CN111366155B - 基于机载光电系统的局域扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机载光电侦察监视技术领域，具体涉及一种基于机载光电系统的局域扫描方法。本发明通过转换载机姿态和光电平台角度，结合载机平飞时的速度、高度和扫描起始点，根据传感器帧频、视场角、重叠率等，实时解算出光电平台运动的速度，能够克服载机运动尤其是航向扰动的影响。对瞄准线控制指令进行修正，将瞄准线在地面的轨迹修正成与航迹垂直的一条直线，克服了在光电平台俯仰角较大的情况下，局域扫描时瞄准线在地面的运动轨迹是抛物线而非直线的问题，易于图像拼接和操作人员在电子地图中监视目标。

Description

基于机载光电系统的局域扫描方法

技术领域

本发明属于机载光电侦察监视技术领域，具体涉及一种基于机载光电系统的局域扫描方法，该方法可以实时控制光电系统在广域扫描拼接图像中回察，对地面进行局域无缝地理扫描，从而实现对目标跟踪、运动状态估计和定位等。

背景技术

当前的信息化战争对目标的侦察和监视提出了更高要求，持续全面精确高效的战区监视和目标侦察是打赢信息化战争的重要条件之一。某侦察监视系统是以有人/无人飞机作为承载平台的光电任务设备，具有覆盖区域宽广、作用距离远、目标精确地理定位、双波段实时侦察等特点，主要作战使命是对防区外和敏感区域的战场实施监视和战术侦察，有效、快速的发现目标，并上报精确火控级瞄准信息，引导远程空面打击武器系统对目标实施精确打击及对毁伤效果进行评估。局域扫描主要针对已知的特定小面积可疑区域，当载机接近感兴趣区域或发现可疑目标时，某侦察监视系统将瞄准线指向要求的地理位置，扫描小范围区域，并最终得到拼接图像。若目标在视场内，利用跟踪搜索模式捕获目标，并进入凝视模式对目标实施持续跟踪，同时进行精确地理定位和运动状态估计。

中国专利申请CN201010568358.6中介绍了一种运动载体光电设备光性稳定瞄准线扫描方法，该方法在不改变光电设备原瞄准线稳定控制结构的前提下，加入扫描控制器实现的，使光电平台的转动速度按照斜坡式的速度输入曲线逐渐变化，可用于机载、舰载、车载光电稳定平台的扫描，该专利采用扇区扫描的方法，没有补偿飞机前向运动，俯仰步进角度没有精确控制，容易形成漏扫。中国专利申请一种机载双波段光电广域侦察与跟踪装置中介绍了一种广域和局域扫描功能，该扫描方法实现方位向扇扫或圆周扫描。在较大俯仰角扫描时，瞄准线在地面上运动的轨迹是抛物线而非直线，不利于图像拼接和操作人员在电子地图中监视目标。

针对某光电系统对地面进行广域大范围无缝地理扫描的过程中，地面操作员在拼接图像上发现疑似目标后，需要对广域扫描拼接图像进行回察。如果按照广域扫描理论控制瞄准线运动，由于光电平台俯仰角较大，在局域扫描过程中，瞄准线在地面上运动的轨迹是抛物线而非直线，这样不利于图像拼接。按照其它扫描控制方法，扫描所形成的拼接图像不垂直于航迹方向，不利用地面操作员在电子地图中监视局域无缝地理扫描区域中的目标。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何克服图像拼接过程中，瞄准线在地面上运动的轨迹是曲线的不利影响。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于机载光电系统的局域扫描方法，所述方法包括：

步骤1：建立地球直角坐标系e、导航坐标系n、载机机体坐标系b、光电系统基座坐标系a、瞄准线坐标系s、航向滤波坐标系LL；某点的经度λ、纬度L、高度h，通过惯导系统测得，用地球直角坐标系e表示为：

