CN105737803B - 航空双面阵立体测绘系统 - Google Patents
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Abstract
航空双面阵立体测绘系统，涉及一种双面阵立体测绘系统传统，解决现有测绘系统存在数据传输及处理复杂以及摄影胶片资源受限等问题，包括前视相机、后视相机、飞行平台及夹角监视系统；所述飞行平台负责整个平台的供电、遥测和遥控；所述前视相机和后视相机包含在一个统一的框架内，并且前视相机和后视相机的光学系相互独立，每台相机由光机组件、调焦组件、像面组件和时序控制及数据处理器组成；所述夹角监视系统由光源组件、夹角监视光机组件、像面组件和时序控制及数据处理器组成，本发明保留画幅相机和线阵相机的优点，摒弃画幅相机和线阵相机的缺点，提高了测绘精度。
Description
技术领域
本发明是一种双面阵立体测绘系统，具体涉及一种基于航空平台的可实现大比例尺立体测绘的双面阵立体测绘系统。
背景技术
传统画幅式相机具有对飞行器姿态稳定度要求相对不高的优点，但是不能实时传输，摄影胶片资源有限，数据处理不方便等缺点。现代的线阵相机具有实时传输，不受摄影胶片资源限制，数字图像容易储存处理等优点，但是对飞行器姿态稳定度要求相对较高。
发明内容
本发明为解决现有测绘系统存在数据传输及处理复杂以及摄影胶片资源受限等问题，提供一种航空双面阵立体测绘系统。
航空双面阵立体测绘系统，包括前视面阵相机、后视面阵相机、飞行平台及夹角监视系统以及时序控制及数据处理器；所述飞行平台负责整个平台的供电、遥测和遥控；所述前视面阵相机和后视面阵相机包含在一个统一的框架内，并且前视面阵相机和后视面阵相机的光学系统相互独立，前视面阵相机由前视光学系统、前视调焦组件和前视像面组件组成；后视面阵相机由后视光学系统、后视调焦组件和后视像面组件组成；通过夹角监视系统检测前视光学系统和后视光学系统的夹角变化值；
所述夹角监视系统由前视目标发生器、前视探测器、后视目标发生器、后视探测器、四个转角棱镜和四个小反射镜组成，
所述前视目标发生器和前视探测器设置在前视面阵相机的两侧，后视目标发生器和后视探测器设置在后视面阵相机的两侧；
前视目标发生器从前视面阵相机像面边缘发出的光线经第一小反射镜反射后进入前视光学系统，经前视光学系统后经过第一转角棱镜和第二转角棱镜反射后进入后视光学系统，再经第二小反射镜反射后在后视面阵相机像面边缘的后视探测器成像；后视目标发生器从后视面阵相机像面边缘发出的光线经第三小反射镜反射后进入后视光学系统，经后视光学系统后经过第三转角棱镜和第四转角棱镜反射后进入前视光学系统，再经第四小反射镜反射后在前视面阵相机像面边缘的前视探测器成像；
所述时序控制及数据处理器产生时序控制信号控制前视像面组件和后视像面组件中的面阵图像传感器工作，并对前视调焦组件和后视调焦组件进行控制，使前视像面组件和后视像面组件处于焦面位置；
地面的景物经前视光学系统和后视光学系统后对应成像在前视像面组件和后视像面组件的面阵图像传感器上，所述面阵图像传感器输出的双面阵数字图像数据经时序控制及数据处理器进行调理后输出到数据存储计算机；夹角监视系统输出作为判断前视光学系统和后视光学系统的夹角变化值依据的图像，送入时序控制及数据处理器后进行质心的计算，所述数据存储计算机根据计算结果，采用框幅相片理论对获取的双面阵数字图像数据进行平差，获得立体测绘图像；
所述前视光学系统和后视光学系统的结构相同，两光学系统光轴平行且与地面垂直，即两光学系统的焦面平行，构建平坦像面，所述前视光学系统和后视光学系统中视轴和光轴夹角β为前视光学系统和后视光学系统交会角φ的一半，
