CN107505798B - 基于线性拟合方式的航空遥感器实时匀速斜距调焦方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于线性拟合方式的航空遥感器实时匀速斜距调焦方法和装置。长焦距斜视航空遥感器成像时扫描角度范围一般小于20度，且其对地扫描速度ω为恒速，因此在扫描角度范围内，其斜距离焦量中的正弦和余弦表达式可拟合为线性函数。基于该思想，首先根据对地扫描速度确定离焦量公式中的正弦和余弦表达式的拟合公式，然后根据航空遥感器焦距、载机飞行高度、本次拍照的扫描起始角将斜距离焦量转换为v·t+l的形式，在成像过程中，控制焦面组件以速度v匀速运动，从而对成像过程中由于照相斜距的变化所产生的离焦进行补偿。本发明解决了长焦距大角度斜视航空遥感器需要在成像过程中实时进行斜距调焦的问题。

Description

基于线性拟合方式的航空遥感器实时匀速斜距调焦方法和 装置

技术领域

本发明涉及一种调焦方法和装置，具体用于航空遥感器的调焦方法和装置。

背景技术

航空遥感器对地面目标成像时，受载机环境包括温度、压力和照相距离变化的影响会产生离焦。为保证对地面目标清晰成像，需根据环境变化进行调焦。调焦过程一般安排在非成像阶段，在进行飞行摄影时，要求载机在某一飞行高度范围内保持稳定平飞，航空遥感器首先根据当前温度、压力和照相距离等环境条件完成调焦工作，然后载机继续在此高度范围内保持稳定平飞，此时温度、压力、对地照相距离等变化范围小，所引起的离焦量一般在航空遥感器半焦深范围内，则不需进行调焦，航空遥感器可保持焦面位置不变完成连续拍照任务。上述成像规划过程对短焦垂直成像航空遥感器是行之有效的，但对某些长焦距大角度斜视成像的航空遥感器则无法适用。载机在某一高度保持平飞过程中，可保证环境温度、压力变化范围不大，但由于航空遥感器需进行大角度斜视成像，其成像过程中照相距离的实时变化导致焦面超出半焦深变化范围，引起离焦。因此，该类航空遥感器必须进行成像过程中的实时斜距调焦。

美国KA-112A型航空遥感器采用装载偏心胶片轮的方式实现成像过程中的斜距调焦，在某一确定高度下的任意扫描角度，偏心胶片轮产生的焦距补偿量基本上能够补偿照相斜距变化所产生的离焦量。该类方法通过偏心胶片轮随扫描角度变化所产生的偏心量进行斜距离焦补偿，避免了斜距离焦对成像质量的影响，但是由于偏心胶片轮只能针对某一固定高度设计偏心量，因此若实际工作高度同该固定高度偏差较大，在成像过程中凸轮运动所产生的离焦补偿量同实际离焦量存在偏差，当该偏差超出半焦深时，仍需对焦面位置进行增量调整，这种突发式的增量调整方式不可避免地会对焦面产生位移，调整过程中对成像质量产生影响。此外，对于无法采用偏心轮方式的航空遥感器，则无法采用上述方法实现斜距调焦。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于线性拟合方式的航空遥感器实时匀速斜距调焦方法，同时提供了该类斜距调焦方法的实现装置，从而解决了航空遥感器对地面目标实时成像时照相斜距变化引起的离焦问题，保证了成像的清晰度。

本发明提供一种基于线性拟合方式的航空遥感器实时匀速斜距调焦方法，所述航空遥感器对地扫描速度为恒速；

所述航空遥感器由斜距变化引起的离焦量Δf为：

其中：f为航空遥感器焦距，H为载机飞行高度，ω为航空遥感器对地扫描速度，θ₀为扫描起始角，t为成像时间；

在所述航空遥感器的扫描角度范围内分别将公式中的正弦表达式sinωt和余弦表达式cosωt拟合为线性函数，则由斜距变化引起的离焦量Δf为：

其中正弦表达式sinωt拟合后的线性函数为：a₁t+b₁，余弦表达式cosωt拟合后的线性函数为：a₂t+b₂；

设定则由斜距变化引起的离焦量Δf为：

Δf＝v·t+l

将v作为航空遥感器调焦装置中焦面组件的运动速度，l作为焦面组件的初始位置；

所述航空遥感器扫描成像前，先控制所述焦面组件运动至其初始位置，然后在扫描成像过程中，控制焦面组件以速度v匀速移动，直至航空遥感器扫描角度达到其扫描结束角，由此实时补偿由斜距变化引起的离焦量。

此外本发明还提供了一种基于线性拟合方式的航空遥感器实时匀速斜距调焦装置，所述航空遥感器对地扫描速度为恒速；

所述斜距调焦装置包括：控制单元、步进电机和焦面组件；所述控制单元用于向所述步进电机发送控制所述焦面组件运动的控制指令；

航空遥感器扫描成像前，所述控制单元通过所述步进电机控制焦面组件运动至其初始位置；然后在扫描成像过程中，所述控制单元通过步进电机控制焦面组件以速度v匀速移动，进行实时斜距调焦；同时在扫描成像过程中，所述控制单元实时监测航空遥感器的扫描角度，当航空遥感器扫描角度达到设定的扫描结束角时，所述控制单元通过步进电机控制焦面组件停止运动；

