CN105282492A - 临近空间机载对地实时成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高分辨率成像系统，包括光学相机、机载数据处理系统和实时传输的图像传输设备。在成像系统的外壳顶部安装有遮光罩面罩。所述的光学相机由四个镜头阵列组成，每个镜头采用线阵CCD，机载数据处理系统对每个相机得到的图像进行拼接处理，得到大视场范围的高分辨率图像，这样就可以在不增加焦平面阵列探测器探测像素总数的情况下，提高成像系统的分辨率，消除探测器因填充因子带来的探测盲区。图像传输设备将图像实时传输到地面接收系统进行处理并传输到用户，实现地面目标的实时临控。

Description

临近空间机载对地实时成像系统

技术领域

本发明涉及一种地面实时成像系统，特别是一种高分辨率成像系统，该成像系统搭载到临近空间的无人机上，该系统包括光学相机阵列、机载数据处理系统和实时传输的图像传输设备。在所述成像系统的外壳顶部安装有可展开及闭合的遮光罩面罩，遮光罩对日随动以遮挡太阳杂散光。所述的光学相机阵列由四个镜头组成，每个镜头采用线阵CCD，其中四个线阵CCD探测器分别错开半个像元，随着无人机的飞行实现对地物目标的扫描，从而得到四幅不同空间位置的图像，机载数据处理系统对每个相机得到的图像进行拼接处理，得到大视场范围的高分辨率图像，这样就可以在不增加焦平面阵列探测器探测像素总数的情况下，提高成像系统的分辨率，消除探测器因填充因子带来的探测盲区。实时传输的图像传输设备采用压缩编码对图像进行压缩将相机得到的图像通过发射机发射到地面接收系统，对图像进行处理后并传输到用户，最终实现地面目标的实时监控。

背景技术

所述临近空间，是指位于20km～100km的高度，贯穿平流层、中间大气层和电离层的空间范围。由于临近空间平台可在临近空间长时间、持续飞行，且具有长时间滞空定点工作、针对性强、侦察范围广、较航天平台靠近地面等特点，能够与预警飞机和侦察卫星构成全维一体的侦察体系，发挥情报搜集的整体优势，实现对动目标连续监视以及区域成像，因此近几年来得到了快速的发展。

临近空间飞行器包括平流层飞艇、浮空气球和高空无人机等。随着近年来人们对临近空间的重视，临近空间飞行器技术逐渐成熟，临近空间无线通信也越来越多地被人们所关注。与航空平台相比，它提供的覆盖范围更大，可以长时间的驻留，生存能力强，与卫星相比，其轨道较低，可进行高分辨率针对特定地区的长期连续定点目标探测或跟踪，可作为预警、战区和热点地区观测平台。

目前机载高分辨率光电系统都具有小视场角，同等飞行高度下覆盖的地面范围相对较小，这是光电系统使用的一个限制因素。随着军事侦察、国土资源勘查等军民应用领域对高分辨率遥感图像需求的不断增加，低成本获取高分辨率图像成为当前遥感领域的研究热点。目前，为获取高分辨率图像的方法主要有增大相机光学焦距、降低载具飞行高度或者减小探测器单个像元尺寸。但是，增大相机的焦距会使成像系统体积变大，而且光学零件的加工难度也会增大，成本提高；而随着载具飞行高度的降低，覆盖的地面范围也会随之减小；采用小像元尺寸的探测器可以充分发挥光学系统的成像潜力，但是目前的工艺水平已经使像元尺寸达到了它的极小值，随着探测器像元尺寸减少，散粒噪声也将会增大，像元接收到的最小光照度减小，灵敏度降低。此外，这些方法均需要对硬件主系统进行升级改造，成本较高。

发明内容

为了解决临近空间机载成像系统高分辨率的问题，本专利提供一种新型地面实时成像系统，搭载于临近空间无人机上，通过改变探测器的采样模式实现提高成像系统地面像元分辨率，并将得到的图像资料实时传回到地面处理系统，从而达到实时监控地面目标的目的。优选的，本发明所述的临近空间机载地面实时传输成像系统视场角为6°，扫描幅宽为2.1km(飞行高度为20km)区域的图像，可实现地面目标的实时监控。