x＝(R_N+h)cos L cosλ

y＝(R_N+h)cos L sinλ

z＝[R_N(1-e₀)²+h]sin L

其中，R_N为卯酉圈半径，e₀为地球扁心率；

步骤2：导航坐标系n采用东北天地理坐标系，地球直角坐标系e到导航坐标系n的坐标转换矩阵为：

步骤3：载机机体坐标系b，机头方向为y轴，ψ为载机航向角、θ为载机俯仰角、γ为载机横滚角；导航坐标系n到载机机体坐标系b的坐标转换矩阵为：

步骤4：光电系统基座坐标系a是由载机机体坐标系b沿y轴旋转180度得到，坐标转换矩阵为：

步骤5：瞄准线坐标系s，由光电系统基座坐标系a先沿载机横滚轴转动光电系统横滚角

再沿俯仰轴转动光电系统俯仰角β得到，光电系统基座坐标系a到瞄准线坐标系s的坐标转换矩阵为：

步骤6：采用以下公式得到地球直角坐标系e到瞄准线坐标系s的转换公式：

采用以下公式得到导航坐标系n到瞄准线坐标系s的转换公式：

步骤7：航向滤波坐标系LL，航向滤波坐标系LL由导航坐标系n沿z轴旋转α角度得到，α是载机航向角ψ低通滤波得到的值；航向滤波坐标系绕导航坐标系缓慢旋转，导航坐标系n到航向滤波坐标系LL的坐标转换矩阵为：

由于

采用以下公式得到航向滤波坐标系LL到瞄准线坐标系s的转换公式：

设

采用以下公式计算在航向滤波坐标系LL下瞄准线横滚角

和俯仰角

步骤8：设载机A与瞄准线同地面交点T的距离为R，在扫描起始点和扫描结束点载机A与瞄准线同地面交点T的距离分别为R_L、R_R，用向量

表示瞄准线在地球直角坐标系下的坐标，则，

其中r^s＝[0 0 R]^T；

用向量

表示载机在地球直角坐标系e的坐标，设瞄准线同地面交点T用向量表示为

并满足：

其中，a＝R_e为地球长半径，b为地球短半径；

而，

通过上式可计算出r^s，即载机A与瞄准线同地面交点T的距离为R；

步骤9：根据局域扫描原理，图像运动角速度为：

ω＝φ_r(1-overlap)f

其中，φ_r为电视横滚视场角，overlap为重叠率，f为电视传感器帧频；

步骤10：设

分别表示瞄准线在俯仰和横滚方向的控制指令，

为R的变化率；根据局域扫描控制理论，同时忽略地球自转引起的相对旋转角速度，局域扫描瞄准线控制指令为：

设

故

其中，V_E、V_N分别表示东、北向速度，ν为载机飞行速度，V_N＝v*cosψ，V_E＝v*sinψ；

步骤11：根据步骤8的假设，瞄准线向量为AT；按照局域扫描理论，为使瞄准线在地面运动轨迹为垂直于航迹的直线，瞄准线向量AT满足以下关系：

设

载机的速度为v，则：

因，

解算上式，可得：

其中，

分别表示在航向滤波坐标系下瞄准线俯仰角和横滚角，h表示载机飞行高度；

用以上新推导的瞄准线俯仰指令ω_p替代之前的瞄准线俯仰指令

则瞄准线在俯仰和横滚方向的控制指令为：

步骤12：设

为载机飞行最大速度，θ_p为某光电装置最大俯仰角，R_max为电视传感器最大作用距离,

为目标最大运动速度，φ'_p为传感器俯仰视场角φ_p的弧度值；分别计算局域扫描包含的扫描帧幅数n、扫描条幅数n和扫描条幅数之间的步进角度：

在局域域扫描过程中，近端步进角度为θ_L＝φ_p(1-overlap)；

远端步进角度为θ_R＝0.8*θ_L；

步骤13：当操作人员在广域扫描拼接图像中发现可疑目标时，双击目标后自动将可疑目标的地理坐标发给局域扫描控制模块，局域扫描控制模块根据目标位置解算扫描起始点，然后进入地理指向模式，瞄准线自动指向扫描起始点，然后自动进入局域扫描模式，根据步骤11计算的瞄准线控制指令

使光电系统横滚和俯仰开始运动；瞄准线在横滚方向上相对地面开始从0加速到ω，当角速度ω达到匀速后，控制计算机给快调反射镜发指令进行反扫，并在快调反射镜进入稳态后触发电视传感器曝光而获得一幅图像，依次进行n次，快调反射镜不再反扫并停在零位；此时，使ω匀减速到0；

步骤14：在光电系统横滚角速度从ω减速到0的过程中，使俯仰按照步骤12计算的角度θ_R向前步进；

步骤15：此时，瞄准线调转到了下一条幅的扫描开始位置。在横滚方向上瞄准线相对地面开始以最大加速度从0加速到-ω，同时不断计算瞄准线的横滚角度；当角速度-ω达到匀速后，并且当瞄准线在航向滤波坐标系下横滚角度