焦面组件初始位置及速度v为所述控制单元依据其内部预存的航空遥感器的扫描起始角θ₀、航空遥感器焦距f、航空遥感器对地扫描速度ω和载机飞行高度H通过下述公式获得：

焦面组件的运动速度v为：

焦面组件的初始位置l为：

其中：a₁和b₁分别为正弦表达式sinωt在所述航空遥感器的扫描角度范围内线性拟合后的函数a₁t+b₁中的斜率和常数项；a₂和b₂分别为余弦表达式cosωt在所述航空遥感器的扫描角度范围内线性拟合后的函数a₂t+b₂中的斜率和常数项。

作为本发明的一种优选方式，在所述步进电机与所述焦面组件之间设置有减速机构。

作为本发明的一种优选方式，所述控制单元能够实时记录航空遥感器载机的飞行高度，以所记录的实际的工作高度计算焦面组件的运动速度和焦面组件的初始位置。

有益效果：

本发明应用于航空遥感器成像过程中完成实时的距离调焦任务，解决了长焦距大角度斜视航空遥感器需要在成像过程中实时进行斜距调焦的问题。由于焦面组件在成像过程中采用匀速运动的方式，因此其运动对像面的影响同采用偏心胶片轮运动的方式对像面的影响程度接近，对于由于机械尺寸限制等原因无法安装偏心胶片轮的航空应用，提供了一种有效的实时距离调焦方法。

附图说明

图1实时匀速距离调焦装置的原理框图。

图2实时匀速距离调焦方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

实施例1：

本实施例提供一种基于线性拟合方式的航空遥感器实时匀速斜距调焦方法，能够有效解决长焦距大角度斜视航空遥感器需要在成像过程中实时进行斜距调焦的问题。

根据光学成像的几何关系，对于斜视扫描成像的航空遥感器，满足如下表达式：

式中：f：航空遥感器焦距；H：载机飞行高度；θ：斜视成像角度(以水平面为基准轴)；Δf：斜距变化引起的离焦量。

实时的斜视成像角为：

θ＝ωt+θ₀(2)

式中：ω：航空遥感器扫描速度；θ₀：扫描起始角；t：成像时间。

对于长焦距的航空遥感器，f>>△f，因此，根据公式(1)和公式(2)，由斜距变化引起的离焦量Δf为：

进一步展开后，得到：

由于长焦距大角度斜视航空遥感器单条带扫描角度范围一般小于20度，且其对地扫描速度ω为恒速，因此公式(4)中的正弦表达式sinωt和余弦表达式cosωt在其扫描角度范围内可拟合为线性函数。基于上述思想，基于线性拟合方式的航空遥感器实时匀速斜距调焦方法如图2所示，包括如下步骤：

步骤一：根据对地扫描速度和扫描范围对上述公式(4)中的正弦表达式sinωt和余弦表达式cosωt进行线性拟合：

将以扫描速度ω为参量的正弦表达式sinωt和余弦表达式cosωt拟合为线性函数，正弦表达式sinωt拟合后为：

a₁t+b₁(5)

余弦表达式cosωt拟合后可表示为：

a₂t+b₂(6)

本实施例中航空遥感器对地恒定扫描速度为4.1°/s，其焦距为2500m，半焦深为0.0466mm，航空成像时，载机飞行高度为10000m，每条带成像的扫描起始角为4°，扫描范围为4°～20°。

则正弦表达式sinωt拟合后为0.07067t+0.0007688，余弦表达式cosωt拟合后-0.01018t+1.007。

根据公式(4)、公式(5)和公式(6)，由斜距变化引起的离焦量Δf可变换为线性函数，其表达式为：

设定则公式(7)可表示为：

Δf＝v·t+l (8)

将v作为航空遥感器调焦装置中焦面组件的运动速度，l作为焦面组件的初始位置(相对于焦面组件零位的位置)。将焦面组件运动到初始位置，控制焦面组件从初始位置起以速度v运动时便可补偿由斜距变化引起的离焦量(由于离焦量和速度均是矢量，控制焦面组件的运动方向根据计算出的结果的正负来确定)。

步骤二：根据已知的扫描起始角θ₀、航空遥感器焦距f和载机飞行高度H确定焦面组件运动速度v；由于本实施例中扫描起始角θ₀为4°、扫描结束角为20°、航空遥感器焦距f为2500mm、载机飞行高度H为10000m，则航空遥感器调焦装置中焦面组件运动速度为v＝0.0436mm/s，焦面组件的零位位置l＝0.04438mm。

步骤三：根据步骤二中获得的焦面组件运动速度v计算用于驱动焦面组件运动的步进电机的运动速度：

本实施例中步进电机通过减速机构来驱动焦面组件，使其以速度v匀速移动，已知步进电机步距角(0.9°)、减速机构速比(步进电机转动360°对应焦面组件运动0.5mm)确定步进电机的运动速度为34.89步/s；

