CN111586256A - 一种基于二维快速反射镜的动态扫描宽幅成像控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于二维快速反射镜的动态扫描宽幅成像控制系统及方法，旨在简化成像系统，提高补偿能力和精度，实现较高的成像效率。该基于二维快速反射镜的动态扫描宽幅成像控制系统中，面阵相机采用折反式光学系统，内部装有二维快速反射镜(FSM)；所述二维快速反射镜由二维快速驱动机构和反射镜组成，反射镜作为面阵相机的次镜；所述一维扫描平台的横滚扫描框架按照设定速度相对惯性空间沿翼展方向动态扫描，曝光时间内，所述控制单元根据POS数据及两陀螺角速度，计算合成光轴运动轨迹得出二维快速反射镜的控制指令，驱动所述面阵相机的次镜沿横滚及俯仰方向偏转，实现前向像移、扫描像移及飞行平台的扰动补偿。

Description

一种基于二维快速反射镜的动态扫描宽幅成像控制系统及 方法

技术领域

本发明涉及一种宽幅扫描成像控制系统及方法。

背景技术

为实现宽幅扫描成像，需要带动面阵相机进行动态扫描，在扫描区域内进行多次曝光成像，实现宽幅成像。扫描运动、飞机的飞行运动及姿态扰动都会导致面阵相机曝光期间内视轴运动，产生像移，造成成像图像的运动模糊。因此在成像过程中，需要隔离姿态扰动，补偿扫描像移及飞行像移，稳定视轴，实现扫描过程的清晰成像。

现有宽幅扫描相机补偿前向像移的方法主要有两种。一种是在外扫描框架基础上增加内俯仰框架，通过内俯仰框带动相机回扫实现前向像移补偿。另一种是在外扫描框架基础上增加45°反射镜回扫补偿前向像移，该45°反射镜在物方，口径较大。

现有扫描像移补偿方法大多是控制扫描机构以某一速度v1匀速扫描，控制补偿镜在曝光时间内以v1/2速度反向匀速转动，达到像移补偿功能。此方法对曝光期间内扫描机构和补偿反射镜的速度均匀性要求较高，对曝光期间内速度波动无补偿能力，速度波动会反映到视轴波动，引起图像模糊，随着曝光时间的增加，这种速度波动影响会越大。

部分扫描稳像采用基于地理位置视轴跟踪的像移补偿方法。该方法通过姿态测量系统计算曝光过程中视轴相对地理平面的夹角变化Δα，以视轴的角度变化为输入，实时控制反射镜反向偏转，将探测器视轴对应物点始终稳定在初始视轴对应物点，实现补偿像移，该方法虽然不要求扫描机构与反射镜速度的均匀性，但是姿态测量系统通常带宽较低，姿态角度更新实时性差，由姿态传感器计算视轴运动实时性较差，造成补偿效果不理想。

部分扫描稳像采用稳定平台+步进扫描方式，稳定平台用来隔离飞机平台扰动，步进扫描到曝光位置停止扫描并保持稳定后开始曝光；曝光完成后，扫描机构继续进行扫描。这种控制方案需要对扫描机构反复进行“启-停”控制，“启-停”转换加减速过程及机构稳定过程需要较长时间，成像效率低，且需外加稳定平台，增加了系统成本和机械机构。

发明内容

本发明提出一种基于二维快速反射镜的动态扫描宽幅成像控制系统及方法，旨在简化成像系统，提高补偿能力和精度，实现较高的成像效率。

本发明的技术方案如下：

一种基于二维快速反射镜的动态扫描宽幅成像控制系统，包括：

绕横滚轴旋转的一维扫描平台，所述一维扫描平台包括基座、横滚扫描框架、驱动电机及其编码器；

安装于所述横滚扫描框架内的面阵相机、横滚陀螺和俯仰陀螺，其中横滚陀螺与所述横滚轴平行，面阵相机光轴垂直于横滚陀螺与俯仰陀螺敏感轴所在的平面；

安装于所述基座上的位姿测量仪(POS)；

以及控制单元；

其特殊之处在于，所述面阵相机采用折反式光学系统，内部装有二维快速反射镜(FSM)；所述二维快速反射镜由二维快速驱动机构和反射镜组成，反射镜作为面阵相机的次镜(即面阵相机的次镜固定于二维快速驱动机构，使得二维快速驱动机构驱动面阵相机的次镜二维运动实现光路偏转)；所述一维扫描平台的横滚扫描框架按照设定速度相对惯性空间沿翼展方向动态扫描，曝光时间内，所述控制单元根据POS数据及两陀螺角速度，计算合成光轴运动轨迹(即视轴(LOS)运动轨迹)得出二维快速反射镜的控制指令，驱动所述面阵相机的次镜沿横滚及俯仰方向偏转，实现前向像移、扫描像移及飞行平台的扰动补偿。