与上一条幅最后一幅图像瞄准线在航向滤波坐标系下横滚角度相等时，触发快调反射镜反扫，并在快调反射镜进入稳态后触发电视传感器曝光而获得一幅图像，依次进行n次，快调反射镜不再反扫并停在零位；使横滚相对地面角速度从-ω匀减速到0，俯仰向前步进角度θ_L；同理，再下一条扫描时，当瞄准线在航向滤波坐标系下横滚角

与上一条幅最后一幅图像瞄准线在航向滤波坐标系下横滚角度相等时，触发快调反射镜反扫，其余过程与以上步骤相同；按照上述控制方法循环进行n次，系统自动退出局域扫描任务。

其中，所述步骤1中，R_N＝R_e*(1+e₀sin²L)。

其中，所述R_e为地球长半轴。

其中，所述

其中，所述R_p为地球短半轴。

其中，所述地球扁心率e₀＝1/298.257＝0.00335281。

其中，所述步骤7中，当载机近似匀速直线平飞时，α＝ψ。

其中，所述步骤8中，a＝R_e为地球长半径，b＝a(1-e₀)为地球短半径，e₀为地球扁心率。

其中，所述载机为有人飞机。

其中，所述载机为无人飞机。

(三)有益效果

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种机载光电系统的瞄准线局域扫描方法，通过对瞄准线控制指令进行修正，将瞄准线在地面的轨迹修正成与航迹垂直的一条直线。通过控制瞄准线在地理表面扫描，同时控制俯仰在扫描两端的步进角度和扫描起始位置并利用步进凝视技术获得地面连续的多幅图像，并通过图像处理技术拼接成由多个视频帧组成的一幅地面局域无缝地理扫描图像。

与现有技术相比较，本发明具备如下有益效果：

(1)本发明通过对瞄准线控制指令进行修正，将瞄准线在地面的轨迹修正成与航迹垂直的一条直线，克服了在光电平台俯仰角较大的情况下，局域扫描时瞄准线在地面的运动轨迹是抛物线而非直线的问题，易于图像拼接和操作人员在电子地图中监视目标。

(2)本发明根据实时采集的惯导数据和光电平台角度数据，通过坐标转换和解算，实时对飞机的前向运动进行补偿，消除载机运动对局域扫描的影响。根据建立的局域扫描与飞机飞行同步控制流程，瞄准线在扫描近端和远端步进不同的角度，保证了光电系统完成局域无缝地理扫描。结合图像拼接技术，获得了目标所在区域的小范围拼接图像。根据飞机飞行速度、电视传感器视场角、目标运动速度等，准确计算出扫描帧幅数和条幅数，确保目标出现在局域扫描范围内。

(3)本发明无需重新设计软件流程，即可完成对目标的凝视侦察功能，方便操作员在空中完成其他操作。本发明在现有类似光电系统的基础上不需要增加任何硬件资源，只需要增加相关软件模块并稍作修改便可实现机载光电系统的功能升级。

附图说明

图1是本发明技术方案局域扫描方法流程图。

图2是本发明技术方案原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

该方法目的是克服载机运动的影响，对瞄准线控制指令进行修正，将瞄准线在地面的轨迹修正成与航迹垂直的一条直线。通过控制瞄准线在地理表面扫描并利用步进凝视技术获得地面连续的多幅图像并通过图像处理技术拼接成由多个视频帧组成的一幅地面区域图像。该方法利用载机在空中的飞行姿态角度、位置和机载光电系统的观测角度，结合载机平飞时的速度、高度和扫描起始点，根据传感器帧频、视场角、重叠率等，实时解算出光电平台运动的速度，利用快调反射镜的反扫，控制光电系统瞄准线在地面步进凝视。首先根据监视区域中心目标的地理坐标、扫描区域的大小等解算出瞄准线地理指向起始位置，光学系统瞄准线绕横滚万向架轴旋转扫描，在成像探测器积分期间，快调反射镜执行与横滚万向架扫描相反的反向扫描，以抵消瞄准线横滚运动，通过在1/30秒帧周期内使瞄准线步进凝视1个视场，连续旋转扫描以执行第一行单列幅宽的无缝图像帧覆盖，扫描完第一行后，光电系统瞄准线自动指向第二行起始位置，并自动执行第二行单列幅宽的无缝图像帧覆盖，直至自动完成局域扫描任务。在整个扫描期间，地面图像处理单元自动将扫描图像序列拼接成小范围局域扫描拼接图像。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于机载光电系统的局域扫描方法，所述方法包括：

