CN109436344A - 基于降落伞弹道轨迹的机载摄影吊舱 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于降落伞弹道轨迹的机载摄影吊舱，包括吊舱和机载控制盒，吊舱内设有多台摄像机，摄像机与吊舱之间设有相机支架，机载控制盒设置于飞机挂架上，机载控制盒分别与多台摄像机和相机支架连接，多台摄像机多空域交互拍摄，多台摄像机的镜头焦段不相同，依据飞行目标降落伞的弹道轨迹和时间轴，采用不同焦段的镜头摄像机组合及相机支架对摄像机方位角和俯仰角的调整，从而使拍摄区域覆盖到相对应的空域。实现了降落伞有效弹道全覆盖、拍摄清晰图像、完整，试验过程全程记录的良好效果。

Description

基于降落伞弹道轨迹的机载摄影吊舱

技术领域

本发明涉及空投设备技术领域，具体涉及一种基于降落伞弹道轨迹的机载摄影吊舱。

背景技术

降落伞在研制阶段通常开展大量的高空高速空投试验进行考核。为了记录降落伞离机之后的开伞工作状态，需要采用安装在载机的拍摄吊舱完成对降落伞释放之后的工作过程的拍摄。

现在试验时，通常在飞机上安装单台高速摄像机。由于安装限制、摄像机的拍摄角度和镜头的焦距无法调节等原因，存在拍摄死角，部分过程影像不全或者缺失，远处空域的降落伞目标影像过小等问题，后续的试验过程分析相对困难。

另外，现有的高速摄像机存储空间偏小，拍摄频率偏低，试验过程影像不全、记录时间过短，难以满足试验的测试要求。国内同类设备如侦察机摄影吊舱，必须通过机务人员的观察与操纵，对侦查目标进行现场拍摄和记录。在试验中，因条件限制不具备人工现场操作的条件，高速影像的拍摄和记录必须事先预设，这与侦察机摄影吊舱的应用场景不同。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种基于降落伞弹道轨迹的机载摄影吊舱，实现了降落伞有效弹道全覆盖、拍摄清晰图像、完整，试验过程全程记录的良好效果。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种基于降落伞弹道轨迹的机载摄影吊舱，包括吊舱和机载控制盒，吊舱内设有多台摄像机，机载控制盒分别与多台摄像机连接，多台摄像机多空域交互拍摄，多台摄像机的镜头焦段不相同，依据飞行目标降落伞的弹道轨迹和时间轴，采用不同焦段的镜头摄像机组合及机载控制盒控制摄像机方位角和俯仰角的调整，从而使拍摄区域覆盖到相对应的空域。

按照上述技术方案，摄像机的台数为3台。

按照上述技术方案，三台摄像机的镜头焦距不同，分别为短焦、中焦和长焦。

按照上述技术方案，各摄像机镜头设置的拍摄视角为：

其中，h为摄像机成像面在竖直方向上的长度，f为镜头焦距。

按照上述技术方案，摄像机的镜头焦距的焦距为f＝h D/(2M)，其中D为摄像机与飞行目标的直线距离，h为摄像机成像面在竖直方向上的长度，M为飞行目标外形的最大高度。

按照上述技术方案，摄像机主光轴的俯角为β＝arcsin(H/D)，其中H为飞行目标与摄像机的高差，D为飞行目标与摄像机的直线距离。

按照上述技术方案，短焦镜头摄像机的视角为80°～100°，可直接确定其焦距；中焦镜头摄像机的视角为50°～70°，长焦镜头摄像机的视角为15°～25°。

按照上述技术方案，所述的吊舱包括舱体骨架、舱体底板、舱体前挡板和舱体后挡板，舱体底板设置于舱体骨架的底部，舱体前挡板倾斜向下设置于舱体骨架的前端，舱体后挡板设置于舱体骨架的后端，舱体前挡板上开设有多个拍摄视窗，拍摄视窗分别与摄像机一一对应。