本发明所述的成像系统由三部分组成：光学相机阵列、机载数据处理系统和实时图像无线传输系统。所述的光学相机阵列由四个相同的镜头组成，每个镜头采用线阵CCD，由此形成四个CCD探测器，所述的四个CCD探测器分别错开半个像元，从而得到不同空间位置的图像，整个成像系统前端配置遮光罩，在中央控制模块及微型驱动电机的驱动下，实现对日随动，遮挡太阳杂散光。

机载数据处理系统对每个相机得到的图像进行拼接，从而得到大视场范围的高分辨率图像，这样就可以在不增加焦平面阵列探测器探测像素总数的情况下，系统的分辨率最大可提高一倍，从而消除探测器因填充因子带来的探测盲区。

实时图像无线传输系统包括机载微型发射机、直流电源、便捷式一体接收机。发射机与成像系统连接，无线传输方式为远程微波图像传输方式，可无线同步传输数据信号和图像信号，所获得的图像实时、连续、无失真；所得的数据准确、可靠。传输距离远(10km～100km)、覆盖范围大、可扩展性强，从而可实现实时高分辨率图像的传输。

本发明专利和现有的成像系统相比，具有如下优点：

(1)可搭载于邻近空间无人机上，具有时效性强、准确度高、范围广、机动灵活、针对性强等特点；

(2)配置对日随动的遮光罩，以避免杂散光对相机阵列成像的影响；

(3)采用相机阵列，通过机载数据处理系统将相机获得的进行图像拼接获得高分辨率图像；

(4)具有图像无线发射机和地面接收机，可将机上获得的图像实时传输到地面接收系统，实现对地面目标的实时监控。

附图说明

图1是临近空间机载地面实时成像系统组成示意图。

图2是临近空间机载地面实时成像系统剖面图，图中1表示卡环，2表示光学窗口，3表示光学相机，4表示成像系统外壳，5表示稳定转台，6表示光学相机的光学镜片组，7表示滤光片，8表示光学相机中的线阵CCD探测器，9表示光学相机中的镜筒。

图3是卡环结构图，卡环用于将窗口玻璃固定在系统外壳中，卡环非常薄，所以对通光孔径只有微小的影响。图中10表示圆形橡胶密封圈，橡胶密封圈作用有两个：一是用于封闭光学系统，二是保护光学窗口玻璃，图中d₁表示卡环的厚度，d₁＝20mm，d₂＝16mm，d₁与d₂之间的厚度为卡槽的厚度，图中R₁表示卡环的外径，R₁＝210mm，R₂＝206mm，R₃＝202mm其中R₁和R₂之间的距离为螺纹的深度，R₂和R₃之间为卡槽，用于辅助卡环的安装，卡环的内径R₄＝200mm。

图4是遮光罩结构原理图，11表示在遮光罩与光学相机连接平面处，用于驱动遮光罩主体对日随动的微型电机安装舱。12表示用于驱动遮光罩面罩的微型驱动电机安装舱。13表示遮光罩底部与驱动微型驱动电机相咬合的齿轮。图中14表示遮光罩面罩，齿轮13与安装于遮光罩底部微型驱动电机的齿轮相咬合，实现由微型电机驱动遮光罩对日360°随动。15表示在遮光罩面罩背面安装驱动电机与遮光罩面罩连接部件的安装舱。

图5是遮光罩面罩结构图，图中14表示遮光罩面罩，15表示在遮光罩面罩背面安装驱动电机与遮光罩面罩连接部件的安装舱。

图6是遮光罩遮光原理图，4表示成像系统外壳，14表示遮光罩面罩，16表示太阳光线。当出现光学载荷与太阳夹角较小时，面罩可以根据计算得到的角度闭合，实现在一定观测视场内目标的探测。