步骤1：建立地球直角坐标系e、导航坐标系n、载机机体坐标系b、光电系统基座坐标系a、瞄准线坐标系s、航向滤波坐标系LL；某点的经度λ、纬度L、高度h，通过惯导系统测得，用地球直角坐标系e表示为：

x＝(R_N+h)cos L cosλ

y＝(R_N+h)cos L sinλ

z＝[R_N(1-e₀)²+h]sin L

其中，R_N为卯酉圈半径，e₀为地球扁心率；

步骤2：导航坐标系n采用东北天地理坐标系，地球直角坐标系e到导航坐标系n的坐标转换矩阵为：

步骤3：载机机体坐标系b，机头方向为y轴，ψ为载机航向角、θ为载机俯仰角、γ为载机横滚角；导航坐标系n到载机机体坐标系b的坐标转换矩阵为：

步骤4：光电系统基座坐标系a是由载机机体坐标系b沿y轴旋转180度得到，坐标转换矩阵为：

步骤5：瞄准线坐标系s，由光电系统基座坐标系a先沿载机横滚轴转动光电系统横滚角

再沿俯仰轴转动光电系统俯仰角β得到，光电系统基座坐标系a到瞄准线坐标系s的坐标转换矩阵为：

步骤6：采用以下公式得到地球直角坐标系e到瞄准线坐标系s的转换公式：

采用以下公式得到导航坐标系n到瞄准线坐标系s的转换公式：

步骤7：航向滤波坐标系LL，航向滤波坐标系LL由导航坐标系n沿z轴旋转α角度得到，α是载机航向角ψ低通滤波得到的值；航向滤波坐标系绕导航坐标系缓慢旋转，导航坐标系n到航向滤波坐标系LL的坐标转换矩阵为：

由于

采用以下公式得到航向滤波坐标系LL到瞄准线坐标系s的转换公式：

设

采用以下公式计算在航向滤波坐标系LL下瞄准线横滚角

和俯仰角

步骤8：设载机A与瞄准线同地面交点T的距离为R，在扫描起始点和扫描结束点载机A与瞄准线同地面交点T的距离分别为R_L、R_R，用向量

表示瞄准线在地球直角坐标系下的坐标，则，

其中r^s＝[0 0 R]^T；

用向量

表示载机在地球直角坐标系e的坐标，设瞄准线同地面交点T用向量表示为

并满足：

其中，a＝R_e为地球长半径，b为地球短半径；

而，

通过上式可计算出r^s，即载机A与瞄准线同地面交点T的距离为R；

步骤9：根据局域扫描原理，图像运动角速度为：

ω＝φ_r(1-overlap)f

其中，φ_r为电视横滚视场角，overlap为重叠率，f为电视传感器帧频；

步骤10：设

分别表示瞄准线在俯仰和横滚方向的控制指令，

为R的变化率；根据局域扫描控制理论，同时忽略地球自转引起的相对旋转角速度，局域扫描瞄准线控制指令为：

设

故

其中，V_E、V_N分别表示东、北向速度，ν为载机飞行速度，V_N＝v*cosψ，V_E＝v*sinψ；

步骤11：根据步骤8的假设，瞄准线向量为AT；按照局域扫描理论，为使瞄准线在地面运动轨迹为垂直于航迹的直线，瞄准线向量AT满足以下关系：

设

载机的速度为v，则：

因，

解算上式，可得：

其中，

分别表示在航向滤波坐标系下瞄准线俯仰角和横滚角，h表示载机飞行高度；

用以上新推导的瞄准线俯仰指令ω_p替代之前的瞄准线俯仰指令

则瞄准线在俯仰和横滚方向的控制指令为：

步骤12：设

为载机飞行最大速度，θ_p为某光电装置最大俯仰角，R_max为电视传感器最大作用距离,

为目标最大运动速度，φ'_p为传感器俯仰视场角φ_p的弧度值；分别计算局域扫描包含的扫描帧幅数n、扫描条幅数n和扫描条幅数之间的步进角度：

在局域域扫描过程中，近端步进角度为

θ_L＝φ_p(1-overlap)；

远端步进角度为

θ_R＝0.8*θ_L；

步骤13：当操作人员在广域扫描拼接图像中发现可疑目标时，双击目标后自动将可疑目标的地理坐标发给局域扫描控制模块，局域扫描控制模块根据目标位置解算扫描起始点，然后进入地理指向模式，瞄准线自动指向扫描起始点，然后自动进入局域扫描模式，根据步骤11计算的瞄准线控制指令