按照上述技术方案，每个摄像机与舱体底板之间设有相机支架，机载控制盒与相机支架连接，驱动相机支架转动实现摄像机方位角和俯仰角的调整，吊舱顶部设有飞机挂架，控制盒设置于飞机挂架上。

按照上述技术方案，飞机挂架上还设有电池，电池分别与摄像机和控制盒连接。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明有效的解决了降落伞试验中对降落伞影像不全或缺失，远处空域的降落伞目标影像过小，试验过程分析困难等问题，实现了降落伞有效弹道全覆盖、拍摄清晰图像、完整，试验过程全程记录的良好效果。

2、本发明提供的机载摄影吊舱，结构紧凑，挂装方便，拍摄操纵方法简单，可广泛推广于高速列车、飞机等设备对移动目标的监测拍摄等方面的应用。

附图说明

图1是本发明实施例中摄影吊舱与飞机挂架的连接示意图；

图2是本发明实施例中三台摄像机的镜头视角和覆盖区域示意图；

图3是本发明实施例中控制盒与三台摄像机的连接示意图；

图4是本发明实施例中舱体骨架的结构示意图；

图5是本发明实施例中舱体前挡板的结构示意图；

图6是本发明实施例中摄影吊舱的正向立面图；

图7是本发明实施例中摄影吊舱的反向立面图；

图8是本发明实施例中摄像机的结构示意图；

图中，1-摄像吊舱，2-飞机挂架，3-控制盒，4-电池，5-计算机，6-摄像机，7-机舱投放按钮，8-短焦摄像机，9-中焦摄像机，10-长焦摄像机，11-舱体骨架，12-立柱，13-舱体底板，14-舱体前挡板，15-光学玻璃，16-光学玻璃固定点，17-舱体后挡板，18-相机支架，19-高分辨率镜头，20-飞机挂架挂点。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参照图1～图8所示，本发明提供的一个实施例中的基于降落伞弹道轨迹的机载摄影吊舱，包括吊舱和机载控制盒，吊舱内设有多台摄像机，摄像机与吊舱之间设有相机支架，机载控制盒设置于飞机挂架上，机载控制盒分别与多台摄像机和相机支架连接，机载控制盒控制相机支架俯仰转动和水平转动，从调整摄像机的方位角和俯仰角，多台摄像机多空域交互拍摄，多台摄像机的镜头焦段不相同，依据飞行目标降落伞的弹道轨迹和时间轴，采用不同焦段的镜头摄像机组合及相机支架对摄像机方位角和俯仰角的调整，从而使拍摄区域覆盖到相对应的空域，保证清晰的成像效果，后期将多台摄像机的影像数据整合获得高清晰度的摄影图像。

进一步地，摄像机为高速摄像机。

进一步地，摄像机的台数为3台。

进一步地，三台摄像机的镜头焦距不同，分别为短焦、中焦和长焦。

进一步地，短焦镜头摄像机用于拍摄飞行目标从载机分离的近景过程，此时飞行目标做近似自由落体运动，所述的摄像机吊舱距离飞行目标最近，且拍摄角度最大；

中焦镜头摄像机用于拍摄飞行目标在中程空域的飞行过程，此时飞行目标除有近似自由落体运动，还有横向的加速运动，中焦镜头摄像机主要拍摄距离为所述的摄像机吊舱距离目标降落伞的距离大概50～150m；

长焦镜头摄像机用于拍摄飞行目标在远程空域的飞行过程，此时飞行目标几乎做横向运动，中焦镜头摄像机主要拍摄距离为所述的摄像机吊舱距离飞行目标最远，大致约200～500m。

