周錦春，李耀軍，趙春暉

1.萍鄉(xiāng)學(xué)院，江西 萍鄉(xiāng) 337000

2.西安電子工程研究所，西安 710100

3.西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，西安 710072

無(wú)人機(jī)全天時(shí)航空成像偵察系統(tǒng)建模與仿真

周錦春1，李耀軍2，趙春暉3

1.萍鄉(xiāng)學(xué)院，江西 萍鄉(xiāng) 337000

2.西安電子工程研究所，西安 710100

3.西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，西安 710072

1 引言

航空偵察作為軍事偵察的重要組成部分之一，既是獲取戰(zhàn)術(shù)情報(bào)的基本手段，也是其獲取戰(zhàn)略情報(bào)的重要途徑[1-2]。目前，航空偵察平臺(tái)主要有無(wú)人駕駛偵察機(jī)、有人駕駛偵察機(jī)、偵察直升機(jī)和預(yù)警機(jī)等[3]，各軍事大國(guó)均不遺余力地在航空相機(jī)設(shè)備研制、成像仿真等方面開(kāi)展大量研究，并在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中不斷摸索和改進(jìn)。

航空相機(jī)成像仿真是相機(jī)裝備預(yù)研、改進(jìn)相機(jī)設(shè)計(jì)、優(yōu)化相機(jī)性能重要途徑之一。通過(guò)系統(tǒng)仿真，研制人員可以方便快捷地得到不同參數(shù)配置、不同使用環(huán)境條件下的設(shè)計(jì)結(jié)果，能在相機(jī)投產(chǎn)前對(duì)其整體性能進(jìn)行預(yù)估，以確定系統(tǒng)的成像品質(zhì)是否滿足要求、系統(tǒng)是否優(yōu)化，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的不足，減少了設(shè)計(jì)反復(fù)，縮短了研制周期，降低了研制成本[4-5]。

本文旨在探索并研究無(wú)人機(jī)航空成像偵察的關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建全天時(shí)可見(jiàn)光航空成像偵察系統(tǒng)模型（包括無(wú)人機(jī)數(shù)學(xué)模型、相機(jī)成像幾何模型和大氣輻射傳輸模型等），可模擬完成大部分的航空成像偵察任務(wù)。同時(shí)，仿真成像結(jié)果可進(jìn)行圖像處理、成像偵察等相關(guān)算法的驗(yàn)證、評(píng)估與改進(jìn)。

2 航空成像偵察系統(tǒng)功能與設(shè)計(jì)

2.1 仿真目標(biāo)

無(wú)人機(jī)全天時(shí)可見(jiàn)光航空成像偵察系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，使用無(wú)人機(jī)數(shù)學(xué)模型、相機(jī)成像幾何模型和大氣輻射傳輸模型實(shí)現(xiàn)對(duì)可見(jiàn)光航空相機(jī)的主要功能和成像過(guò)程的仿真，具體仿真目標(biāo)如下：

（1）能夠反映焦距、相對(duì)孔徑、視場(chǎng)角等工作參數(shù)變化對(duì)成像結(jié)果的影響；

（2）能夠反映無(wú)人機(jī)位置、速度、姿態(tài)角等參數(shù)變化對(duì)成像仿真結(jié)果的影響；

（3）能夠反映大氣能見(jiàn)度、景物光照度、太陽(yáng)高度角等大氣環(huán)境參數(shù)對(duì)成像結(jié)果的影響。

2.2 功能模塊

本仿真系統(tǒng)主要包括以下六個(gè)模塊。

（1）仿真參數(shù)初始化

本模塊具備查詢其他仿真成員，訂購(gòu)可見(jiàn)光航空相機(jī)模型仿真運(yùn)行所需的參數(shù)表，例如圖像數(shù)據(jù)、搭載平臺(tái)參數(shù)和相關(guān)大氣環(huán)境參數(shù)等，同時(shí)可與其他仿真成員交互仿真控制命令。

（2）數(shù)字地圖加載

本模塊可從仿真參數(shù)初始化模塊獲取參數(shù)表，并可加載觀測(cè)區(qū)域高分辨率正射影像圖和數(shù)字高程模型圖，作為相機(jī)仿真模型的公共圖像數(shù)據(jù)源。

（3）相機(jī)成像仿真

該模塊可從仿真參數(shù)初始化模塊獲取參數(shù)表，從數(shù)字地圖加載模塊獲取公共圖像數(shù)據(jù)源，并能對(duì)可見(jiàn)光航空相機(jī)模型參數(shù)（焦距、相對(duì)孔徑、視場(chǎng)角等），通過(guò)仿真計(jì)算，反映出相機(jī)模型參數(shù)變化對(duì)仿真成像結(jié)果的影響。

