CN108469253B - 多设备协同成像系统及成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多设备协同成像系统及成像方法。该成像系统包括任务子系统和多个成像子系统；任务子系统与最近邻的成像子系统进行通信，各成像子系统均与相邻的成像子系统进行通信。本发明采用多设备互相通信，只需一台成像子系统与任务子系统通信获取目标或目标区域引导信息，并进行成像，其他成像子系统根据相邻最近成像子系统及自身姿态、位置进行坐标关系运算，调整自身姿态，实现对目标的多角度成像。

Description

多设备协同成像系统及成像方法

技术领域

本发明涉及一种多设备协同成像系统及成像方法。

背景技术

针对目标区域的成像任务一般需要技术人员提前测量观测点位置，并需要将设备调平，然后由单成像设备进行成像。单成像设备成像范围有限，通常无法实现大范围成像；当目标区域较大时，甚至只能观测到目标区域的局部图像信息，而无法获取全方位的图像信息。

采用多成像设备共同工作的方式，成像设备各自根据任务引导信息独立完成成像任务，可以克服单成像设备成像范围有限的缺陷。但是各成像设备均需要从引导设备获取目标区域引导信息，增加了引导设备的复杂度；而且各成像设备均需要技术人员参与现场操作，自动化程度较低，容易出现失误，效率较低，增加了人力成本。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种多设备协同成像系统及成像方法。

本发明的技术解决方案是：一种多设备协同成像系统，其特殊之处在于：包括任务子系统和多个成像子系统；任务子系统与最近邻的成像子系统进行通信，各成像子系统均与相邻的成像子系统进行通信；

所述任务子系统包括任务子系统电子学模块，所述任务子系统电子学模块用于采集并向最近邻的成像子系统发送目标引导信息及任务子系统位置信息；

所述成像子系统包括成像子系统电子学模块、转台模块、成像模块和POS模块；所述POS模块安装于成像模块上，POS模块用于测量成像模块的姿态和位置信息；所述成像模块安装于转台模块上，成像模块用于对目标成像；所述转台模块用于在成像子系统电子学模块的控制下调整成像模块的姿态；所述成像子系统电子学模块用于接收相邻的任务子系统或相邻的成像子系统发送的信息，并向相邻的成像子系统发送目标引导信息及自身的成像子系统位置信息。

进一步地，上述任务子系统还包括与任务子系统电子学模块相连的任务计算机，所述任务计算机用于成像任务规划及控制。

进一步地，上述成像子系统还包括与成像子系统电子学模块相连的控制计算机，所述控制计算机用于显示相邻的任务子系统和/或成像子系统的状态信息以及自身的状态信息。

进一步地，上述目标引导信息包括任务子系统或成像子系统与目标或目标区域的距离、方位指向和俯仰指向信息。

进一步地，上述任务子系统位置信息包括任务子系统的经度、纬度和高度信息。

进一步地，上述成像子系统位置信息包括成像子系统的经度、纬度和高度信息。

本发明还提供一种多设备协同成像方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)将各成像子系统分布于任务规划的可对目标成像的位置；

2)任务子系统A0将采集到的目标引导信息S0和自身的位置信息N0发送至最近邻的成像子系统A1；

3)成像子系统A1采集自身的位置信息N1，然后根据采集到的位置信息N1以及接收到的目标引导信息S0和位置信息N0计算目标引导信息S1；

4)成像子系统A1根据目标引导信息S1对成像模块进行方位指向和俯仰指向的姿态调整，调整完成后，成像模块对目标进行成像；同时，成像子系统A1将目标引导信息S1和位置信息N1发送至相邻的下一个成像子系统A2；

5)采用与步骤3)至步骤4)相同的方式对成像子系统A2的成像模块以及其他成像子系统的成像模块依次进行姿态调整并依次对目标进行成像。

本发明的有益效果在于：

本发明采用多设备互相通信，只需一台成像子系统与任务子系统通信获取目标或目标区域引导信息，并进行成像，其他成像子系统根据相邻最近成像子系统及自身姿态、位置进行坐标关系运算，调整自身姿态，实现对目标的多角度成像。

附图说明

图1为本发明多设备协同成像系统的较佳实施例整体结构示意图。

图2为本发明多设备协同成像系统的成像子系统结构示意图。

图3为本发明对点目标成像的姿态解算图。

图4为本发明对面目标成像的姿态解算图。

其中，附图标记为：1-任务计算机，2-任务子系统电子学模块，3-成像子系统电子学模块，4-转台模块，5-成像模块，6-POS模块，7-控制计算机。

具体实施方式

参见图1，本发明为一种多设备协同成像系统，其较佳实施例的结构包括任务子系统A0和多个成像子系统A1、A2……；任务子系统A0与最近邻的成像子系统A1进行通信，各成像子系统均与相邻的成像子系统进行通信。