基于以上方案，本发明还进一步作了如下优化：

所述二维快速驱动机构的基座与面阵相机镜筒固定连接。

所述二维快速反射镜采用直线音圈电机驱动。

相应的，本发明还给出一种基于二维快速反射镜的动态扫描宽幅成像控制方法，具体包括以下环节：

1)一维扫描平台以横滚陀螺为反馈，在某一成像条带的起点位置，控制横滚扫描框架以及面阵相机按照设定扫描速度相对惯性空间沿翼展方向动态扫描；

2)当扫描机构运动至某一帧曝光位置，采集POS数据及(横滚扫描框架横滚轴的)横滚编码器数据合成前向像移，同时采集俯仰陀螺实时数据测得飞行平台俯仰方向的扰动，将该扰动与所述前向像移叠加合成视轴(LOS)俯仰方向的运动轨迹，以此作为二维快速反射镜的俯仰方向位置指令，驱动所述面阵相机的次镜沿俯仰方向反向偏转，补偿前向像移及飞行平台俯仰方向扰动；

3)同时，根据横滚陀螺实时数据，合成视轴(LOS)横滚方向的运动轨迹，以此作为二维快速反射镜的横滚方向位置指令，驱动所述面阵相机的次镜沿横滚方向反向偏转，补偿扫描像移及横滚向平台扰动；

4)曝光结束后，二维快速反射镜返回初始位置，完成一个曝光成像周期；重复环节2)、3)，有序进行一个扫描条内多次曝光成像，完成一个扫描条带成像；

5)一个扫描条带成像结束后，控制一维扫描平台迅速回程至下一条带起始位置，重复环节2)、3)、4)，完成下一条带成像，最终实现宽幅成像。

本发明可以隔离飞机平台扰动，补偿扫描像移和前向像移，控制曝光过程光轴稳定，实现动态宽幅扫描成像。具体有以下优点：

1、宽幅扫描成像系统简单，体积重量减小

无需引入俯仰框架或45°反射镜扫描机构回扫补偿前向像移，只需要一个自由度的横滚扫描平台结合二维快速反射镜即可实现宽幅成像，驱动横滚扫描机构动态扫描拓宽视场，曝光期间内二维快速反射镜驱动次镜沿俯仰方向偏转补偿前向像移及飞行平台俯仰向扰动，驱动横滚方向偏转补偿扫描像移及飞行平台横滚向扰动，保证曝光期间内视轴指向稳定；二维快速反射镜安装于次镜位置，口径较45°反射镜大大缩小，本发明中宽幅成像机构无需俯仰框架或也无45°反射镜，因此体积重量有较大改善。

2、俯仰方向补偿能力强

在一维横滚扫描平台横滚框架内安装了俯仰陀螺，利用俯仰陀螺获取飞行平台俯仰向扰动，将该分量与前向像移叠加，补偿前向像移的同时完成飞行平台扰动的补偿。

3、横滚方向扫描像移补偿精度高

在曝光期间实时采集速率陀螺数据，得到视轴运动轨迹，合成二维快速反射镜控制命令，控制次镜反向偏转追踪轨迹，补偿像移，此方法不要求扫描机构与二维反射镜运动的速度均匀性，可实时感知曝光期间内速度波动并补偿，且速率陀螺的带宽及数据刷新速率较姿态传感器高，采用速率陀螺合成视轴运动轨迹较采用姿态传感器合成的方式实时性高，响应快。

4、成图效率高

本方案采用连续动态扫描成像，成图效率较启停式步进扫描成图效率高。

附图说明

图1为动态扫描成像系统组成图。

图2为动态扫描宽幅成像的控制结构图。

图3为动态扫描宽幅成图示意图。

图4为一维扫描机构扫描运动曲线示意图。

图5为二维快速反射镜运动示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的一个具体实施方式，作进一步详细说明。

如图1所示，一种基于二维快速反射镜的动态扫描宽幅成像控制系统，包括面阵相机、扫描机构、二维快速反射镜、位姿测量仪(POS)、横滚陀螺及俯仰陀螺；扫描机构为绕横滚轴旋转的一维扫描平台，包含基座1、横滚扫描框架3、驱动电机2及编码器8；面阵相机6、横滚及俯仰陀螺5安装于横滚扫描框架内，横滚陀螺与一维扫描平台转轴平行，光轴垂直对地时俯仰陀螺与飞行平台俯仰轴平行，扫描平台可驱动横滚框架扫描；位姿测量仪(POS)4固连于扫描平台基座，用于测量基座的姿态运动，采用东北天系，X轴指向正东，Y轴指向正北，Z轴指天向，其中Y轴与横滚轴平行。面阵相机的次镜粘贴于二维快速驱动机构，通过驱动面阵相机的次镜二维偏转，实现光路横滚及俯仰方向的改变。

如图2所示，扫描平台驱动面阵相机沿翼展方向动态扫描拓宽视场，曝光成像期间采集两陀螺数据及POS数据计算合成光轴运动轨迹，控制二维快反镜驱动次镜沿横滚及俯仰方向偏转补偿扫描像移、前向像移及飞行平台扰动，稳定视轴实现宽幅成像。