（4）大氣輻射傳輸仿真

該模塊可從仿真參數(shù)初始化模塊獲取參數(shù)表，從數(shù)字地圖加載模塊獲取公共圖像數(shù)據(jù)源，并能對(duì)大氣環(huán)境參數(shù)（大氣能見(jiàn)度、景物光照度、太陽(yáng)高度角等），通過(guò)仿真計(jì)算，反映出大氣環(huán)境參數(shù)變化對(duì)仿真成像結(jié)果的影響。

（5）無(wú)人機(jī)半物理仿真

基于VxWorks嵌入式PC104計(jì)算機(jī)，該模塊從仿真參數(shù)初始化模塊獲取參數(shù)表，從數(shù)字地圖加載模塊獲取公共圖像數(shù)據(jù)源，并能對(duì)無(wú)人機(jī)平臺(tái)參數(shù)（經(jīng)緯度、高度、速度、俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、偏航角等），通過(guò)仿真計(jì)算，反映出搭載平臺(tái)參數(shù)變化對(duì)仿真成像結(jié)果的影響。

（6）仿真圖像與報(bào)告輸出

將相機(jī)參數(shù)成像模擬、大氣環(huán)境參數(shù)成像模擬和搭載平臺(tái)參數(shù)成像模擬的模擬結(jié)果進(jìn)行整合，將整合后結(jié)果格式化輸出。

2.3 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用PC/104總線的體系結(jié)構(gòu)，使用TCP/IP協(xié)議，采用套接字（socket）的消息機(jī)制進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，VxWorks運(yùn)行的硬件平臺(tái)是基于x86處理器的嵌入式PC104計(jì)算機(jī)，利用MATLAB的RTW和VxWorks接口實(shí)現(xiàn)的，RTW生成可以在VxWorks上運(yùn)行的仿真模型實(shí)時(shí)C代碼，避免了手工編寫(xiě)代碼出現(xiàn)的錯(cuò)誤、大大減少了仿真軟件的開(kāi)發(fā)量、縮短了無(wú)人機(jī)半物理仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期并降低了開(kāi)發(fā)成本。

主機(jī)運(yùn)行MATLAB7.1和VxWorks操作系統(tǒng)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Tornado，VxWorks運(yùn)行于目標(biāo)機(jī)，兩者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)方式連接，共同完成整個(gè)的半物理仿真實(shí)驗(yàn)。仿真應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)完成后，VxWorks可脫離Tornado獨(dú)立運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)半物理仿真功能。

2.4 軟件設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)全天時(shí)航空成像偵察系統(tǒng)的仿真模型之間的接口關(guān)系圖如圖1所示。軟件總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。系統(tǒng)最終將相機(jī)參數(shù)成像仿真、大氣環(huán)境參數(shù)成像仿真和搭載平臺(tái)參數(shù)成像仿真的仿真結(jié)果進(jìn)行整合后格式化輸出。

圖1 仿真模型之間的接口關(guān)系

3 航空成像偵察系統(tǒng)模型構(gòu)建

3.1 無(wú)人機(jī)數(shù)學(xué)模型

無(wú)人機(jī)數(shù)學(xué)模型[6]的建立是進(jìn)行無(wú)人機(jī)半物理仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，無(wú)人機(jī)數(shù)學(xué)模型采用牛頓定律建立六自由度的非線性全量方程。通過(guò)求出各軸的氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩系數(shù)（阻力系數(shù)cx，升力系數(shù)cv，側(cè)力系數(shù)cz，滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)mx，偏航力矩系數(shù)my，俯仰力矩系數(shù)mz）來(lái)

圖2 軟件總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

計(jì)算作用于飛機(jī)的阻力Q、升力Y、側(cè)力C、滾轉(zhuǎn)力矩Mx、偏航力矩My、俯仰力矩Mz。

式中，q=0.5ρV2為動(dòng)壓，Sw為機(jī)翼面積，L為翼展，bA為平均氣動(dòng)弦長(zhǎng)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)提供的有限吹風(fēng)參數(shù)，采用拉格朗日插值的方法解算出任意時(shí)刻的氣動(dòng)系數(shù)，通過(guò)基于動(dòng)力學(xué)方程（無(wú)人機(jī)被看作剛體）和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程（無(wú)人機(jī)被看作質(zhì)點(diǎn)）建立十二階微分方程組如下[7]：