用公式表示为：要求2tgβ＞0.4，所述前视光学系统和后视光学系统交会角φ为前视光学系统和后视光学系统视轴的夹角；
所述前视光学系统和后视光学系统在二维方向的视场角ω＝2θ×2γ，γ为沿轨视场角，θ为穿轨视场角，转角棱镜的转角p为(90-γ)°。
本发明的有益效果：
1、本发明所述的测绘系统在航空测绘应用中取消IMU(Inertial measurementunit，惯性测量单元)的使用，可应用于无地面控制点或者难以布设地面控制点的应用；
2、本发明所述的测绘系统在航空测绘应用中可取消使用激光测距机和高精度姿态测量的要求。
3、本发明所述的立体测绘测绘系统，可针对突发情况进行应急测绘，产生应急测绘产品。
4、本发明采用大离轴角离轴三反光学系统实现平坦像面且实现较大的基高比，可获得很高的测绘精度。
附图说明
图1为本发明所述的航空双面阵立体测绘系统的结构示意图；
图2为本发明所述的航空双面阵立体测绘系统对地拍摄的原理示意图；
图3为采用本发明所述的航空双面阵立体测绘系统成像的条带影像示意图；
图4为现有同轴双面阵立体测绘光学系统的成像原理示意图；
图5为本发明所述的航空双面阵立体测绘系统的光学系统示意图；
图6为本发明所述的航空双面阵立体测绘系统中夹角监视系统的结构示意图；
图7为夹角监视系统中穿轨视场角示意图；
图8为夹角监视系统中沿轨视场角转角示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1至图8说明本实施方式，航空双面阵立体测绘系统，包括前视相机和后视相机共两台相机、飞行平台及夹角监视系统以及时序控制及数据处理器；飞行平台负责整个平台的供电、遥测和遥控。两台相机在的光学系统是独立的，在结构系统上采用一体化设计，包含在一个统一的框架内，更好的满足结构稳定性。前视面阵相机由前视光学系统、前视调焦组件和前视像面组件组成；后视面阵相机由后视光学系统、后视调焦组件和后视像面组件组成；
所述时序控制及数据处理器产生时序控制信号不仅可使像面组件中的面阵图像传感器工作，还可对调焦组件进行控制，使像面组件处于理想的焦面位置。地面的景物经前视和后视光光学系统后成像在像面组件的面阵图像传感器上，面阵图像传感器输出的数字图像数据经时序控制及数据处理器进行输出调理后输出到数据存储计算机。夹角监视系统检测前视光学系统和后视光学系统的夹角送入时序控制及数据处理器后进行质心的计算，最终计算前视和后视光学系统的夹角变化值。
本实施方式所述的前视光学系统和后视光学系统采用相同光学系统，两光学系统光轴平行、垂直对地，视轴交会角即为两离轴角之和，也就是每相机的视轴和光轴夹角(离轴角)β为视轴交会角φ的一半，也就是：
同时为保证测绘应用中最够的基高比，则要求2tgβ＞0.4。
本实施方式所述的夹角监视系统由前视目标发生器、前视探测器、后视目标发生器、后视探测器、四个转角棱镜和四个小反射镜组成；
所述前视目标发生器和前视探测器设置在前视面阵相机的两侧，后视目标发生器和后视探测器设置在后视面阵相机的两侧；前视面阵相机像面边缘的前视目标发生器发出光束，后视面阵相机像面边缘的后视探测器进行接收，后视面阵相机像面边缘的后视目标发生器发出光束，前视面阵相机像面边缘的前视探测器进行接收，结合图6，两台相机的检测光路互为参考，
具体为：前视面阵相机像面边缘的前视目标发生器从像面边缘发出的光线经第一小反射镜进入前视光学系统，经前视光学系统后经过两个转角棱镜反射后进入后视光学系统，经后视光学系统、第二小反射镜后在后视面阵相机像面边缘的后视探测器成像，
后视面阵相机像面边缘的后视目标发生器发出光线经第三小反射镜进入后视光学系统，经后视光学系统后经过两个转角棱镜反射后进入前视光学系统，经前视光学系统、第四小反射镜后在前视面阵相机像面边缘的前视探测器进行接收。