使光电系统横滚和俯仰开始运动；瞄准线在横滚方向上相对地面开始从0加速到ω，当角速度ω达到匀速后，控制计算机给快调反射镜发指令进行反扫，并在快调反射镜进入稳态后触发电视传感器曝光而获得一幅图像，依次进行n次，快调反射镜不再反扫并停在零位；此时，使ω匀减速到0；

步骤14：在光电系统横滚角速度从ω减速到0的过程中，使俯仰按照步骤12计算的角度θ_R向前步进；

步骤15：此时，瞄准线调转到了下一条幅的扫描开始位置。在横滚方向上瞄准线相对地面开始以最大加速度从0加速到-ω，同时不断计算瞄准线的横滚角度；当角速度-ω达到匀速后，并且当瞄准线在航向滤波坐标系下横滚角度

与上一条幅最后一幅图像瞄准线在航向滤波坐标系下横滚角度相等时，触发快调反射镜反扫，并在快调反射镜进入稳态后触发电视传感器曝光而获得一幅图像，依次进行n次，快调反射镜不再反扫并停在零位；使横滚相对地面角速度从-ω匀减速到0，俯仰向前步进角度θ_L；同理，再下一条扫描时，当瞄准线在航向滤波坐标系下横滚角

与上一条幅最后一幅图像瞄准线在航向滤波坐标系下横滚角度相等时，触发快调反射镜反扫，其余过程与以上步骤相同；按照上述控制方法循环进行n次，系统自动退出局域扫描任务。

其中，所述步骤1中，R_N＝R_e*(1+e₀sin²L)。

其中，所述R_e为地球长半轴。

其中，所述

其中，所述R_p为地球短半轴。

其中，所述地球扁心率e₀＝1/298.257＝0.00335281。

其中，所述步骤7中，当载机近似匀速直线平飞时，α＝ψ。

其中，所述步骤8中，a＝R_e为地球长半径，b＝a(1-e₀)为地球短半径，e₀为地球扁心率。

其中，所述载机为有人飞机。

其中，所述载机为无人飞机。

实施例1

本实施例是针对基于某光电系统的瞄准线局域扫描控制方法，该方法是通过机载光电系统中的局域扫描软件包实现的。在载机平飞过程中，保持近似匀速直线飞行，局域扫描区域一般位于载机飞行路线的侧方，瞄准线俯仰角较大，如图2所示。当局域扫描软件包接到局域扫描指令时，局域扫描软件包将根据图1所示的流程完成以下解算过程。

第一步，设在匀速扫描左侧起始点飞机飞行的高度h＝5km、速度v＝220km/h,航向ψ＝60°、横滚角γ＝0.35°、俯仰角θ＝0.5°，飞机的经度λ＝108.76923°，纬度L＝34.61158°。光电平台横滚角

、俯仰角β＝-5°。

因R_e＝6378137m，e₀＝0.00335281，L＝34.61158°，根据以下公式计算R_N：

R_N＝R_e*(1+e₀sin²L)