方程中∑Fx、∑Fy、∑Fz;∑Mx、∑My、∑Mz分別為力和力矩在飛機(jī)機(jī)體軸上的分量，Vx，Vy，Vz為飛機(jī)質(zhì)心速度V在機(jī)體軸系上的分量，Ix，Iy，Iz為慣性矩，Ixy為慣性積，x˙d，y˙d，z˙d為質(zhì)心對(duì)地坐標(biāo)系的速度，?，ψ，γ為俯仰角，偏航角，滾轉(zhuǎn)角。ωx，ωy，ωz為飛機(jī)繞機(jī)體軸的旋轉(zhuǎn)角速度。無(wú)人機(jī)仿真模型通過(guò)解算上述的十二階微分方程組得到無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)的飛行姿態(tài)信息。

圖3 無(wú)人機(jī)半物理仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

無(wú)人機(jī)半物理仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，地面站通過(guò)RS232定時(shí)發(fā)送遙控指令至飛控/導(dǎo)航系統(tǒng)，接收飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)在電子地圖上航跡顯示、航跡規(guī)劃等。飛控/導(dǎo)航系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行控制律解算，將解算出的控制信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)放大電路驅(qū)動(dòng)舵機(jī)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)A/D采集輸出的舵偏角信號(hào)作無(wú)人機(jī)仿真模型的輸入信號(hào)，仿真模型仿真飛機(jī)的響應(yīng)過(guò)程進(jìn)行飛機(jī)模型實(shí)時(shí)姿態(tài)信息的解算，并通過(guò)并口將解算出的滾轉(zhuǎn)角、俯仰角和偏航角發(fā)送給轉(zhuǎn)臺(tái)計(jì)算機(jī)，通過(guò)TCP/IP將空速、高度傳給大氣數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)，轉(zhuǎn)臺(tái)計(jì)算機(jī)通過(guò)并口將姿態(tài)位置信息傳給三軸轉(zhuǎn)臺(tái)，由三軸轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)航姿傳感器運(yùn)動(dòng)將感知的飛機(jī)當(dāng)前姿態(tài)信息通過(guò)RS232傳給飛控/導(dǎo)航系統(tǒng)，大氣數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)來(lái)仿真提供飛機(jī)飛行中的高度和空速，給飛控/導(dǎo)航系統(tǒng)中的高度、空速傳感器提供靜壓和動(dòng)壓，通過(guò)壓力計(jì)算將高度值和空速值傳給飛控/導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行控制律解算，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成閉環(huán)無(wú)人機(jī)半物理仿真系統(tǒng)。

3.2 相機(jī)成像幾何模型

本文選用的相機(jī)模型為小孔透視模型[8-14]，小孔透視模型是一種最常用的理想模型，其物理上相當(dāng)于薄透鏡，它的成像關(guān)系是線性的。它不考慮透鏡的畸變，在大多數(shù)場(chǎng)合，這種模型可以滿足精度要求。在此模型中，定義了以下四種相互關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系，如圖4所示。

圖4 小孔相機(jī)模型

世界坐標(biāo)系：坐標(biāo)軸 Xw，Yw，Zw組成三維世界直角坐標(biāo)系，P(Xw，Yw，Zw)表示空間物點(diǎn)P的世界坐標(biāo)即絕對(duì)坐標(biāo)。

相機(jī)坐標(biāo)系：坐標(biāo)軸Xc，Yc，Zc組成相機(jī)空間直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)在o點(diǎn)（光學(xué)中心），Zc軸與光軸重合。P(Xc，Yc，Zc)是空間點(diǎn)P在相機(jī)坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)。

圖像物理坐標(biāo)系：坐標(biāo)軸x，y組成圖像平面直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)o1是光軸與圖像平面的交點(diǎn)，x，y軸分別平行于Xc，Yc軸。P(x，y)是圖像平面上以毫米為單位圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。像平面與相機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)（光學(xué)中心）的距離是 f，f表示相機(jī)鏡頭的有效焦距。

圖像像素坐標(biāo)系：坐標(biāo)軸u，v組成像素平面直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)在圖像的左上角，u，v軸平行于Xc，Yc軸。P(u，v)是圖像平面上以像素為單位像素坐標(biāo)系中P點(diǎn)的最終坐標(biāo)。

