王義坤，亓洪興，韓貴丞，劉 敏，王雨曦，葛明鋒

(中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所空間主動(dòng)光電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200083)

1 引言

近年來，隨著輕小型無人機(jī)應(yīng)用的普及和小面陣熱紅外探測(cè)器的日趨成熟，高分辨率的無人機(jī)載熱成像技術(shù)被廣泛應(yīng)用于海事救援、災(zāi)害預(yù)警與應(yīng)急響應(yīng)、以及環(huán)境熱輻射監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域［1－5］。然而受限于器件規(guī)模，面陣熱紅外探測(cè)器的單幀成像視場很小，無法滿足日益增長的寬視場應(yīng)用需求。采用小面陣探測(cè)器、在翼展方向進(jìn)行整機(jī)擺掃可以實(shí)現(xiàn)寬視場、高分辨率成像，但是這種成像機(jī)制的光機(jī)結(jié)構(gòu)笨重復(fù)雜，不適用于輕小型無人機(jī)［6－8］。利用多個(gè)小面陣探測(cè)器進(jìn)行視場拼接在實(shí)現(xiàn)寬視場高分辨率成像的同時(shí)，難免增加儀器重量，所以拼接方案對(duì)載重敏感的輕小型無人機(jī)而言也是不適用的［9］。

針對(duì)現(xiàn)有寬視場、高分辨率成像機(jī)制在輕小型無人機(jī)熱紅外遙感上應(yīng)用受限的問題，本文研制了一套輕小型面陣擺掃熱紅外成像系統(tǒng)，利用面陣相機(jī)實(shí)現(xiàn)高分辨率成像，基于光學(xué)系統(tǒng)自身元件獲取寬視場，同時(shí)對(duì)面陣擺掃寬視場成像過程中無人機(jī)橫滾姿態(tài)擾動(dòng)導(dǎo)致的視場偏移進(jìn)行了糾正。本文研制的輕小型熱成像系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)視場無偏移的寬視場高分辨率成像，由于采用小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)寬視場成像，不僅控制難度降低，而且光機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，體積、重量優(yōu)勢(shì)明顯，非常適用于輕小型無人機(jī)熱紅外遙感。

2 系統(tǒng)描述

輕小型面陣擺掃熱紅外成像系統(tǒng)的光機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，面陣熱紅外相機(jī)水平安裝，實(shí)現(xiàn)高分辨率成像;固定反射鏡相對(duì)于熱紅外相機(jī)靜止不動(dòng)，負(fù)責(zé)光路折轉(zhuǎn);擺掃反射鏡可以繞擺掃軸轉(zhuǎn)動(dòng)，沿翼展方向掃描實(shí)現(xiàn)寬視場成像;負(fù)責(zé)對(duì)地成像的45°指向鏡可繞俯仰軸轉(zhuǎn)動(dòng)，配合翼展擺掃作景物跟蹤運(yùn)動(dòng)，保證擺掃一行獲取的圖像垂直于飛行方向;橫滾環(huán)架可繞橫滾軸轉(zhuǎn)動(dòng)，反向補(bǔ)償糾正無人機(jī)橫滾姿態(tài)擾動(dòng)導(dǎo)致的視場偏移。

圖1 系統(tǒng)光機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Optical－mechanical structure of the system

3 成像原理

圖2(a)為視場無偏移的理想狀況下，基于反射鏡的面陣擺掃寬視場成像原理示意圖?？刂茢[掃反射鏡繞擺掃軸轉(zhuǎn)動(dòng)，沿翼展方向進(jìn)行物方掃描，實(shí)現(xiàn)寬視場成像。擺掃一行時(shí)，熱紅外相機(jī)進(jìn)行多次曝光成像實(shí)現(xiàn)翼展方向的寬視場覆蓋。

圖2 成像原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of imagingprinciple

實(shí)際飛行作業(yè)時(shí)，由于空中氣流和自身因素的影響，無人機(jī)作為載體平臺(tái)難以保持自身姿態(tài)的平穩(wěn)，其橫滾姿態(tài)擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致翼展擺掃成像視場出現(xiàn)偏移，如圖2(b)所示。這種視場偏移會(huì)增加地物漏掃風(fēng)險(xiǎn)，降低作業(yè)效率，需要一定的技術(shù)手段進(jìn)行糾正。假設(shè)面陣擺掃寬視場成像過程中無人機(jī)產(chǎn)生γ角橫滾姿態(tài)擾動(dòng)，利用POS實(shí)時(shí)感測(cè)此擾動(dòng)，然后將－γ作為視場偏移糾正命令，控制橫滾環(huán)架帶動(dòng)熱成像系統(tǒng)反向轉(zhuǎn)動(dòng)γ角，糾正橫滾擾動(dòng)導(dǎo)致的視場偏移，實(shí)現(xiàn)視場無偏移的寬視場高分辨率成像。

4 實(shí)現(xiàn)方案

圖3為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用六自由度平臺(tái)和大反射鏡搭建的飛行模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，用以模擬無人機(jī)載面陣擺掃熱紅外成像。其中，面陣熱紅外相機(jī)用相同技術(shù)指標(biāo)的可見光相機(jī)代替，進(jìn)行功能驗(yàn)證。將成像系統(tǒng)放置在六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)繞其橫滾軸的轉(zhuǎn)動(dòng)用于模擬無人機(jī)橫滾姿態(tài)擾動(dòng)。大反射鏡繞自身鏡面內(nèi)垂直于熱成像系統(tǒng)橫滾軸的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬無人機(jī)飛行并實(shí)現(xiàn)室內(nèi)對(duì)外成像:鏡面軸向?qū)?yīng)翼展擺掃方向，成像視場的豎直方向?qū)?yīng)無人機(jī)飛行方向。此飛行模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