本优选实施例中，计算可得：

R_N＝6385036m

再根据惯导系统测得的飞机的经度λ、纬度L、高度h和地球长半轴R_e,地球扁心率e₀,根据以下公式可计算飞机在地球直角坐标系下的坐标值：

x＝(R_N+h)cos L cosλ

y＝(R_N+h)cos L sinλ

z＝[R_N(1-e₀)²+h]sin L

本优选实施例中，飞机在地球直角坐标系下的具体坐标值数据是：

x＝-1693166

y＝4979469

z＝3605326

第二步，根据惯性导航系统输出的飞机经度λ，纬度L，用以下公式计算从地球直角坐标系到导航坐标系的转换矩阵

本优选实施例中，计算可得：

第三步，根据惯性导航系统输出的飞机航向角ψ、横滚角γ、俯仰角θ，用以下公式计算从导航坐标系到飞机机体坐标系的转换矩阵

本优选实施例中，计算可得：

第四步，光电系统基座坐标系a是由飞机机体坐标系沿y轴旋转180度得到，坐标转换矩阵为：

第五步，根据光电系统横滚角、光电系统俯仰角，用以下公式计算从光电系统基座坐标系到瞄准线坐标系的转换矩阵

本优选实施例中，计算可得：

第六步，根据第三步计算的转换矩阵

第四步中计算的转换矩阵

和转换矩阵

用以下公式计算转换矩阵

本优选实施例中，计算可得：

故C₁₁＝-0.21540578、C₁₂＝0.35723112、C₂₁＝0.90202907、C₂₂＝0.42931893

再根据第二步计算的转换矩阵

第三步计算的转换矩阵

第四步中计算的转换矩阵

和转换矩阵

用以下公式计算转换矩阵

本优选实施例中，计算可得：

第七步，根据滤波后航向角α＝ψ，计算从导航坐标系到航向滤波坐标系的转换矩阵

用以下公式计算转换矩阵

本优选实施例中，计算可得：

采用以下公式得到航向滤波坐标系到瞄准线坐标系的转换矩阵

本优选实施例中，计算可得：

故，D₃₁＝-0.90541395，D₃₂＝0.09077818，D₃₃＝-0.41471063。

采用以下公式计算航向滤波坐标系下瞄准线横滚角

和俯仰角

本优选实施例中，计算可得：

故在左侧扫描起始点，航向滤波坐标系下瞄准线横滚角

设扫描到右端时，载机飞行的高度h＝5km、速度v＝220km/h,航向ψ＝60.1°、横滚角γ＝0.25°、俯仰角θ＝0.6°，飞机所在点的经度λ＝108.68964°，纬度L＝34.52215°。光电平台横滚角

俯仰角β＝-5.1°，重复以上步骤，可计算出扫描到右端时，航向滤波坐标系下瞄准线横滚角

第八步，根据地球长半径R_e、地球扁心率e₀，采用以下公式分别计算a、b:

a＝R_e

b＝a(1-e₀)

本优选实施例中，计算可得：

a＝R_e＝6378137

b＝a(1-e₀)＝6356752

根据第一步计算的地球直角坐标系下的坐标值，第六步计算的转换矩阵

采用以下公式计算R：

又因

则

故，

因此，

本优选实施例中，R取较小值，计算可得：

R＝12080m

根据第一步的假设，即R_L＝R＝12080m。

第九步，某光电系统电视视场为0.8°×0.6°，即φ_r＝0.8°，φ_p＝0.6°，重叠率overlap＝0.2，电视帧频f＝30HZ。采用以下公式计算ω：

ω＝φ_r(1-overlap)f

本优选实施例中，计算可得：

ω＝19.2°/s

第十步，根据以下公式分别计算V_N、V_E：

V_N＝v*cosψ

V_E＝v*sinψ

本优选实施例中，计算可得：

V_N＝30.56m/s

V_E＝52.92m/s

第十一步，再根据第六步中获得的转换系数C₁₁、C₁₂、C₂₁、C₂₂，第八步计算的距离R，第九步计算的ω及第十步计算的V_N、V_E，用以下公式分别计算在左端起始点开始扫描时，光电平台俯仰和横滚角速度：

本优选实施例中，计算可得：

同理可得，光电平台在扫描时任意时刻的俯仰和横滚角速度。

第十二步，设在该扫描任务中，目标运动的最大速度为60km/h,飞机最大飞行速度为380km/h，光电平台最大俯仰角θ_p＝20°，overlap＝0.2，根据以下公式计算扫描条副数n和扫描帧幅数n并取整数:

本优选实施例中，计算可得：

n＝6

计算近端步进角度，根据以下公式计算θ_L：

θ_L＝φ_p(1-overlap)

本优选实施例中，计算可得：

θ_L＝0.48°

计算远端步进角度，根据以下公式计算θ_R：

θ_R＝0.8*θ_L

本优选实施例中，计算可得：

θ_R＝0.384°

第十三步，当飞机快到达扫描区域时，控制系统调用地理指向工作模式，使瞄准线提前指向地理指向点，在广域扫描开始时，退出地理指向模式，进入广域扫描模式。根据第十一步实时计算的瞄准线控制指令