相機(jī)的成像過(guò)程是一個(gè)射影變換（透視或中心射影）的過(guò)程，是一個(gè)從三維空間到二維空間退化的射影變換過(guò)程。如圖4所示的小孔模型中，將三維空間中的物點(diǎn)投影到圖像平面上。假設(shè)其dx，dy分別為離散化像素點(diǎn)在軸方向上的寬度（mm/pixel），(u0，v0)為相機(jī)光軸與圖像平面的交點(diǎn)，即圖像中心（主點(diǎn)）坐標(biāo)。相機(jī)坐標(biāo)系與圖像坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系[15]如下：

其中αx為焦距 f與像素點(diǎn)在u方向?qū)挾鹊谋戎?，αy為焦距 f與像素點(diǎn)在v方向?qū)挾鹊谋戎?，即αx，αy分別稱為u軸與v軸方向的尺度因子。(u0，v0)為光軸與圖像平面交點(diǎn)像素坐標(biāo)，即主點(diǎn)坐標(biāo)。s稱為畸變因子。K完全由αx，αy，u0，v0決定，由于它們只與相機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，稱這些參數(shù)為相機(jī)內(nèi)參數(shù)，矩陣K稱為相機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣。當(dāng)此像素點(diǎn)是矩形時(shí)，則α=0?s=0，K完全由αx，αy，u0，v0四個(gè)相機(jī)內(nèi)參數(shù)決定，通常稱它為四參數(shù)模型。當(dāng)像素點(diǎn)不是矩形時(shí)，即考慮成像畸變效果，則 s將不為0，K完全由αx，αy，s，u0，v0五個(gè)相機(jī)內(nèi)參數(shù)決定，即五參數(shù)模型?；谙鄼C(jī)成像幾何模型[13]，航空相機(jī)影像仿真論證參數(shù)詳見(jiàn)文獻(xiàn)[17]。

3.3 大氣輻射傳輸模型

大氣能見(jiàn)度、景物光照度、太陽(yáng)高度角等與輻射圖像灰度強(qiáng)度關(guān)系密切，簡(jiǎn)言之，大氣能見(jiàn)度越遠(yuǎn)、景物光照度越大、太陽(yáng)高度角越高，則圖像灰度強(qiáng)度也越大。上述因素的影響效果均與大氣輻射傳輸模型有關(guān)。光譜輻射在大氣中傳輸時(shí)產(chǎn)生折射、吸收和散射等物理過(guò)程，從而導(dǎo)致輻射衰減。大氣衰減量與輻射波長(zhǎng)、光程長(zhǎng)度及大氣物理特性等因素有關(guān)。大氣總是處于不斷變化中，很多參量難以精確測(cè)定，考慮對(duì)成像影響的大氣效應(yīng)則更難，因?yàn)樽匀画h(huán)境下的成像不僅取決于大氣透射率，而且取決于大氣背景輻射、大氣湍流以及氣溶膠的多次前向散射效應(yīng)，還與大氣溫度梯度場(chǎng)、飛行器周?chē)目諝鈩?dòng)力學(xué)流場(chǎng)等因素有關(guān)。目前大部分是用經(jīng)驗(yàn)公式或半經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)近似計(jì)算大氣傳輸特性。采用美國(guó)空軍地球物理實(shí)驗(yàn)室的LOWTRAN 7大氣傳輸/輻射計(jì)算軟件，該軟件可以計(jì)算近紫外到毫米波波段在不同大氣和氣象條件下的傳輸特性。借此模擬大部分典型氣象條件下的大氣傳輸特性，建立不同的氣象模型。

目標(biāo)表面發(fā)出的光譜輻射，在大氣環(huán)境中傳輸，經(jīng)歷了大氣分子、氣溶膠的吸收和散射，則特定波段內(nèi)目標(biāo)表面發(fā)射的輻射強(qiáng)度為E0，經(jīng)歷路徑L到達(dá)探測(cè)目標(biāo)時(shí)的輻射強(qiáng)度衰減為[18]：

式中Rv為大氣能見(jiàn)度，單位為km；λ為激光波長(zhǎng)，單位為μm。

至此，Edetect可以通過(guò)公式（9）～（12）計(jì)算出來(lái)。但是，目標(biāo)表面的輻射強(qiáng)度 Edetect受到多種因素的影響，如周?chē)h(huán)境的輻射強(qiáng)度 Eambient、太陽(yáng)/月亮的輻射強(qiáng)度Edirect、黑體表面的輻射強(qiáng)度 Ethermal以及場(chǎng)景中心的輻射強(qiáng)度Epath等，其最終輻射強(qiáng)度是上述多種因素影響效果的疊加，因此，探測(cè)到地面目標(biāo)的實(shí)際輻射強(qiáng)度可表示為[18]：