进一步地，各摄像机镜头设置的拍摄视角为：

其中，h为摄像机成像面在竖直方向上的长度，f为镜头焦距。

进一步地，摄像机的镜头焦距的焦距为f＝h D/(2M)，其中D为摄像机与飞行目标的直线距离，h为摄像机成像面在竖直方向上的长度，M为飞行目标外形的最大高度。

进一步地，摄像机主光轴的俯角为β＝arcsin(H/D)，其中H为飞行目标与摄像机的高差，D为飞行目标与摄像机的直线距离。

进一步地，短焦镜头摄像机的视角为90°，可直接确定其焦距；中焦镜头摄像机的视角为60°，长焦镜头摄像机的视角为20°。

进一步地，所述的吊舱包括舱体骨架、舱体底板、舱体前挡板和舱体后挡板，舱体底板设置于舱体骨架的底部，舱体前挡板倾斜向下设置于舱体骨架的前端，舱体后挡板设置于舱体骨架的后端，舱体前挡板上开设有多个拍摄视窗，拍摄视窗分别与摄像机一一对应。

进一步地，每个摄像机与舱体底板之间设有相机支架，吊舱顶部设有飞机挂架，控制盒设置于飞机挂架上。

进一步地，飞机挂架上还设有电池，电池分别与摄像机和控制盒连接。

进一步地，关于吊舱：所述的吊舱的骨架为一体式钢制骨架结构；舱体采用整张3mm钢板为基材经激光切割加工后折弯、焊接成型，最大程度保证舱体结构上的强度和可靠性；骨架的四立柱利用直角对接结构，能够良好的承受轴向的拉压力和受径向冲击时立柱的挠度变形，并为舱体前后方向留出足够出场空间，保证舱内相机的最大拍摄视角，同时方便人员对舱内相机的调整操作；舱体骨架的外部采用0.4mm铝箔进行包覆，对骨架外部镀层进行保护，防止镀层划伤对骨架造成破坏。同时对骨架棱角处进行包裹，隔离舱内与舱外环境；铝箔外部(除前挡板外)采用2mm厚硬铝挡板对舱体进行封闭，挡板与舱体之间采用螺纹连接，便于人员在特定情况下调整相机时的拆装。挡板加强了铝箔与舱体之间的连接，保证舱体结构在高空高速的情况下的安全性与可靠性。

舱体底板采用整块钢板开槽制成，可承担较大弯曲载荷，保证相机在超重加速时底板的挠度变形在允许范围内。

前挡面板采用整块8mm厚硬质铝板制成，板材中间加工三个方孔作为拍摄的视窗，整体式结构可提高面板的整体强度，同时保证了面板上各结构间的尺寸精度，减少安装误差对摄像机成像带来的畸变。

拍摄视窗周围加工有槽口用于安装5mm的光学镀膜玻璃，可以保证在高空高速飞行和高空光线较强的环境下有良好的影像质量。光学玻璃四周加装硅胶片，将玻璃与金属部件隔离减震，同时还能起到一定的密封作用；三块光学玻璃共采用8个固定点，实现了每块玻璃4点固定，保证了光学玻璃安装位置的准确和强度，也便于拆装和玻璃的更换。

进一步地，关于飞机挂架：每台高速摄像机及配套的高分辨率镜头固定在相机支架上，且方便调节。相机支架包含了辅助斜板、连接板、压块、弧形板、立轴、支架底座、尼龙垫块。其中立轴、弧形板及辅助斜板的配合可以实现摄像机在平面360°和俯仰±45°的调整。

相机支架与摄影吊舱舱体底板之间通过螺栓螺母连接，配合舱体底板的长槽孔，实现摄像机在吊舱内前后方向上35mm的位移调整。

支架底座下面加装不同规格的尼龙垫块，可以调整相机高度，保证摄像机在舱内的最佳拍摄姿态。同时尼龙材料良好的吸能特性可以给摄像机缓震，减小飞机飞行时吊舱震动对摄像机的影响。

进一步地，关于飞机挂架与吊舱的连接结构：吊舱内可同时放置三台相机，且每台相机的空间位置和姿态均可独立调节。吊舱结构采用钢结构骨架，外部包覆铝箔并加装硬铝板材，吊舱通过五个挂点与飞机挂架连接。