所述的后视面阵相机的后视目标发生器的发光点与前视面阵相机像面边缘的成像点为共轭关系。对成像点进行适当的离焦，既不会与相机面阵产生干涉又避免了成像点能量集中度过高引起面阵图像传感器饱和。通过观察面阵图像传感器离焦像质心的相对位移，就可以监视两相机的相对位置变化。
光学系统在二维方向的视场角ω＝2θ×2γ。如图7所示，由于使用视场边缘作为检测监视区，让两转角棱镜相对前视和后视光学系统镜像，经相机光学系统准直的平行光束具有γ的沿轨视场角，θ为穿轨视场角，如果采用传统的棱镜进行转角，光线偏折角为90°，经过转角后光线不能沿同一视场进入另一台相机，不能实现夹角检测。因此在传统棱镜的基础上进行重新构造，调整棱镜的各角角度，如图8所示，重新构造的棱镜转角p为(90-γ)°，通过两个镜像放置的棱镜就可以实现夹角检测光路，同时仍满足棱镜旋转后光线偏折角一直保持不变的光学特性。
本实施方式中的光学系统采用大离轴角离轴光学系统设计构建平坦像面的双面阵立体测绘系统。结合图2，依靠面阵推扫成像，形成具有画幅特征的系列立体像对，并形成由画幅系列构成的条带影像，结合图3，每个面阵影像的重叠区域，可形成连接点校正模型扭曲。区别于线阵推扫，双面阵推扫具有画幅式相机优势，且较单纯画幅式相机更容易实现大的基高比。
若采用如图4所示的传统的同轴光学系统，则光轴和视轴重合，大面阵图像传感器的焦面垂直于光轴，则前视和后视的面阵图像传感器不平行，不够构建平坦像面，且获取的面阵图像在不同区域的分辨率不同，不能按照等效框幅相片理论进行外方位元素的整体平差，失去了面阵图像几何保真度高的优势。
若采用传统的离轴光学系统可获得固定的离轴角，但传统的离轴三反光学系统离轴角都较小，不能满足立体测绘的视轴交会角要求。
本实施方式参考返回式面阵相机和航空摄影测量的相关理论和技术规范要求，像片间重叠部分是保证立体观测和像片连接用的。传统的单面阵框幅式摄影测量中，为便于立体模型的连接和选择公共的定向点，在航向方向必须要有三张相邻像片的公共重叠部分，而双面阵立体相机获取的条带影像关系结合图3，在其摄影过程中，前视或后视相机独立获取的相邻像片应该存在一定的重叠度，保证该条带影像之间的连接性。同时，前视与后视影像构成的立体模型重叠度与前视或后视相机单幅影像重叠度一样。所以考虑到像片边缘的影像不够清晰和存在较大变形，选点范围离像片边缘不小于旁向像幅的20％，所以航向重叠度选择20％即可。
本实施方式为保证足够的幅宽，要求面阵图像传感器像元尺寸为a分辨率为m×n(m≥n﹥0，m为垂直推扫方向的像素数)，具有高灵敏度、高动态，有全局快门模式。对于TDI工作方式，要求在最小行周期时间thmin内可实现一次曝光操作，要么将曝光产生的电荷转移出，要么能在传感器内部实现快速存储；可实现的连续曝光次数不低于16次；在分辨率为m×n的情况下，图像传输器可实现的帧频不低于根据图像传感器分辨率、像元尺寸和飞行器速高比决定的最低帧频ffmin，也就是在最大帧周期tfmax的时间内需要将多次连续TDI曝光的电荷都传输到片外。
面阵图像传感器的最佳行周期时间为：
面阵图像传感器的最大帧周期为：
式中η为前视面阵相机或后视面阵相机中单台相机在连续推扫摄像过程中，相邻两幅图像的重叠率，0＜η≤0.2，V为飞行器的航行速度，H为飞行高度，f为光学系统的焦距。
本实施方式所述的前视和后视光学系统采用大离轴角离轴三反系统；像面组件中的图像传感器采用长光辰芯公司的全局快门的CMOS图像传感器；时序控制及数据处理器采用virtex 6的FPGA，调焦组件主要包含调焦电机和编码器。
Claims (5)