使光电系统横滚和俯仰开始运动。由于对飞机飞行引起的前向运动进行了补偿，瞄准线在俯仰方向上几乎不动，在横滚方向上相对地面开始从0加速到ω＝19.198°/s，当角速度达到匀速后，计算航向滤波坐标系下瞄准线横滚角度

控制计算机给快调反射镜发指令进行反扫，并在快调反射镜进入稳态后触发电视传感器曝光而获得一幅图像，依次进行n＝6次，快调反射镜不再反扫并停在零位，同时计算航向滤波坐标系下瞄准线横滚角度

此时，使角速度从ω＝19.198°/s匀减速到0。

第十四步，在光电系统横滚角速度从ω匀减速到0的过程中，使俯仰按照第十二步计算的角度θ_R＝0.384°向前步进。

第十五步，此时，瞄准线调转到了下一条幅的扫描开始位置。在横滚方向上瞄准线相对地面开始以最大加速度从0加速到-ω，同时不断计算在航向滤波坐标系下瞄准线的横滚角度

当角速度-ω达到匀速后，并且当横滚角度

与上一条幅最后一幅图像瞄准线横滚角度

相等时，触发快调反射镜反扫，并在快调反射镜进入稳态后触发电视传感器曝光而获得一幅图像，依次进行n＝6次，快调反射镜不再反扫并停在零位。使横滚相对地面角速度从-ω匀减速到0，俯仰向前步进角度θ_L＝0.48°。同理，再下一条扫描时，当在航向滤波坐标系下瞄准线横滚角

与上一条幅最后一幅图像瞄准线横滚角度

相等时，触发快调反射镜反扫，其余过程与以上步骤相同。按照上述控制方法循环进行n＝6次，然后自动退出局域扫描任务。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于机载光电系统的局域扫描方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：建立地球直角坐标系e、导航坐标系n、载机机体坐标系b、光电系统基座坐标系a、瞄准线坐标系s、航向滤波坐标系LL；某点的经度λ、纬度L、高度h，通过惯导系统测得，用地球直角坐标系e表示为：

x＝(R_N+h)cosLcosλ

y＝(R_N+h)cosLsinλ

z＝[R_N(1-e₀)²+h]sinL

其中，R_N为卯酉圈半径，e₀为地球扁率；

步骤2：导航坐标系n采用东北天地理坐标系，地球直角坐标系e到导航坐标系n的坐标转换矩阵为：

步骤3：载机机体坐标系b，机头方向为y轴，ψ为载机航向角、θ为载机俯仰角、γ为载机横滚角；导航坐标系n到载机机体坐标系b的坐标转换矩阵为：

步骤4：光电系统基座坐标系a是由载机机体坐标系b沿y轴旋转180度得到，坐标转换矩阵为：

步骤5：瞄准线坐标系s，由光电系统基座坐标系a先沿载机横滚轴转动光电系统横滚角

再沿俯仰轴转动光电系统俯仰角β得到，光电系统基座坐标系a到瞄准线坐标系s的坐标转换矩阵为：

步骤6：采用以下公式得到地球直角坐标系e到瞄准线坐标系s的转换公式：

采用以下公式得到导航坐标系n到瞄准线坐标系s的转换公式：

步骤7：航向滤波坐标系LL，航向滤波坐标系LL由导航坐标系n沿z轴旋转α角度得到，α是载机航向角ψ低通滤波得到的值；航向滤波坐标系绕导航坐标系缓慢旋转，导航坐标系n到航向滤波坐标系LL的坐标转换矩阵为：