吊舱整体与飞机挂架间，通过5个挂点采用强化螺栓和止动螺母配合连接。两侧四个挂点采用M16螺纹配合挂架结构为正压力紧固，中心挂点采用M20螺纹为剪应力紧固。压、剪应力配合的方式可以保证吊舱与挂架之间有较大的轴向预紧，可以补偿相对较大的轴向变形，减少螺栓与螺母的相对转动，防止松动提高螺纹连接的可靠性。

进一步地，所述的基于降落伞弹道轨迹的机载摄影吊舱的拍摄操作流程：

准备阶段：试验前，根据降落伞试验弹道轨迹，选择好合适焦距的镜头，调节好摄像机的姿态角。将计算机与控制盒上的接口连接，控制盒上的网线接口与摄像机连接，可在一个界面控制三台摄像机，设置摄像机的参数：拍摄频率、分辨率、曝光时间、分段触发等。

试验阶段：当飞机飞行至试验场空投位置，满足空投要求，飞行员按下投放按钮，机载投放按钮脉冲信号输出至控制器，控制器接收到投放脉冲信号，转换成摄像机的触发信号，启动摄像机开始自动拍摄。拍摄的图像信息存储在摄像机自带内存中。本机载摄影系统可满足空中多次分段触发，见图3。

试验结束后，将三段影像数据进行有效的融合，先在原图中分析目标特征，选取特征阈值，然后根据特征阈值，在原图中截取对应的影像数据，做比例放大、拉伸等动作后，再进行分析判读。最后对处理后的影像数据重新排列组合，还原出完整试验过程的影像。

本发明的工作原理：

如图1所示，机载摄影吊舱主要包含了：相机支架、高分辨率镜头、高速摄像机、控制盒、摄影吊舱等部分。其中相机支架、高分辨率镜头、高速摄像机安装固定在摄影吊舱的舱体内，控制盒为独立结构设计，单独固定在飞机挂架的上端面，电池固定飞机挂架的上端面，电池为控制盒提供供电。

如图3所示，采用三台高速摄像机进行多空域交互拍摄，其中第一个相机负责拍摄近景过程(图3中约90度范围空域)；第二个相机负责拍摄飞行目标在中程空域的飞行过程(图3中约60度范围空域)；第三个相机负责拍摄飞行目标在远程空域的飞行过程(图3中约20度范围空域)。

如图2所示，准备阶段：将计算机与控制盒上的接口连接，控制盒上的网线接口与摄像机连接，设置摄像机的参数。试验阶段：飞行员按下投放按钮，投放脉冲信号经控制器，转换成摄像机的触发信号，启动摄像机开始自动拍摄。拍摄的图像信息存储在摄像机自带内存中。试验结束后，将三段影像数据进行有效的融合，还原出完整试验过程影像。

如图4所示，舱体骨架采用整张3mm钢板为基材经激光切割加工后折弯、焊接成型。四立柱利用直角对接结构。舱体底板采用整块钢板开槽制成。舱体骨架的外部采用0.4mm铝箔进行包覆，对骨架外部镀层进行保护。铝箔外部(除前挡板外)采用2mm厚硬铝挡板对舱体进行封闭，挡板与舱体之间采用螺纹连接。

如图5所示，前面板采用整块8mm厚硬质铝板制成，板材中间加工三个方孔作为拍摄的视窗，拍摄视窗周围加工有槽口用于安装5mm的光学镀膜玻璃，光学玻璃四周加装硅胶片，将玻璃与金属部件隔离减震。三块光学玻璃共采用8个固定点，实现了每块玻璃4点固定。

如图6和图7所示，吊舱内同时放置三台相机，且每台相机的空间位置和姿态均可独立调节。吊舱结构采用钢结构骨架，外部包覆铝箔并加装硬铝板材，吊舱通过五个挂点与飞机挂架连接。