1.航空双面阵立体测绘系统，包括前视面阵相机、后视面阵相机、飞行平台及夹角监视系统以及时序控制及数据处理器；所述飞行平台负责整个平台的供电、遥测和遥控；其特征是，所述前视面阵相机和后视面阵相机包含在一个统一的框架内，并且前视面阵相机和后视面阵相机的光学系统相互独立，前视面阵相机由前视光学系统、前视调焦组件和前视像面组件组成；后视面阵相机由后视光学系统、后视调焦组件和后视像面组件组成；
所述夹角监视系统由前视目标发生器、前视探测器、后视目标发生器、后视探测器、四个转角棱镜和四个小反射镜组成，
所述前视目标发生器和前视探测器设置在前视面阵相机的两侧，后视目标发生器和后视探测器设置在后视面阵相机的两侧；
前视目标发生器从前视面阵相机像面边缘发出的光线经第一小反射镜反射后进入前视光学系统，经前视光学系统后经过第一转角棱镜和第二转角棱镜反射后进入后视光学系统，再经第二小反射镜反射后在后视面阵相机像面边缘的后视探测器成像；
后视目标发生器从后视面阵相机像面边缘发出的光线经第三小反射镜反射后进入后视光学系统，经后视光学系统后经过第三转角棱镜和第四转角棱镜反射后进入前视光学系统，再经第四小反射镜反射后在前视面阵相机像面边缘的前视探测器成像；
所述时序控制及数据处理器产生时序控制信号控制前视像面组件和后视像面组件中的面阵图像传感器工作，并对前视调焦组件和后视调焦组件进行控制，使前视像面组件和后视像面组件处于焦面位置；
地面的景物经前视光学系统和后视光学系统后对应成像在前视像面组件和后视像面组件的面阵图像传感器上，所述面阵图像传感器输出的双面阵数字图像数据经时序控制及数据处理器进行调理后输出到数据存储计算机；夹角监视系统输出作为判断前视光学系统和后视光学系统的夹角变化值依据的图像，送入时序控制及数据处理器后进行质心的计算，所述数据存储计算机根据计算结果，采用框幅相片理论对获取的双面阵数字图像数据进行平差，获得立体测绘图像；
所述前视光学系统和后视光学系统的结构相同，两光学系统光轴平行且与地面垂直，即两光学系统的焦面平行，构建平坦像面，所述前视光学系统和后视光学系统中视轴和光轴夹角β为前视光学系统和后视光学系统交会角φ的一半，用公式表示为：
要求2tgβ＞0.4，所述前视光学系统和后视光学系统交会角φ为前视光学系统和后视光学系统视轴的夹角；
所述前视光学系统和后视光学系统在二维方向的视场角ω＝2θ×2γ，γ为沿轨视场角，θ为穿轨视场角，转角棱镜的转角p为(90-γ)°。
2.根据权利要求1所述的航空双面阵立体测绘系统，其特征在于，所述前视目标发生器的发光点与后视探测器的成像点共轭；后视目标发生器的发光点与前视探测器的成像点共轭。
3.根据权利要求1所述的航空双面阵立体测绘系统，其特征在于，所述第一转角棱镜、第二转角棱镜相对前视光学系统和后视光学系统镜像，第三转角棱镜、第四转角棱镜相对前视光学系统和后视光学系统镜像。
4.根据权利要求1所述的航空双面阵立体测绘系统，其特征在于，所述前视像面组件和后视像面组件中的面阵图像传感器像元尺寸为a，分辨率为m×n，所述m为垂直推扫方向的像素数，且m≥n﹥0；
对于TDI工作方式，要求在最小行周期时间thmin内实现一次曝光操作，实现的连续曝光次数大于等于16次；
所述面阵图像传感器的最小行周期时间thmin为：
面阵图像传感器的最大帧周期tfmax为：
面阵图像传感器的最低帧频ffmin为：
式中，η为前视面阵相机或后视面阵相机中单台相机在连续推扫摄像过程中，相邻两幅图像的重叠率，0＜η≤0.2，V为飞行器的航行速度，H为飞行高度，f为光学系统的焦距。
5.根据权利要求1所述的航空双面阵立体测绘系统，其特征在于，所述的前视光学系统和后视光学系统采用大离轴角离轴三反光学系统。
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