步骤四：驱动步进电机控制焦面组件从其零位位置运动至所计算的初始位置l；

步骤五：条带扫描成像开始时，航空遥感器从扫描起始角4°位置以对地恒定速度4.1°/s启动横向条带扫描成像，在扫描成像过程中，控制步进电机以34.89步/s的速度匀速运动以保证焦面组件能够以速度v匀速移动，直至航空遥感器扫描角度达到扫描结束角20°，本条带成像结束；

步骤六：航空遥感器一个条带成像结束后，进入回位阶段，为下一个条带成像做准备，回位阶段为非成像阶段，驱动步进电机控制焦面组件运动至其零位位置，待下一条带成像开始时，重复上述过程完成实时的离焦补偿。

实施例2

实时匀速斜距调焦如图1所示包括：微处理器、功率放大器、步进电机、减速机构和焦面组件。其中步进电机用于在微处理器的控制下通过减速机构控制焦面组件运动。具体为：航空成像时，微处理器经功率放大器将控制信号发送给步进电机，步进电机经过减速机构首先控制焦面组件运动至其初始位置；然后在扫描成像过程中，通过控制步进电机匀速运动以保证焦面组件以所计算的速度v匀速移动，直至航空遥感器扫描角度达到扫描结束角，本条带成像结束。使用减速机构是为了使步进电机到焦面组件间存在速比，控制精度更高。

航空遥感器一个条带成像结束后，进入回位阶段，为下一个条带成像做准备，在非成像阶段，微处理器再次驱动步进电机控制焦面组件运动至其零位位置，待下一条带成像开始。

此外，微处理器实时记录载机飞行的高度信息，以所记录的实际的工作高度计算焦面组件的运动速度和焦面组件的初始位置，以保证斜距调焦的准确性。

微处理器实时记录当前的扫描角信息，当航空遥感器扫描角度达到其设定的扫描结束角时，向步进电机发送停止指令，控制步进电机停止运动，本条带成像结束。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于线性拟合方式的航空遥感器实时匀速斜距调焦方法，其特征在于，所述航空遥感器对地扫描速度为恒速；

所述航空遥感器由斜距变化引起的离焦量Δf为：

其中：f为航空遥感器焦距，H为载机飞行高度，ω为航空遥感器对地扫描速度，θ₀为扫描起始角，t为成像时间；

在所述航空遥感器的扫描角度范围内分别将公式中的正弦表达式sinωt和余弦表达式cosωt拟合为线性函数，则由斜距变化引起的离焦量Δf为：

其中正弦表达式sinωt拟合后的线性函数为：a₁t+b₁，余弦表达式cosωt拟合后的线性函数为：a₂t+b₂；

设定则由斜距变化引起的离焦量Δf为：

Δf＝v·t+l

将v作为航空遥感器调焦装置中焦面组件的运动速度，l作为焦面组件的初始位置；

所述航空遥感器扫描成像前，先控制所述焦面组件运动至其初始位置，然后在扫描成像过程中，控制焦面组件以速度v匀速移动，直至航空遥感器扫描角度达到其扫描结束角，由此实时补偿由斜距变化引起的离焦量。

2.基于线性拟合方式的航空遥感器实时匀速斜距调焦装置，其特征在于，所述航空遥感器对地扫描速度为恒速；

所述斜距调焦装置包括：控制单元、步进电机和焦面组件；所述控制单元用于向所述步进电机发送控制所述焦面组件运动的控制指令；

航空遥感器扫描成像前，所述控制单元通过所述步进电机控制焦面组件运动至其初始位置；然后在扫描成像过程中，所述控制单元通过步进电机控制焦面组件以速度v匀速移动，进行实时斜距调焦；同时在扫描成像过程中，所述控制单元实时监测航空遥感器的扫描角度，当航空遥感器扫描角度达到设定的扫描结束角时，所述控制单元通过步进电机控制焦面组件停止运动；

焦面组件初始位置及速度v为所述控制单元依据其内部预存的航空遥感器的扫描起始角θ₀、航空遥感器焦距f、航空遥感器对地扫描速度ω和载机飞行高度H通过下述公式获得：

焦面组件的运动速度v为：

焦面组件的初始位置l为：

其中：a₁和b₁分别为正弦表达式sinωt在所述航空遥感器的扫描角度范围内线性拟合后的函数a₁t+b₁中的斜率和常数项；a₂和b₂分别为余弦表达式cosωt在所述航空遥感器的扫描角度范围内线性拟合后的函数a₂t+b₂中的斜率和常数项。

3.如权利要求2所述的基于线性拟合方式的航空遥感器实时匀速斜距调焦装置，其特征在于，在所述步进电机与所述焦面组件之间设置有减速机构。

4.如权利要求2或3所述的基于线性拟合方式的航空遥感器实时匀速斜距调焦装置，其特征在于，所述控制单元能够实时记录航空遥感器载机的飞行高度，以所记录的实际的工作高度计算焦面组件的运动速度和焦面组件的初始位置。