任务子系统A0包括任务子系统电子学模块2和与任务子系统电子学模块2相连的任务计算机1，任务计算机1用于成像任务规划及控制，任务子系统电子学模块2用于采集并向最近邻的成像子系统A1发送目标引导信息及任务子系统的位置信息；目标引导信息包括与目标或目标区域的距离、方位指向和俯仰指向信息，任务子系统位置信息包括任务子系统的经度、纬度和高度信息。

参见图2，成像子系统包括成像子系统电子学模块3、转台模块4、成像模块5、POS模块6以及与成像子系统电子学模块3相连的控制计算机7，控制计算机7用于显示相邻的任务子系统和/或成像子系统的状态信息以及自身的状态信息。POS模块可以选用高精度姿态、位置测量传感器，安装于成像模块上用于采集成像模块的姿态和方位信息；成像模块5可以选用高分辨率相机，如可见光相机或红外相机，安装于转台模块4上用于对目标成像；转台模块4可以选用高精度二维转角设备，用于在成像子系统电子学模块3的控制下调整成像模块5的姿态，具体分为方位、俯仰自由度；成像子系统电子学模块3用于接收相邻的任务子系统或相邻的成像子系统发送的信息，并向相邻的成像子系统发送目标引导信息及自身的成像子系统位置信息。成像子系统位置信息包括成像子系统的经度、纬度和高度信息。

基于本发明多设备协同成像系统的成像方法主要包括以下步骤：

1)将各成像子系统分布于任务规划的可对目标成像的位置；

2)任务子系统A0将采集到的目标引导信息S0和自身的位置信息N0发送至最近邻的成像子系统A1；

3)成像子系统A1采集自身的位置信息N1，然后根据采集到的位置信息N1以及接收到的目标引导信息S0和位置信息N0计算目标引导信息S1；

4)成像子系统A1根据目标引导信息S1对成像模块进行方位指向和俯仰指向的姿态调整，调整完成后，成像模块对目标进行成像；同时，成像子系统A1将目标引导信息S1和位置信息N1发送至相邻的下一个成像子系统A2；

5)采用与步骤3)至步骤4)相同的方式对成像子系统A2的成像模块以及其他成像子系统的成像模块分别进行姿态调整并分别对目标进行成像。

参见图3，针对点目标的目标引导信息(即成像模块的姿态调整信息)的计算方法如下：

一、点目标D1投影在水平面为D11；

二、任务子系统A1投影在水平面为A11，投影在点目标垂线为C1，借助GPS等常规的定位设备可以得到任务子系统A1的纬度B_A1、经度L_A1和高度H_A1。已知任务子系统A1与点目标D1俯仰夹角α，方位夹角β，及距离D1A1；

三、成像子系统A2投影在水平面为A21，投影在点目标垂线为C2；通过POS模块可以获得成像子系统A2的纬度B_A2、经度L_A2和高度H_A2；

四、将任务子系统A1以及成像子系统A2的参心大地坐标转换为参心空间直角坐标系，公式如下：

X＝(N+H)*cosB*cosL

Y＝(N+H)*cosB*sinL

Z＝[N*(1-e²)+H]*sinB

公式中，N为椭球面卯酉圈的曲率半径，e为椭球的第一偏心率，B为维度，L为经度，H为高度。

任务子系统A1转换后坐标表示为X_A1、Y_A1、Z_A1；

成像子系统A2转换后坐标表示为X_A2、Y_A2、Z_A2。

五、成像子系统A2与点目标D1的方位角计算过程如下：

1.根据已知任务子系统A1与点目标D1的距离D1A1，及俯仰夹角α，可以计算出A1C1＝A11D11＝D1A1*cosα；

2.计算ε：ε＝arctan[(Y_A2-Y_A1)/(X_A2-X_A1)]；

3.计算ζ：ζ＝90-β+ε；

4.计算A11A21：

5.边D11A21长度采用余弦定理计算如下：

6.η采用正弦定理计算如下：

η＝arcsin(A11D11*sinζ/D11A21)

7.成像子系统A2与点目标D1的方位角为：

γ＝90-η-ε

六、成像子系统A2与点目标D1的俯仰角计算过程如下：

1.计算D1C1：D1C1＝D1A1*sinα

2.计算C1C2：C1C2＝Z_A2-Z_A1

3.计算D1C2：D1C2＝D1C1-C1C2

4.成像子系统A2与点目标D1的俯仰角为：

δ＝artan(D1C2/A2C2)