其中，Edetect是到達(dá)探測(cè)器的輻射強(qiáng)度，Eambient是周?chē)h(huán)境的輻射強(qiáng)度，Edirect是太陽(yáng)/月亮的輻射強(qiáng)度，Ethermal是黑體表面輻射強(qiáng)度；Epath是場(chǎng)景中心的輻射強(qiáng)度，Tpath是場(chǎng)景中心瞄準(zhǔn)線的大氣路徑傳輸，R是材料表面反射系數(shù)；C是曲面法線和太陽(yáng)/月亮夾角的余弦值（如果小于0，則設(shè)置為0）；F是太陽(yáng)/月亮部分的鏡面反射輻射率；norm是鏡面反射標(biāo)準(zhǔn)化因數(shù)；f是依賴于鏡面組成的反射角。

考慮到大氣分布的起伏和大氣湍流的擾動(dòng)效應(yīng)，設(shè)在探測(cè)波段內(nèi)零視距輻射圖像中最高和最低輻射強(qiáng)度為Emax和Emin，則路徑輻射在最終輻射圖像中引起的強(qiáng)度變化為：

式中Randn(x，y)為圖像平面的正態(tài)分布隨機(jī)函數(shù)，β為噪聲幅度系數(shù)。因此，考慮大氣衰減、路徑輻射及系統(tǒng)噪聲擾動(dòng)后，最終的輻射圖像灰度強(qiáng)度分布為：

為零視距圖像的灰度強(qiáng)度分布，式中r是常量，且r∈[0,1)。

4 航空成像偵察系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)

該仿真系統(tǒng)基于KD-RTI分布式仿真運(yùn)行支撐環(huán)境開(kāi)發(fā)，采用VC平臺(tái)開(kāi)發(fā)，符合HLA OMT規(guī)范。仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源即正射影像地圖數(shù)據(jù)由Google earth中國(guó)地圖服務(wù)器提供，數(shù)據(jù)大小約300 GB，覆蓋中國(guó)版圖，最高分辨率為0.6 m/pix。仿真系統(tǒng)采用分布式仿真，數(shù)據(jù)傳輸基于TCP/IP協(xié)議，通過(guò)發(fā)送地圖范圍及分辨率參數(shù)請(qǐng)求，獲取定制區(qū)域的地圖影像圖。仿真系統(tǒng)的總控基于STK（Satellite Toolkit）開(kāi)發(fā)，各仿真成員基于HLA OMT規(guī)范互聯(lián)互通互操作。

4.1 參數(shù)設(shè)置

無(wú)人機(jī)全天時(shí)航空成像偵察實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)成像參數(shù)設(shè)置內(nèi)容主要包括三個(gè)部分：（1）相機(jī)參數(shù)：工作模式、焦距、快門(mén)、有效孔徑、感光度、幅面像素等；（2）飛機(jī)參數(shù)：俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、偏航角、東向速度、北向速度、天向速度、經(jīng)度、緯度、高度等；（3）大氣參數(shù)：景物光照度、太陽(yáng)高度角、大氣能見(jiàn)度等。具體設(shè)置窗體如圖5所示。

圖5 成像參數(shù)設(shè)置

4.2 仿真效果

無(wú)人機(jī)全天時(shí)航空成像偵察系統(tǒng)仿真效果如圖6至圖11內(nèi)容所示。其中參數(shù) f表示焦距（單位：mm）；ISO表示感光度，EA表示有效孔徑（單位：mm）；I表示景物光照度，S表示太陽(yáng)高度角（單位：（°）），V表示大氣能見(jiàn)度（單位：km），Velocity表示飛行速度（單位：km/h）；pitch、roll分別表示俯仰角與滾轉(zhuǎn)角（單位：（°））。經(jīng)驗(yàn)證，該仿真系統(tǒng)成像效果逼真度較高，目前已應(yīng)用于空軍某研究所航空成像偵察演示驗(yàn)證系統(tǒng)。

圖6 焦距f在50～2 000 mm之間變化時(shí)航空相機(jī)模擬成像的尺度效果

圖7 感光度ISO及有效孔徑EA變化時(shí)航空相機(jī)模擬成像的亮度和對(duì)比度效果

圖8 景物光照度I、太陽(yáng)高度角S和大氣能見(jiàn)度V參數(shù)變化時(shí)航空相機(jī)模擬成像的亮度效果（單位：級(jí)、（°）、km）