具体过程如下：

1)利用位姿测量仪(POS)，测量出描稳定平台基座姿态包括偏航角

俯仰角θ、横滚角

和飞行速度向量为

2)由飞行速度向量为

及偏航姿态角

计算沿飞行方向的速度V₁；

3)在某一成像条带的起点位置，以设定扫描速度ω_{r_com}作为外横滚框架的指令，以陀螺横滚分量ω_{r_fdb}作为反馈，控制扫描机构相对惯性空间沿翼展方向扫描；

4)成图区间内，在某一帧曝光起始时刻如图3中照片1位置，根据POS姿态信息及编码器角度，合成前向像移运行速度：

其中θ为俯仰姿态角度，θ_encode为横滚编码器角，α₀为光轴垂直对地时编码器角度值；

5)采集俯仰陀螺速度ω_{p_fdb}，将该速度与前向像移速度叠加，由次镜运动的放大倍数M，合成二维快速反射镜俯仰位置指令θ_{p_fsm_com}，方法如下式，以此指令控制二维快速反射镜俯仰方向反向偏转，实现前向像移及俯仰方向扰动补偿；

6)实时采集横滚陀螺速度ω_{r_fdb}，根据次镜放大倍数M，合成二维快速反射镜横滚位置指令θ_{r_fsm_com}，方法如下，以此指令控制二维快速反射镜横滚方向反向偏转，实现扫描像移补偿与横滚向精稳定；

7)曝光结束后，补偿反射镜返回初始位置，完成一个曝光成像周期，等待下一个曝光时刻如图3中照片2位置点，重复上述过程，有序进行一个扫描条内多次曝光成像，直到位置N点，获得连续清晰的一个条带图像；图4为一维扫描机构扫描运动曲线示意图，图5为二维快速反射镜运动示意图；

8)控制扫描机构按回程轨迹回到下一条带起始点，重复以上步骤，完成下一条带成图，实现宽幅成像，如图3所示。

Claims (4)

1.一种基于二维快速反射镜的动态扫描宽幅成像控制系统，包括：

绕横滚轴旋转的一维扫描平台，所述一维扫描平台包括基座、横滚扫描框架、驱动电机及其编码器；

安装于所述横滚扫描框架内的面阵相机、横滚陀螺和俯仰陀螺，其中横滚陀螺与所述横滚轴平行，面阵相机光轴垂直于横滚陀螺与俯仰陀螺敏感轴所在的平面；

安装于所述基座上的位姿测量仪(POS)；

以及控制单元；

其特征在于：

所述面阵相机采用折反式光学系统，内部装有二维快速反射镜(FSM)；所述二维快速反射镜由二维快速驱动机构和反射镜组成，反射镜作为面阵相机的次镜；

所述一维扫描平台的横滚扫描框架按照设定速度相对惯性空间沿翼展方向动态扫描，曝光时间内，所述控制单元根据POS数据及两陀螺角速度，计算合成光轴运动轨迹得出二维快速反射镜的控制指令，驱动所述面阵相机的次镜沿横滚及俯仰方向偏转，实现前向像移、扫描像移及飞行平台的扰动补偿。

2.根据权利要求1所述的基于二维快速反射镜的动态扫描宽幅成像控制系统，其特征在于：所述二维快速驱动机构的基座与面阵相机镜筒固定连接。

3.根据权利要求1所述的基于二维快速反射镜的动态扫描宽幅成像控制系统，其特征在于：所述二维快速反射镜采用直线音圈电机驱动。

4.一种基于二维快速反射镜的动态扫描宽幅成像控制方法，其特征在于，利用权利要求1所述的一种基于二维快速反射镜的动态扫描宽幅成像控制系统，具体包括以下环节：

1)一维扫描平台以横滚陀螺为反馈，在某一成像条带的起点位置，控制横滚扫描框架以及面阵相机按照设定扫描速度相对惯性空间沿翼展方向动态扫描；

2)当扫描机构运动至某一帧曝光位置，采集POS数据及横滚编码器数据合成前向像移，同时采集俯仰陀螺实时数据测得飞行平台俯仰方向的扰动，将该扰动与所述前向像移叠加合成视轴(LOS)俯仰方向的运动轨迹，以此作为二维快速反射镜的俯仰方向位置指令，驱动所述面阵相机的次镜沿俯仰方向反向偏转，补偿前向像移及飞行平台俯仰方向扰动；

3)同时，根据横滚陀螺实时数据，合成视轴(LOS)横滚方向的运动轨迹，以此作为二维快速反射镜的横滚方向位置指令，驱动所述面阵相机的次镜沿横滚方向反向偏转，补偿扫描像移及横滚向平台扰动；

4)曝光结束后，二维快速反射镜返回初始位置，完成一个曝光成像周期；重复环节2)、3)，有序进行一个扫描条内多次曝光成像，完成一个扫描条带成像；

5)一个扫描条带成像结束后，控制一维扫描平台迅速回程至下一条带起始位置，重复环节2)、3)、4)，完成下一条带成像，最终实现宽幅成像。

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