如图8所示是摄像机及镜头在相机支架上的安装图。每台高速摄像机及配套的高分辨率镜头固定在相机支架上。实现摄像机在平面360°和俯仰±45°的调整。尼龙垫块提供良好的吸能特性可以给摄像机缓震。

综上所述，本发明提供一种基于降落伞弹道轨迹的机载摄影吊舱及拍摄方法，用于降落伞空投试验的跟踪拍摄。基于降落伞的弹道轨迹，采用三台高速摄像机进行一体化组合，形成一个覆盖全空间域的摄像系统，利用相机支架调整摄像机的方位角和俯仰角，结合长短焦距镜头，使远近降落伞目标的成像清晰。通过影像处理技术，完成不同视角的影像过程整合。下挂式结构布局，在载机上便于安装和控制。本发明具备拍摄画面清晰，视角大，图像完整连续无间断，拍摄方法操作简单的优点，且吊舱结构紧凑，体积小，适用于高速列车、飞机等设备对移动目标的监测拍摄等方面的应用。

以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于降落伞弹道轨迹的机载摄影吊舱，其特征在于，包括吊舱和机载控制盒，吊舱内设有多台摄像机，机载控制盒分别与多台摄像机连接，多台摄像机多空域交互拍摄，多台摄像机的镜头焦段不相同，依据飞行目标降落伞的弹道轨迹和时间轴，采用不同焦段的镜头摄像机组合及机载控制盒控制摄像机方位角和俯仰角的调整，从而使拍摄区域覆盖到相对应的空域。

2.根据权利要求1所述的基于降落伞弹道轨迹的机载摄影吊舱，其特征在于，摄像机的台数为3台。

3.根据权利要求2所述的基于降落伞弹道轨迹的机载摄影吊舱，其特征在于，三台摄像机的镜头焦距不同，分别为短焦、中焦和长焦。

4.根据权利要求3所述的基于降落伞弹道轨迹的机载摄影吊舱，其特征在于，各摄像机镜头设置的拍摄视角为：

其中，h为摄像机成像面在竖直方向上的长度，f为镜头焦距。

5.根据权利要求3所述的基于降落伞弹道轨迹的机载摄影吊舱，其特征在于，摄像机的镜头焦距的焦距为f＝h D/(2M)，其中D为摄像机与飞行目标的直线距离，h为摄像机成像面在竖直方向上的长度，M为飞行目标外形的最大高度。

6.根据权利要求3所述的基于降落伞弹道轨迹的机载摄影吊舱，其特征在于，摄像机主光轴的俯角为β＝arcsin(H/D)，其中H为飞行目标与摄像机的高差，D为飞行目标与摄像机的直线距离。

7.根据权利要求3所述的基于降落伞弹道轨迹的机载摄影吊舱，其特征在于，短焦镜头摄像机的视角为80°～100°，可直接确定其焦距；中焦镜头摄像机的视角为50°～70°，长焦镜头摄像机的视角为15°～25°。

8.根据权利要求1所述的基于降落伞弹道轨迹的机载摄影吊舱，其特征在于，所述的吊舱包括舱体骨架、舱体底板、舱体前挡板和舱体后挡板，舱体底板设置于舱体骨架的底部，舱体前挡板倾斜向下设置于舱体骨架的前端，舱体后挡板设置于舱体骨架的后端，舱体前挡板上开设有多个拍摄视窗，拍摄视窗分别与摄像机一一对应。

9.根据权利要求1所述的基于降落伞弹道轨迹的机载摄影吊舱，其特征在于，每个摄像机与舱体底板之间设有相机支架，机载控制盒与相机支架连接，驱动相机支架转动实现摄像机方位角和俯仰角的调整，吊舱顶部设有飞机挂架，控制盒设置于飞机挂架上。

10.根据权利要求1所述的基于降落伞弹道轨迹的机载摄影吊舱，其特征在于，飞机挂架上还设有电池，电池分别与摄像机和控制盒连接。