圖3 無人機(jī)載熱成像飛行模擬試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.3 flight simulator test system for thermal imaging on UAV

表1 飛行模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Technical specifications of the flight simulator test system

圖4 寬視場擺掃和視場糾偏控制框圖Fig.4 Control diagram of WFOV whiskbroom scanning and FOV deviation rectification

寬視場擺掃和視場偏移糾正的控制框圖見圖4，選擇控制領(lǐng)域經(jīng)典的位置－速度－電流三環(huán)PID算法［10］作為核心控制算法;采用動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、定位精度高的音圈電機(jī)帶動(dòng)擺掃反射鏡沿翼展方向擺掃實(shí)現(xiàn)寬視場成像，控制橫滾環(huán)架反向轉(zhuǎn)動(dòng)糾正無人機(jī)橫滾姿態(tài)擾動(dòng)導(dǎo)致的視場偏移。

視場無偏移的寬視場高分辨率成像的實(shí)現(xiàn)過程如下:

(1)在等時(shí)間間隔內(nèi)產(chǎn)生等角度增量的位置命令，作為寬視場擺掃命令輸入到音圈電機(jī)1的位置環(huán)PID，控制音圈電機(jī)1帶動(dòng)擺掃反射鏡沿翼展方向擺掃，實(shí)現(xiàn)寬視場成像;

(2)面陣擺掃寬視場成像的同時(shí)，利用POS實(shí)時(shí)感測(cè)橫滾姿態(tài)擾動(dòng)角γ;

(3)將－γ作為視場糾偏命令輸入到音圈電機(jī)2的位置環(huán)PID，控制音圈電機(jī)2帶動(dòng)橫滾環(huán)架反向轉(zhuǎn)動(dòng)到－γ角位置，糾正無人機(jī)橫滾姿態(tài)擾動(dòng)導(dǎo)致的視場偏移，實(shí)現(xiàn)視場無偏移的寬視場高分辨率成像。

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖5為寬視場擺掃和視場糾偏的控制效果，其中圖5(a)和圖5(b)分別為偏移糾正前后的寬視場擺掃控制曲線，圖5(c)為視場糾偏控制曲線，圖5(d)為糾偏誤差的放大曲線。如圖5(a)所示，寬視場擺掃命令在±9°范圍內(nèi)變化，視場中心為0°。無人機(jī)橫滾方向產(chǎn)生幅值3°正弦姿態(tài)擾動(dòng)時(shí)，視場中心隨擾動(dòng)呈幅值3°的正弦變化，擺掃視場出現(xiàn)偏移。從圖5(c)中可以看出，視場糾偏命令與橫滾姿態(tài)擾動(dòng)幅值相同相位相反，與音圈電機(jī)2的位置環(huán)PID命令輸入一致，由圖5(d)得到視場偏移的糾正誤差為±0.02°。偏移糾正后的擺掃視場如圖5(b)所示，對(duì)比圖5(a)可以看出，橫滾方向幅值3°正弦姿態(tài)擾動(dòng)導(dǎo)致的視場偏移已經(jīng)被糾正，視場中心重新歸為0°。

圖5 寬視場擺掃和視場糾偏控制效果Fig.5 Control effect of WFOV whiskbroom scanning and rectification for FOV deviation

圖6給出了飛行模擬試驗(yàn)系統(tǒng)橫滾方向產(chǎn)生幅值3°的正弦姿態(tài)擾動(dòng)時(shí)，沒有進(jìn)行視場偏移糾正的寬視場高分辨率成像效果，其中成像視場的水平方向代表翼展方向。擺掃一行時(shí)，相機(jī)進(jìn)行20次曝光成像實(shí)現(xiàn)翼展方向18°的寬視場覆蓋。從圖中還可以看出，該系統(tǒng)高分辨率成像效果良好，圖像信息豐富，目標(biāo)細(xì)節(jié)特征清晰可辨。但是由于橫滾方向的正弦姿態(tài)擾動(dòng)，翼展擺掃視場出現(xiàn)偏移，視場中心和寬視場拼接圖像均呈現(xiàn)S型。假若以這種狀態(tài)進(jìn)行飛行，地物必然漏掃，嚴(yán)重降低飛行作業(yè)效率。

圖6 橫滾擾動(dòng)時(shí)的寬視場高分辨率成像效果Fig.6 WFOV and high resolution image with rolling attitude disturbance

圖7為視場偏移糾正后的寬視場高分辨率成像效果，由于僅對(duì)圖像進(jìn)行了簡單的拼接處理，圖中建筑物的幾何特征略有缺陷，但這并不影響對(duì)成像效果的判讀。對(duì)比圖6，橫滾擾動(dòng)導(dǎo)致的視場偏移已經(jīng)被糾正，擺掃視場在翼展方向沒有偏移，視場保持穩(wěn)定。

圖7 視場無偏移的寬視場高分辨率成像效果Fig.7 WFOV and high resolution image without FOV deviation

6 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有寬視場、高分辨率成像機(jī)制在輕小型無人機(jī)熱紅外遙感上應(yīng)用受限的問題，本文研制了一套輕小型面陣擺掃熱紅外成像系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用相同技術(shù)指標(biāo)的面陣可見光相機(jī)代替熱紅外相機(jī)進(jìn)行功能驗(yàn)證，并進(jìn)行對(duì)外成像試驗(yàn)，獲取了視場無偏移的寬視場高分辨率圖像。上述熱成像系統(tǒng)具有光機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、重量輕和體積小等優(yōu)點(diǎn)，在輕小型無人機(jī)熱紅外遙感領(lǐng)域具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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