圖9 無(wú)人機(jī)飛行速度Velocity變化時(shí)航空相機(jī)模擬成像的模糊效果（單位：km·h－1）

圖10 無(wú)人機(jī)滾轉(zhuǎn)角roll變化時(shí)航空相機(jī)模擬成像的投影效果

圖11 無(wú)人機(jī)俯仰角pitch變化時(shí)航空相機(jī)模擬成像的投影效果

5 結(jié)論

本文參照無(wú)人機(jī)真實(shí)工作環(huán)境，深入研究了無(wú)人機(jī)數(shù)學(xué)模型、相機(jī)成像幾何模型和大氣輻射傳輸模型對(duì)航空相機(jī)成像偵察效果的影響，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了無(wú)人機(jī)全天時(shí)航空成像偵察實(shí)時(shí)系統(tǒng)。能夠反映航空相機(jī)工作參數(shù)變化對(duì)成像結(jié)果的影響；能夠反映無(wú)人機(jī)平臺(tái)參數(shù)變化對(duì)成像仿真結(jié)果的影響；能夠反映主要大氣環(huán)境參數(shù)對(duì)成像結(jié)果的影響。本仿真系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，對(duì)在研無(wú)人機(jī)航空相機(jī)裝備的論證與定型具有較強(qiáng)的驗(yàn)證意義和指導(dǎo)價(jià)值。

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ZHOU Jinchun1,LI Yaojun2,ZHAO Chunhui3

1.Pingxiang University,Pingxiang,Jiangxi 337000,China
2.Xi’an Electronic Engineering Research Institute,Xi’an 710100,China
3.School of Automation,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China

Aerial imaging reconnaissance is the important means to obtain tactical intelligence.This paper designs an all-time optical aerial imaging reconnaissance system for UAV referred to various flying environment.Based on UAV（Unmanned Aerial Vehicle）mathematics model,visible camera geometry imaging model and atmospheric transmission model,the system simulates the aerial camera reconnaissance using different parameters,which are changed along with UAV motion parameters,camera imaging parameters,atmospheric transferring parameters.Numbers of test results prove that the imaging reconnaissance system has very high fidelity and validity.According to output reports,system performance can be easy to evaluate and improve.More important is that this system can help guide and demonstrate aerial imaging reconnaissance equipment for UAV.

aerial imaging reconnaissance;camera imaging model;radiation transfer model;semi-physical simulation; Unmanned Aerial Vehicle（UAV）

航空成像偵察是獲取戰(zhàn)術(shù)情報(bào)的重要途徑。設(shè)計(jì)的全天時(shí)可見(jiàn)光航空相機(jī)成像偵察系統(tǒng)參照無(wú)人機(jī)各種飛行環(huán)境，基于無(wú)人機(jī)數(shù)學(xué)模型、可見(jiàn)光相機(jī)成像幾何模型和大氣輻射傳輸模型，實(shí)現(xiàn)航空相機(jī)在無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)、航空相機(jī)參數(shù)、大氣環(huán)境參數(shù)變化情況下的成像偵察仿真。該系統(tǒng)由仿真參數(shù)初始化、數(shù)字地圖加載、相機(jī)成像仿真、大氣輻射傳輸仿真、無(wú)人機(jī)半物理仿真、圖像仿真與報(bào)告輸出六個(gè)模塊組成。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明本系統(tǒng)模型有很高的逼真度和有效性，同時(shí)，可根據(jù)系統(tǒng)仿真報(bào)告對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行性能評(píng)估與改進(jìn)。本系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化功能可指導(dǎo)和論證無(wú)人機(jī)航空相機(jī)成像偵察裝備的研制工作。

航空成像偵察；相機(jī)成像模型；輻射傳輸模型；半物理仿真；無(wú)人機(jī)

A

TP391.9

10.3778/j.issn.1002-8331.1305-0495

ZHOU Jinchun,LI Yaojun,ZHAO Chunhui.Modeling and simulation of aerial all day imaging reconnaissance system for UAV.Computer Engineering and Applications,2014,50（24）：259-265.

周錦春（1966—），男，副教授，主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用與模式識(shí)別方向研究；李耀軍（1981—），男，高級(jí)工程師，主要從事組合導(dǎo)航與信息融合；趙春暉（1973—），男，副教授，主要從事無(wú)人機(jī)導(dǎo)航與信息融合。

2013-06-04

2013-08-12

1002-8331（2014）24-0259-07