图7是CCD排布方案示意图，图中17表示与光学相机阵列配套的CCD探测器1，18表示与光学相机阵列配套的CCD探测器2，19表示与光学相机阵列配套的CCD探测器3，20表示与光学相机阵列配套的CCD探测器4，其中探测器17-20的像元大小皆为P×P，探测器1与探测器3之间间隔n个像元且横向错开半个像元，探测器1与2在同一水平线上，之间间隔至少为220mm，为光学相机的安装流出余量，探测器2与探测器4之间间隔n+1个像元且横向错开半个像元，探测器3与4也在同一水平线上，之间间隔至少为220mm。

图8是光学相机采样示意图。

图9是图像拼接过程，由光学相机阵列获得的四幅低分辨率图像拼接成一幅高分辨率图像的过程。

图10是数据的无线传输过程。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

下述实施例中，如无特殊说明，均为常规方法。

实施例中使用的各种单位，统一采用国家标准。

实施例1：光学窗口

机载地面实时成像系统组成如图1所示，包括：光学相机阵列、机载数据处理系统利实时传输的图像传输设备，遮光罩安装在成像系统的外壳上，遮光罩顶部安装有可打开及闭合功能的遮光罩面罩。

石英玻璃窗口(光学窗口)组成，为实时调整相机阵列的姿态，避免飞机平台翻转、俯仰、滚动等对相机成像的影响，光学相机、石英玻璃窗口安装在封闭的机械转台上。

光学窗口为成像系统提供了光信号入口，并满足视场要求，系统成像时，成像光线通过光学窗口进入光学系统并成像在CCD成像焦平面上。由于光学相机阵列搭载于临近空间无人机飞行器上，光学窗口要承受气动热冲击力、空气阻力的影响，它的作用是保护内部的光学系统并减少热冲击对内部成像光学系统的影响。由于窗口暴露在复杂环境中，需承受压力、温度等因素的影响，因此需要光学玻璃足够的强度，以避免表面会出现裂纹、损坏窗口，影响光学相机的成像质量，窗口玻璃的厚度满足下式：

$d\≥b{[\frac{\mathrm{\Δp}}{{\mathrm{\σ}}_F}\·\frac{3}{4+8{\left(\frac{b}{a}\right)}^3}]}^{\frac{1}{2}}---\left(1\right)$

式中Δp为内外表面压力差；

σ_F为窗口材料的折断应力；

b为窗口的宽度；

a为窗口的长度。

本专利的光学窗口的材料优选为：石英玻璃，σ_F＝50MPa，尺寸为半径R＝105mm的圆，即a＝b＝210mm，取Δp为一个大气压，经计算d≥14.85mm，故取石英玻璃的厚度为16mm，其中机械支撑结构的前端内壁有内螺纹，通过两个卡环(1)将光学窗口固定在成像系统外壳(4)的内部，一个固定位置，另一个锁紧。卡环结构如图3所示，卡环的直径为210mm，宽度为20mm，有外置的与成像系统外壳相配套的螺纹，内部可放置圆形橡胶密封圈，以保证系统的密封性。

实施例2：光学相机阵列

光学相机阵列由四个相同的光学相机、具体而言，光学相机阵列的结构形式如图2所示。

由于载荷搭载于临近空间无人机飞行器上，距离地面的距离较远，为了能够清晰的获取地面目标的地理信息，因此需要较大的焦距与较大的通光孔径。系统的焦距越长，根据成像原理，目标经过光学系统后成像在探测器上的像就越大，就越容易识别。但是系统的体积与焦距的大小成正比，焦距越长，系统的体积就越大。为此，本发明专利的光学相机中光学镜头的结构形式采用折反式结构，其结构形式如图2所示。折反式系统结构的优点是分辨力高、透射比高、光能损失少等优点，能够将系统的体积压缩至很短，与透射式光学系统相比，系统的长度能够压缩2～3倍，从而极大的减小成像系统的体积，但是会造成光线的遮拦，故单个光学相机的镜头视场角较小，拍摄的地面范围也较小，为了解决这个问题，本专利采用光学相机阵列的结构形式，在提高系统的分辨率的同时，也增大了地面目标的扫描范围。

