楊 萌，紀(jì) 明，閆 明，高賢娟，陳 紅

(西安應(yīng)用光學(xué)研究所, 陜西 西安 710065)

引言

航空遠(yuǎn)距斜視成像技術(shù)(即通過飛機(jī)、無人機(jī)裝載航空相機(jī)傾斜對(duì)地面目標(biāo)成像)是高效能的現(xiàn)代化偵察技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)偵察與監(jiān)視的重要手段，可以對(duì)50 km～150 km外的區(qū)域進(jìn)行成像，具有防區(qū)外發(fā)現(xiàn)識(shí)別目標(biāo)并進(jìn)行技術(shù)分析的能力[1]。但這種偵察方式采用的光學(xué)器件往往焦距長(zhǎng)，視場(chǎng)小，這給獲取大場(chǎng)景地面圖像信息帶來了困難[2]。因此，本文提出了掃描式方案來實(shí)現(xiàn)獲取大場(chǎng)景無縫圖像的辦法，即瞄準(zhǔn)線在橫滾、俯仰軸上按照一定規(guī)律進(jìn)行步進(jìn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)地掃描成像，得到航側(cè)和航向上都存在一定重疊率的圖像序列，再由圖像處理計(jì)算機(jī)拼接成一幅等效的大場(chǎng)景無縫圖像，以滿足航偵任務(wù)要求

本文對(duì)掃描過程進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析，推導(dǎo)出了數(shù)學(xué)公式，并通過仿真驗(yàn)證了角度計(jì)算公式的有效性，可以保證獲取大場(chǎng)景無縫圖像。

1 像移補(bǔ)償技術(shù)形成原因

航空相機(jī)拍攝過程中，因飛行器始終處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而成像又需時(shí)間長(zhǎng)度有限的曝光，所以被攝景物與感光介質(zhì)之間必然會(huì)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這極大地影響了相機(jī)成像質(zhì)量。像移補(bǔ)償技術(shù)是航空相機(jī)在曝光過程中補(bǔ)償感光介質(zhì)與被照景物像之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的技術(shù)，進(jìn)行補(bǔ)償后像移補(bǔ)償殘差應(yīng)在允許范圍內(nèi)[3]。

2 像移補(bǔ)償?shù)姆椒皩?shí)現(xiàn)途徑

2.1 機(jī)械式像移補(bǔ)償法

機(jī)械式像移補(bǔ)償法的原理是利用機(jī)械結(jié)構(gòu)移動(dòng)焦平面上的感光介質(zhì)，移動(dòng)速度與光學(xué)影像運(yùn)動(dòng)矢量的速度、方向一致時(shí)，保持目標(biāo)的像點(diǎn)在焦平面上的位置不變，從而達(dá)到像移補(bǔ)償?shù)哪康摹Ｋ膬?yōu)點(diǎn)是感光面上各點(diǎn)的補(bǔ)償速度一樣，無需圖像后期處理，但需大功率傳動(dòng)裝置，往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜及制作精度要求高，運(yùn)行可靠性[4]要求較高。

2.2 光學(xué)式像移補(bǔ)償法

光學(xué)式像移補(bǔ)償法的原理是在光路上增加光路元件以改變光線方向，通過電機(jī)控制來旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)光路元件，使曝光時(shí)刻光軸指向不變的像移補(bǔ)償方法，具有質(zhì)量輕、易控制的優(yōu)點(diǎn)[5]。目前常用轉(zhuǎn)動(dòng)整個(gè)光學(xué)鏡頭的方式，例如相機(jī)安裝在兩軸穩(wěn)定框架內(nèi)，當(dāng)相機(jī)的焦距比較長(zhǎng)、體積比較大時(shí)，由于整體轉(zhuǎn)動(dòng)比較困難，還可在光路上增加掃描反射鏡，通過旋轉(zhuǎn)慣性小的掃描反射鏡來進(jìn)行像移補(bǔ)償，如圖1所示。

圖1 旋轉(zhuǎn)反射鏡補(bǔ)償法示意圖

2.3 電子式像移補(bǔ)償

該方式主要使用于TDICCD(time delay integration CCD)相機(jī)，主要是驅(qū)動(dòng)TDICCD內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移線速度需要與像點(diǎn)移動(dòng)線速度相匹配，從而保持瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定。由于TDICCD屬于線陣探測(cè)器，因此TDICCD相機(jī)適用于擺掃成像，無法使視軸始終指向目標(biāo)[6]。

圖2 TDI CCD原理示意圖

3 大場(chǎng)景圖像的獲取

在對(duì)地掃描的過程中，飛機(jī)水平直線飛行，掃描方向與飛行方向垂直，通過橫滾角來保證航側(cè)方向上視場(chǎng)的移動(dòng)，俯仰角來補(bǔ)償飛機(jī)前向運(yùn)動(dòng)帶來的像移。涉及到的坐標(biāo)系定義如下(均符合右手定則)[7]：

