, 50(12): 20210312