在镜头的后端加一片滤光镜，光学相机搭载于临近空间无人机飞行器上拍摄地面的目标时，景物不清晰透亮。这是由于临近空间的紫外线较强，且紫外线的干扰以及尘埃和空气介质反光造成影像反差低、边界模糊、清晰度差，所以紫外滤光镜来消除紫外线及反光等影响，提高图片的对比度和清晰度。

本专利的成像系统搭载于临近空间无人机飞行器上，临近空间飞行器主要在平流层(20～25km)、中间大气层(25～50km)和电离层(50～100km)中飞行，其中平流层的大气以水平运动为主(平均速度为10m/s)，无对流；水汽、杂质很少，云雨现象少见；温度恒定，适合飞行器平稳飞行。中间大气层昼夜温差大，由于中间层臭氧聚集较多，白天吸收太阳紫外线比较强烈，因此温度随高度的增加而显著升高，晚上顶部气温可低至160K～190K，有相当强烈的垂直运动。电离层的水平方向风速相当大，在60km的高度，可达140m/s，而且空气更稀薄，其空气质量约占整个大气层的1/(3×10³)，此外电离层空气处于高度电离状态，电离层的变化会影响飞行器的无线电通信。

本发明搭载的无人机飞行器的高度按20km计算，假设成像系统能够分辨0.4m×0.4m的目标，探测器的像元尺寸为10μm×10μm，成像系统的瞬时视场角根据式(1)计算可得0.02mrad。

系统的焦距可由瞬时视场角确定。目标经由透镜成像在像面上，有成像原理有：

$f^{\′}=\frac{d}{\mathrm{IFOV}}---\left(3\right)$

式中d为10μm，由此可计算系统的焦距f＝500mm。

探测器靶面和环境的最低照度、瞄准目标的反射率共同决定了系统的相对孔径，即可由下式表示：

$F\≤\frac{\mathrm{\π\ρ\τE}}{4E^{\′}}---\left(4\right)$

式中F——相对孔径的倒数；

E′——探测器靶面的最低照度，不同类型的探测器靶面最低照度不同；

E——环境最低照度，一般出现在黄昏或者拂晓；

ρ——瞄准的目标反射率；

τ——光学系统的透过率。

根据选定的探测器和攻击目标的特性，就可以确定系统的相对孔径，τ＝0.8，ρ＝0.1，E′＝0.01lx，E2lx，可得F≥6.3，为保证光学相机接收到足够强的地面信号，取其入瞳直径D＝100mm，故本专利光学相机的F＝5。

故每个光学相机的优选技术参数：

焦距：f＝500mm；

入瞳直径：D＝100mm；

系统长度：L≤200mm；

成像质量：MTF≥0.5501p/mm。

光学镜片组(6)采用8片镜片，利用软件进行光学优化并进行公差分析，系统的入瞳直径较大，应该着重校正畸变，保证整个系统在可见光及近红外波段能够很好的校正像差，即满足MTF≥0.5501p/mm。

每个光学相机的光学镜片组(6)安装在一个镜筒(9)中，组装成一个光学相机。光学相机的装配方法：先加热镜筒，增大镜筒的内径，再用橡胶吸盘装拆镜片，其中在装配中留有通气通道，避免系统在气压的变化过程中造成焦面位置的变化。其中优选的，镜筒(9)的直径为110mm，长度为150mm，镜筒材料选择铟钢，-50～100℃范围的平均线膨胀系数低于1.5×10^-6/℃，既保证结构的刚度又避免温度的变化对系统的影响。此外在镜筒中充满氮气，避免系统在高低温交叉环境中使用时镜片内部，影响系统的成像质量。

四个光学相机阵列在直径为230mm的圆形外壳(4)中，其长度为180mm，机械外壳的材料优选为铟钢。成像系统的前端为光学窗口，经由卡环(1)和圆形橡胶密封圈固定在成像系统外壳(4)中。整个光学相机阵列固定在稳定转台(5)上。

光学相机采用的探测器为线阵CCD探测器(8)，并放置在光学系统的成像焦平面上，如图7所示，通过临近空间无人机的飞行，实现对地面目标的扫描，从而得到地面目标的图像，其探测器的技术指标为：