由于

采用以下公式得到航向滤波坐标系LL到瞄准线坐标系s的转换公式：

设

采用以下公式计算在航向滤波坐标系LL下瞄准线横滚角

和俯仰角

步骤8：设载机A与瞄准线同地面交点T的距离为R，在扫描起始点和扫描结束点载机A与瞄准线同地面交点T的距离分别为R_L、R_R，用向量

表示瞄准线在地球直角坐标系e下的坐标，则，

其中r^s＝[00R]^T；

用向量

表示载机在地球直角坐标系e下的坐标，设瞄准线同地面交点T用向量表示为

并满足：

其中，a＝R_e为地球长半径，b为地球短半径；

而，

通过上式可计算出r^s，即载机A与瞄准线同地面交点T的距离为R；

步骤9：根据局域扫描原理，图像运动角速度为：

ω＝φ_r(1-overlap)f

其中，φ_r为电视横滚视场角，overlap为重叠率，f为电视传感器帧频；

步骤10：设

分别表示瞄准线在俯仰和横滚方向的控制指令，

为R的变化率；根据局域扫描控制理论，同时忽略地球自转引起的相对旋转角速度，局域扫描瞄准线控制指令为：

设

故

其中，V_E、V_N分别表示东、北向速度，ν为载机飞行速度，V_N＝v*cosψ，V_E＝v*sinψ；

步骤11：根据步骤8的假设，瞄准线向量为AT；按照局域扫描理论，为使瞄准线在地面运动轨迹为垂直于航迹的直线，瞄准线向量AT满足以下关系：

设

载机的速度为v，则：

因，

解算上式，可得：

其中，

分别表示在航向滤波坐标系下瞄准线俯仰角和横滚角，h表示载机飞行高度；

用以上新推导的瞄准线俯仰指令ω_p替代之前的瞄准线俯仰指令

则瞄准线在俯仰和横滚方向的控制指令为：

步骤12：设

为载机飞行最大速度，θ_p为某光电装置最大俯仰角，R_max为电视传感器最大作用距离,

为目标最大运动速度，φ'_p为传感器俯仰视场角φ_p的弧度值；分别计算局域扫描包含的扫描帧幅数n₁、扫描条幅数和扫描条幅数之间的步进角度：

在局域扫描过程中，近端步进角度为

θ_L＝φ_p(1-overlap)；

远端步进角度为

θ_R＝0.8*θ_L；

步骤13：当操作人员在广域扫描拼接图像中发现可疑目标时，双击目标后自动将可疑目标的地理坐标发给局域扫描控制模块，局域扫描控制模块根据目标位置解算扫描起始点，然后进入地理指向模式，瞄准线自动指向扫描起始点，然后自动进入局域扫描模式，根据步骤11计算的瞄准线控制指令

使光电系统横滚和俯仰开始运动；瞄准线在横滚方向上相对地面开始从0加速到ω，当角速度ω达到匀速后，控制计算机给快调反射镜发指令进行反扫，并在快调反射镜进入稳态后触发电视传感器曝光而获得一幅图像，依次进行n次，快调反射镜不再反扫并停在零位；此时，使ω匀减速到0；

步骤14：在光电系统横滚角速度从ω减速到0的过程中，使俯仰按照步骤12计算的角度θ_R向前步进；

步骤15：此时，瞄准线调转到了下一条幅的扫描开始位置；在横滚方向上瞄准线相对地面开始以最大加速度从0加速到-ω，同时不断计算瞄准线的横滚角；当角速度-ω达到匀速后，并且当瞄准线在航向滤波坐标系下横滚角

与上一条幅最后一幅图像瞄准线在航向滤波坐标系下横滚角相等时，触发快调反射镜反扫，并在快调反射镜进入稳态后触发电视传感器曝光而获得一幅图像，依次进行n次，快调反射镜不再反扫并停在零位；使横滚相对地面角速度从-ω匀减速到0，俯仰向前步进角度θ_L；同理，再下一条扫描时，当瞄准线在航向滤波坐标系下横滚角

与上一条幅最后一幅图像瞄准线在航向滤波坐标系下横滚角相等时，触发快调反射镜反扫，其余过程与以上步骤相同；按照上述局域扫描方法循环进行n次，系统自动退出局域扫描任务。

2.如权利要求1所述的基于机载光电系统的局域扫描方法，其特征在于，所述步骤1中，R_N＝R_e*(1+e₀sin²L)；

R_e为地球长半径。

3.如权利要求2所述的基于机载光电系统的局域扫描方法，其特征在于，所述

R_p＝b为地球短半径。

4.如权利要求3所述的基于机载光电系统的局域扫描方法，其特征在于，地球扁率e₀＝1/298.257＝0.00335281。

5.如权利要求4所述的基于机载光电系统的局域扫描方法，其特征在于，所述步骤7中，当载机近似匀速直线平飞时，α＝ψ。

6.如权利要求5所述的基于机载光电系统的局域扫描方法，其特征在于，所述步骤8中，a＝R_e为地球长半径，b＝R_p＝a(1-e₀)为地球短半径，e₀为地球扁率。

7.如权利要求1所述的基于机载光电系统的局域扫描方法，其特征在于，所述载机为有人飞机。

8.如权利要求1所述的基于机载光电系统的局域扫描方法，其特征在于，所述载机为无人飞机。

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