1) 地球坐標(biāo)系XEYEZE

地球坐標(biāo)系將地球視為旋轉(zhuǎn)橢球體，其坐標(biāo)原點(diǎn)與地球的質(zhì)心重合，XE軸指向格林尼治子午面與地球赤道面的交點(diǎn)，ZE軸指向地球北極，YE軸與其他兩軸組成右手直角坐標(biāo)系，通常采用經(jīng)度λ、緯度φ和高度h來描述地球坐標(biāo)系內(nèi)物體位置：

(1)

式中RE、RP分別表示橢球的長(zhǎng)半軸和短半軸。

2) 地理坐標(biāo)系XNYNZN

地理直角坐標(biāo)系XNYNZN的原點(diǎn)選在飛行器的質(zhì)心，為北東地(NED)坐標(biāo)系XN軸沿當(dāng)?shù)刈游缇€指向北，YN軸在當(dāng)?shù)厮矫鎯?nèi)指向東，ZN軸指向地面，本文選取地理坐標(biāo)系為導(dǎo)航坐標(biāo)系。

3) 航向?yàn)V波當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系XLLYLLZLL

航向?yàn)V波當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系XLLYLLZLL，將地理坐標(biāo)系XNYNZN繞ZN軸旋轉(zhuǎn)濾波航向角θy得到，如圖3所示。在該坐標(biāo)系下計(jì)算視軸的掃描參考指令[8-10]。在實(shí)際飛行過程中，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的航向角往往存在著高頻的測(cè)量噪聲，因此，為了保證掃描條帶與載機(jī)的航向垂直，必須對(duì)航向角進(jìn)行濾波。

圖3 當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系之間的關(guān)系

(2)

4) 機(jī)體坐標(biāo)系XBYBZB

由于在飛行中易受到氣流等各種因素影響，在3軸方向上都會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，機(jī)體坐標(biāo)系B系與地理坐標(biāo)系的偏差角，即為飛機(jī)的實(shí)時(shí)姿態(tài)角[11]。機(jī)體坐標(biāo)系如圖4所示。

圖4 機(jī)體坐標(biāo)系示意圖

機(jī)體坐標(biāo)系的原點(diǎn)與飛機(jī)的質(zhì)心重合，XB軸即橫滾軸(roll xxis)，指向機(jī)體的機(jī)頭，YB軸即俯仰軸(pitch axis)，水平指向機(jī)體的右翼，ZB軸即航向軸(yaw axis)，指向機(jī)體的正下方[12-15]。

3個(gè)姿態(tài)角均為0時(shí)，飛機(jī)坐標(biāo)系與航跡坐標(biāo)系重合。姿態(tài)角不為0時(shí)，將地理坐標(biāo)系按飛機(jī)的姿態(tài)角旋轉(zhuǎn)，且旋轉(zhuǎn)的順序?yàn)楹较蚪铅?、俯仰角η、橫滾角χ，那么變換矩陣就可以表示為

(3)

5) 視軸坐標(biāo)系P(P1,P2,P3)

飛機(jī)坐標(biāo)系沿C3軸平移—f，各軸同時(shí)縮小—f/L倍，可得到像面坐標(biāo)系[16-17]。

(4)

(5)

(6)

式中RLOS表示像物距離。飛機(jī)的速度向量可由如下公式求得：

(7)

由以上分析可以求得視軸的掃描指令為

(8)

根據(jù)公式(8)，設(shè)定拍照幀頻為30 Hz，視場(chǎng)角為0.3°×0.3°，重疊率設(shè)定為0.08，載機(jī)飛行高度為10 000 m，斜距為20 000 m，飛行速度為200 m/s，應(yīng)用matlab軟件，得到仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5中，飛機(jī)沿y軸向正北飛行，應(yīng)用掃描指令通過橫滾方向擺掃，圖中的小方格表示投射在地面的視場(chǎng)，橫滾方向采集7個(gè)視場(chǎng)后，俯仰方向步進(jìn)一定距離，圖中為獲取16.2 km外的地面圖像，成像傾角在75°左右。

圖5 對(duì)地大場(chǎng)景無縫掃描

由仿真結(jié)果可知，采用角度計(jì)算公式得到掃描命令，可以保證整個(gè)目標(biāo)區(qū)域都被成像，且重疊率保持一致，不會(huì)出現(xiàn)漏掃。

4 結(jié)論

與垂直成像相比，斜視成像具有成像距離不斷發(fā)生變化的特點(diǎn)，因此像移補(bǔ)償計(jì)算過程不同于垂直成像。為獲取地面大場(chǎng)景圖像，通過瞄準(zhǔn)線在橫滾、俯仰軸上按照一定規(guī)律進(jìn)行步進(jìn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)地掃描成像，得到航側(cè)和航向上都存在一定重疊率的圖像序列，再由圖像處理計(jì)算機(jī)拼接成一幅等效的大場(chǎng)景無縫圖像，即可滿足航偵任務(wù)要求。