光谱范围：400～1100nm；

像素数：2048；

像元尺寸：10μm×10μm；

动态范围：70dB；

使用温度：-20℃～60℃；

响应度：≤13.8V/(μJ/cm²)。

实施例2：遮光罩

遮光罩安装在成像系统的外壳(4)上，遮光罩顶部安装有可打开及闭合功能的遮光罩面罩(14)，遮光罩结构原理图如图4所示，遮光罩面罩结构图如图5所示，遮光罩遮光原理图如图6所示。

遮光罩与成像系统外壳的主体底部外圈设计为齿轮状(13)，并与安装于遮光罩底部微型驱动电机的齿轮相咬合，实现由微型电机驱动遮光罩对日360°随动。驱动遮光罩主体的微型电机安装在遮光罩与光学相机连接平面处的微型电机安装舱(11)内。微型电机的齿轮数可根据使用需求，选用不同精度的驱动电机而定，其控制输出可由安装于飞机或成像系统上的中央控制模块实现。遮光罩的对日随动方式主要根据机身的姿态、位置、地日关系、成像安装的位置关系及遮光罩面罩的位置关系等信息来确定。根据计算得出的太阳位置信息，按照一定的精度要求，由中央控制模块控制在遮光罩底部的微型电机转动一定的齿数，以遮挡太阳杂散光。此技术在本领域内属于常用技术选择，例如《地球同步轨道随动可展开异形遮光罩技术研究》、《地球同步轨道大口径光学系统随动可展开遮光罩》。

在成像系统的外壳顶部安装有可展开及闭合的遮光罩面罩，面罩上半部分设计为半圆状，其半径与成像系统的外壳圆筒半径相同。下半部分设计为矩形，矩形的长度与遮光罩主体圆筒直径相同，宽度与遮光罩主体圆筒半径相同。面罩下半部分的矩形设计可以进一步增强对太阳杂散光的抑制能力。

面罩的打开和闭合由安装在成像系统的外壳顶部的微型驱动电机带动，采用齿轮方式带动，其精度由使用需求决定，实现0～90°范围内一定角度的打开与闭合调整。由于微型驱动电机安装在遮光罩主体的微型电机安装舱(11)内，通过齿轮咬合驱动遮光罩面罩，为防止遮光罩面罩与主体安装的连接部件带来多余的杂散光，将驱动电机与遮光罩面罩的连接部件安装在遮光罩面罩背面的连接部件安装舱(15)内。

成像系统在正常工作状态下，遮光罩面罩展开，且长边对日，短边背日。当由于机身姿态或成像系统本身光轴指向等发生变化导致出现太阳杂散光时，遮光罩主体将与面罩配合使用，在中央控制模块及微型驱动电机的驱动下，实现对日随动，遮挡太阳杂散光。

成像系统与太阳夹角较小或其它需要保护光学系统的情况时，面罩可以根据计算得到的角度闭合，由于成像系统的光学系统在设计时通常会留有视场余量，即使可能出现光学视场被部分遮挡，但仍可以保证成像系统的连续工作，实现在一定观测视场内目标的探测，避免了成像系统因开关机导致工作时间及寿命的缩短。

此外，遮光罩及面罩采用隔热及降低杂散反射的材料和表面处理，以保证成像质量。

实施例3：图像采集与获得

目标光线通过光学窗口(2)进入相机，将目标聚焦到线阵CCD探测器(8)上，并将光信号转换成电信号；然后经模/数转换器(A/D)转换成数字信号；再由微处理器(MPU)对信号进行压缩并转换成特定的图像文件格式储存在存储卡上，并通过输出接口传输到机载数据处理系统中，将目标信号固化到相机主机板的一个大型的集成电路芯片，在成像过程中对CCD蓄积下的电荷信息进行采集处理，对得到的场景图像进行压缩、显示和存储。相机采用先进的数据采集和处理系统，能够提升成像系统整体的的操作响应速度和运算能力，能够在短时间内处理大量影像数据，进行图像处理和编辑，图像的采集如图8所示。