七、成像子系统A2根据计算得出的成像子系统A2与点目标D1的方位角γ和俯仰角δ作为转台模块的方位、俯仰转动给定信息，并采用自身安装的POS模块测量的方位、俯仰姿态信息作为反馈进行闭环，将成像模块指向点目标D1进行目标成像；

八、成像子系统A3工作步骤同任务子系统A1和成像子系统A2相同，不同的是成像子系统A3以成像子系统A2与点目标D1的距离、方位夹角、俯仰夹角等信息作为计算基础；

成像子系统A4同成像子系统A3步骤，如果有更多成像子系统，工作步骤相同，依次类推。

参见图4，针对面目标的目标引导信息(即成像模块的姿态调整信息)的计算方法如下：

与点目标的目标引导信息计算方法相同地，可以采用如上步骤一至步骤七对任务子系统A1和成像子系统A2进行解算；

与点目标成像系统不同的是，成像子系统A2与成像子系统A3之间的指向具有一定距离差D1D2＝C2C21＝D11D21；

成像子系统A3与目标区域D2的方位角计算过程如下：

计算角θ：θ＝360-(90+ε)-90-η

计算角λ：λ＝180-θ

计算D21A31＝A3C3：

计算角μ：μ＝arcsin(D11D21*sinλ/D21A31)

成像子系统A3与目标区域D2的方位角γ为：γ＝90-η-ε-μ。

成像子系统A3与目标区域D2的俯仰角计算过程如下：

计算C3C21：C3C21＝Z_A3-Z_A2

计算D2C3：D2C3＝D1C2-C3C21

成像子系统A3与目标区域D2的俯仰角δ为：δ＝artan(D2C3/A3C3)

成像子系统A4的解算过程与成像子系统A3相同，如果有更多成像子系统，工作步骤相同，依次类推。

Claims (7)

1.一种多设备协同成像系统，其特征在于：包括任务子系统和多个成像子系统；任务子系统与最近邻的成像子系统进行通信，各成像子系统均与相邻的成像子系统进行通信；

所述任务子系统包括任务子系统电子学模块，所述任务子系统电子学模块用于采集并向最近邻的成像子系统发送目标引导信息及任务子系统位置信息；

所述成像子系统包括成像子系统电子学模块、转台模块、成像模块和POS模块；所述POS模块安装于成像模块上，POS模块用于测量成像模块的姿态和位置信息；所述成像模块安装于转台模块上，成像模块用于对目标成像；所述转台模块用于在成像子系统电子学模块的控制下调整成像模块的姿态；所述成像子系统电子学模块用于接收相邻的任务子系统或相邻的成像子系统发送的信息，并向相邻的成像子系统发送目标引导信息及自身的成像子系统位置信息。

2.根据权利要求1所述的多设备协同成像系统，其特征在于：所述任务子系统还包括与任务子系统电子学模块相连的任务计算机，所述任务计算机用于成像任务规划及控制。

3.根据权利要求1或2所述的多设备协同成像系统，其特征在于：所述成像子系统还包括与成像子系统电子学模块相连的控制计算机，所述控制计算机用于显示相邻的任务子系统和/或成像子系统的状态信息以及自身的状态信息。

4.根据权利要求3所述的多设备协同成像系统，其特征在于：所述目标引导信息包括任务子系统或成像子系统与目标或目标区域的距离、方位指向和俯仰指向信息。

5.根据权利要求3所述的多设备协同成像系统，其特征在于：所述任务子系统位置信息包括任务子系统的经度、纬度和高度信息。

6.根据权利要求3所述的多设备协同成像系统，其特征在于：所述成像子系统位置信息包括成像子系统的经度、纬度和高度信息。

7.一种多设备协同成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将各成像子系统分布于任务规划的可对目标成像的位置；

2)任务子系统A0将采集到的目标引导信息S0和自身的位置信息N0发送至最近邻的成像子系统A1；

3)成像子系统A1采集自身的位置信息N1，然后根据采集到的位置信息N1以及接收到的目标引导信息S0和位置信息N0计算目标引导信息S1；

4)成像子系统A1根据目标引导信息S1对成像模块进行方位指向和俯仰指向的姿态调整，调整完成后，成像模块对目标进行成像；同时，成像子系统A1将目标引导信息S1和位置信息N1发送至相邻的下一个成像子系统A2；

5)采用与步骤3)至步骤4)相同的方式对成像子系统A2的成像模块以及其他成像子系统的成像模块依次进行姿态调整并依次对目标进行成像。