由于每个探测器获得子图像之间存在空白区域，因此需要提取并重新拼接子图像中有效像素。本发明专利采用的图像获取方法是：首先从通过光学相机阵列后置的感光元件得到四幅子图像，然后对四幅子图像进行特征点提取和匹配计算，确定需拼接的图像之间的重复区域和重复位置，将子图像融合，完成全景图像的拼接，最终得到一幅超分辨率的图像。

多传感器图像融合是将多个不同类型传感器获取的对应同一场景的不同图像数据进行空间配准。在此基础上将各图像数据所含的优势信息进行相互补充，并有机结合起来产生新的、信息含量更大的图像。通过对传感器获得同一场景的图像融合，可克服单一传感器图像在几何、光谱和空间分辨率等方面存在的局限性和差异性，提高图像的质量。

图像拼接的方法很多，不同的算法步骤会有一定差异，但大致的过程是相同的。一般来说，图像拼接主要包括以下五步：

(1)图像预处理。包括数字图像处理的基本操作如去噪、边缘提取、直方图处理等，建立图像的匹模型以及对图像进行傅里叶变换、小波变换等。

(2)图像配准。就是找出待拼接图像中的特征点在参考图像中对应的位置，进而确定两幅图像之间的变换关系。

(3)建立变换模型。根据图像特征之间的对应关系，建立相应的数学模型并模型中的各参数值，从而建立两幅图像的变换模型。

(4)统一坐标变换。根据建立的数学转换模型，将待拼接图像转换到参考图像的坐标系中，完成统一坐标变换。

(5)融合重构。将带拼接图像的重合区域进行融合得到平滑无缝全景图像。

本发明中所使用的拼接技术主要基于：光学相机阵列中的线阵CCD探测器阵列是水平方向错位半个像素，竖直方向上错开的距离为像元大小的整数倍，CCD排布方案如图7所示，假设相机的扫描速度为每次扫1/2个像元，CCD探测器阵列错位排布后，垂直线阵方向的时间采样频率提高一倍，此时获取图像数据信息增加4倍，获取图像分辨率均提高一倍。为使融合后的图像的分辨率提高2倍，故对图像进行处理提高分辨率处理后，再将图像融合。只要黑、白线条的反差足够高，经这种方式重叠起来的图像上可分辨的线条宽度就只有原来像元宽度的1/2，从而得到更高分辨率的图像。对推扫线阵CCD成像系统，如果在成像面上按水平方向和垂直方向均有半个像元的错位排布，可以同时得到四幅低分辨率图像，然后将四幅图像无缝拼接合成实现视场拼接，从而得到一幅完整的高分辨率图像，如图9所示。

上述图像的获得方法属于本领域技术人员的常用选择，例如《基于特征点的全自动无缝图像拼接方法》、《真实场景的图像拼接方法》。

实施例4：温度适应性设计

平流层内气温通常随高度的增高而下降，平均每升高1公里，气温约降低6.5℃。根据大气温度分布可知，平流层20～25km范围内，大气的温度为-50℃～-40℃。

一般设计出的光学是假设在常温下工作的，当系统所处的环境温度发生改变时，光学系统中的所有元件都会随着温度的变化而变化，如玻璃材料折射率、曲率半径、厚度等都会发生变化，继而使系统的像面发生漂移，引起离焦，使成像质量大大降低。为了保证光学系统的成像质量不受温度的影响，需要对系统进行环境适应性设计，从而保证系统在一个较大的温度范围内保持焦距、像质不变或变化很小。常见的设计方法有机械被动式、机电主动式和光学被动式。(1)机械被动式。机械被动式是利用对温度敏感的机械材料或者记忆合金，使一个或一组透镜产生轴向位移，从而补偿由于温度变化引起的像面位移。(2)机电主动式。在系统中加入了热传感器和反馈电路，根据设计过程中温度变化时像面产生的位移关系，当温度变化时，热传感器探测出温度的变化，由反馈电路反馈给机械结构并移动相应的移动量，与机械结构固连的透镜也发生移动，从而补偿温度变化引起像面偏移，这种补偿方法原理简单并且容易实现，但是可靠性低，增加了光学系统的体积和重量，而且成本比较高。(3)光学被动式。它是将不同温度特性的光学玻璃相匹配，校正色差和热差，然后匹配机械结构材料的热膨胀，来消除温度对像质的影响。经过比较机械被动式具有透过率高、可靠性较强等优点，比较适合对体积、重量要求严格，无人干预的场合。上述环境适应性设计方法都属于本领域技术人员的常用选择，例如《红外光学系统的无热化设计》。

本发明专利优选机械被动式的方法对镜头进行环境适应性设计，根据光学设计以及计算仿真的无热化的结果进行结构设计，光路的设计利用CodeV完成，并在软件中编辑宏命令，宏命令中包括玻璃机械结构材料的热膨胀系数、线性膨胀系数以及环境的温度，设定光学系统的变化参量(温度、玻璃材料的温度系数)，然后对光学系统进行优化，选择对温度比较敏感的一个透镜根据温度的变化产生轴向位移，补偿由于温度变化引起的像面位移，此外，利用proE软件对其机械结构进行不同温度下的状态分析，对光学仿真的无热化数据进行修正，以保证仪器在临近空间中-50℃～-40℃范围内正常工作。

实施例4：压缩传感和图像实时传输

目前，机载系统数据记录介质多采用DRAM(动态随机存储器)，每片存储容量较小(只有几百K字节)。因此，对于存储容量一定的机载数据采集存储系统，大量的冗余数据与有限存储容量的矛盾是我们需要解决的一个关键问题。可以说，海量数据存储已经成为高速采集设备发展的瓶颈，解决海量信息存储和处理这一难题的有效手段是采用数据压缩技术。在运用成像系统拍摄场景时，将会得到海量的图像信息，但通过压缩编码后，只对部分信息进行存储和传输，然后通过相应的解压缩算法对原始图像进行重构。因此，采用压缩传感技术，在保证精度的情况下，减小数据规模，进行在线数据压缩存储为了确保采集数据的真实性，使系统可以真实再现试验过程中每个环节，所以在压缩算法的选择中优先选用无损数据压缩，同时作为无损压缩的计算复杂度也比有损压缩要小，采用无损压缩可以减小由于运行压缩程序而附加的计算时间。

成像系统的数据传输与压缩解压缩系统通过工控机利用两条数据传输链路，同时将遥感数据一份存入硬盘，一份传输给遥感数据压缩模块板，进行数据压缩。压缩后的数据通过通讯接口与无人机数据传输设备通讯，实现数据对地传输，这需要两个数据传输接口，一个与机载遥感平台控制板通讯，一个与数据压缩DSP(DigitalSignalingProcessing)板通讯，同时还要与机载遥感平台控制板共用无人机上高速RS422接口下传数据。数据的压缩与传输如图10所示。

图像无线传输系统包括机载微型发射机、直流电源、便捷式一体接收机。本专利中使用的微型发射机和接收机均为一般的发射和接收系统，但是需保证图像的传输距离满足使用要求。发射机与成像系统连接，采用的电源为12VDC；可传速度4800bit，输出功率≥500mW，发射系统与接收系统上安装有2.4G天线；无线传输方式为远程微波图像传输方式，可无线同步传输数据信号和图像信号，所获得的图像实时、连续、无失真，所得的数据准确、可靠。传输距离远(10km～100km)、覆盖范围大、可扩展性强，从而可实现实时高分辨率图像的传输。

便携式一体接收机采用专业防潮箱外形结构，适合野外安装使用，设备采用交流、直流两种供电方式。集液晶显示、电池供电、数据存储、网络传输、各种外接口与一体，具有在野外、室内任何地点即开即用的优势，操作简单、功能齐全，配合前端无线微型发射机使用。设备提供多种接口：包括标准音视频接口、以太网接口(10/100BASE-T自适应)，RS232数据接口和GPS数据接口。

电源部分为外置电源接口，使用时与飞机上的电源连接。此外，外接设备接口包括是各种外部接口，比如USB，各种卡插槽等，方便处理器与成像系统连接，获取存储到本地并传输到地面处理系统。

实施例5：自主保护系统

无人机上加载保护措施，如气球、降落伞，当无人机出现事故时，保护措施能够从载荷舱中弹出，从而保证防止发生事故时，载荷能够很好的保护起来。

此外，发明专利中的光学相机阵列利用相互错开半个像元的线性CCD探测器成像，通过机载数据处理系统将光学相机阵列获得的图像拼接融合以获得高分辨率图像，并实时传输到地面接收站，从而实现地面目标的实时监控，凡是利用本发明专利中成像系统的设计精神所做出的形状、构造以及特征上的等效变化或修饰实现高分辨率的相机，均认为落入本发明专利的保护范围内。

Claims (8)

1.一种临近空间机载地面实时成像系统，所述成像系统搭载到临近空间的无人机上，包括光学相机阵列、机载数据处理系统、实时图像无线传输设系统三个部分。

2.根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于在所述成像系统的外壳顶部安装有遮光罩，遮光罩顶部安装有可打开及闭合功能的遮光罩面罩，遮光罩与成像系统外壳的主体底部外圈设计为齿轮状，并与安装于遮光罩底部微型驱动电机的齿轮相咬合，实现由微型电机驱动遮光罩对日360°随动。

3.根据权利要求1的成像系统，其特征在于图像传输设备将光学相机阵列得到的图像无线传输到地面接收系统，从而实现地面目标的实时监控，所述图像传输系统包括机载微型发射机、直流电源、便捷式一体接收机，其中，发射机与成像系统连接，采用的电源为12VDC；可传速度4800bit，输出功率≥500mW，发射系统与接收系统上安装有2.4G天线；无线传输方式为远程微波图像传输方式，可无线同步传输数据信号和图像信号；系统采用WFM调制方式。

4.根据权利要求1所述的成像系统，包括：卡环，光学窗口，四个结构完全相同的光学相机，成像系统外壳，稳定转台，光学相机的光学镜片组滤光片，对应每个光学相机中的线阵CCD探测器，光学相机中的镜筒。

5.根据权利要求4所述的成像系统，其中光学窗口的材料为石英玻璃，σ_F＝50MPa，尺寸为半径R＝105mm的圆，即窗口的长度和宽度a＝b＝210mm，厚度为16mm，其中机械支撑结构的前端内壁有内螺纹，通过两个卡环将光学窗口固定在成像系统外壳的内部，卡环的直径为210mm，宽度为20mm，有外置的与成像系统外壳相配套的螺纹，内部可放置圆形橡胶密封圈，以保证系统的密封性。

6.根据权利要求4所述的成像系统，所述光学相机的技术参数：

焦距：f＝500mm；

入瞳直径：D＝100mm；

系统长度：L≤200mm；

成像质量：MTF≥0.5501p/mm；

其中，每个光学相机的光学镜片组安装在一个镜筒中，组装成一个光学相机，镜筒的直径为110mm，长度为150mm，镜筒材料选择铟钢，在镜筒中充满氮气。

7.根据权利要求4的成像系统，所述的光学相机采用线性CCD探测器，其特征在于四个线性CCD探测器的像元大小皆为P×P，探测器1与探测器3之间间隔n个像元且横向错开半个像元，探测器1与2在同一水平线上，探测器1与2在同一水平线上，之间间隔至少为220mm，探测器2与探测器4之间间隔n+1个像元且横向错开半个像元，探测器3与4也在同一水平线上，之间间隔至少为220mm。

探测器的技术指标为：

光谱范围：400～1100nm；

像素数：2048；

像元尺寸：10μm×10μm；

动态范围：70dB；

使用温度：-20℃～60℃；

响应度：≤13.8V/(μJ/cm²)。

8.根据权利要求4所述的成像系统，其特征在于：通过所述相机阵列，将每个线阵CCD探测器件接收到的图像无缝拼接起来，形成一幅超高分辨率的图像。