CN112040097A - 一种视场拼接的大幅面相机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种视场拼接的大幅面相机系统，包括：第一焦面组件、第二焦面组件、第一大幅面相机镜头、第二大幅面相机镜头、低分辨率相机焦面组件、低分辨率相机镜头、相机电子学单元、扫描控制单元、有效载荷安装板、方位框架、方位驱动机构、方位轴、俯仰框架、俯仰驱动机构和俯仰轴。本发明采用外视场拼接方式和二维扫描机构相结合实现大幅面成像。

Description

一种视场拼接的大幅面相机系统
技术领域
本发明属于光电成像技术领域，尤其涉及一种视场拼接的大幅面相机系统。
背景技术
大幅面相机系统是遥感信息获取的重要技术手段，在侦察、测绘，军事、商业等各领域具有广泛的应用。大幅面相机系统对地遥感可为卫星平台沿轨观测、平流程飞艇定点观测或航空飞机平台巡航观测。获取大幅面成像系统主要有下面三种成像方式：
第一种是采用单片超大幅面成像器件实现成像系统。如Leica公司在2016年推出的DMC III相机系统，采用的单独定制的超大幅面CMOS传感器像元规模达到26112×15000。
第二种是采用中小像素规模面阵成像器件，通过二维指向镜摆动或相机系统整机二维扫描实现大幅面成像。如图1为一种二维扫描成像系统地面足迹示意图，x向为相机系统运行方向，垂直相机系统运行方向9点步进扫描，在一次(例如从第1点～第9点)观测过程中，沿相机运动方向二维指向镜连续运动以补偿星下点运动，达到视轴X向驻留功能。
第三种是采用视场拼接方式实现大幅面成像系统。专利CN 106231162 A提出一种可重构大视场无缝拼接成像系统，拼接成像系统包括s个成像模块，每个焦面单元包括M0*N0个面阵图像传感器；专利CN 105472214 A用多行图像传感器横向错位拼接，像沿纵向连续位移，图像传感器按一定频率快拍成像，然后各通道数据通过像元匹配合成一幅图像，这两种方法采用器件拼接方式，然后通过采用多镜头外视场拼接实现大幅面成像。发明专利CN 102883095A、CN 102905061A均采用双镜头、分光棱镜方式实现拼接，属于内视场拼接方法。发明专利CN 109120826 A提出一种大幅面相机内外视场混合拼接方法，属于内外视场混合拼接方法。
采用单片超大幅面成像器件实现成像系统的缺点是一般超大幅面成像器件需单独定制，器件研制技术难度大，器件研制周期长、成本高。采用中小像素规模面阵成像器件，通过二维指向镜摆动或相机系统整机二维扫描实现大幅面成像，一般应用在侦察成像系统中，二维指向机构运动机构结构设计和电子学控制相对复杂，后续图像处理全场景拼接相对复杂，如用于测绘成像几何精度受到很大限制。采用视场拼接方式实现大幅面成像系统可用于侦察和测绘领域。内视场拼接在拼接处产生光晕，对定标和处理照成一定的困扰；外视场拼接实现大幅面成像，一般至少需要四个镜头，相机系统复杂。相机系统数据量，因采用器件多，整机成本偏高。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种视场拼接的大幅面相机系统，采用外视场拼接方式和二维扫描机构相结合实现大幅面成像。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种视场拼接的大幅面相机系统，包括：第一焦面组件、第二焦面组件、第一大幅面相机镜头、第二大幅面相机镜头、低分辨率相机焦面组件、低分辨率相机镜头、相机电子学单元、扫描控制单元、有效载荷安装板、方位框架、方位驱动机构、方位轴、俯仰框架、俯仰驱动机构和俯仰轴；其中，第一大幅面相机镜头和第二大幅面相机镜头光学参数相同，两个镜头光轴平行；第一焦面组件包括多个第一焦面，第二焦面组件包括多个第二焦面，第一焦面和第二焦面交替拼接；第一大幅面相机镜头与相对应的第一焦面组件相连接，第二大幅面相机镜头与相对应的第二焦面组件相连接；低分辨率相机镜头与低分辨率相机焦面组件连接；第一焦面组件、第二焦面组件、低分辨率相机焦面组件与相机电子学单元连接；方位驱动机构设置于方位框架上，俯仰驱动机构设置于俯仰框架上；方位驱动机构、俯仰驱动机构分别与扫描控制单元连接；扫描控制单元与相机电子学单元连接；第一焦面组件和第一大幅面相机镜头、第一焦面组件和第一大幅面相机镜头、低分辨率相机焦面组件和低分辨率相机镜头、相机电子学单元、扫描控制单元安装于有效载荷安装板上；有效载荷安装板通过俯仰轴安装于俯仰驱动机构上；俯仰框架及驱动通过方位轴安装于方位驱动机构上。
上述视场拼接的大幅面相机系统中，物方场景光线经第一大幅面相机镜头汇聚在第一焦面组件处，物方场景光线经第二大幅面相机镜头汇聚在第二焦面组件处，第一焦面组件和第二焦面组件将物方场景光信号转换为一维面阵矩阵图像，并将一维面阵矩阵图像输出至相机电子学单元中存储；物方场景光线经低分辨率相机镜头汇聚在低分辨率相机焦面组件处，低分辨率相机焦面组件将物方场景光信号转换为电信号图像，并将电信号图像输出至相机电子学单元中存储；相机电子学单元根据相机系统工作模式，输出扫描控制指令至扫描控制单元；扫描控制单元根据扫描控制指令输出俯仰控制信号至俯仰驱动机构，俯仰驱动机构驱动俯仰轴，实现俯仰方向扫描；扫描控制单元根据扫描控制指令输出方位控制信号至方位驱动机构，方位驱动机构驱动方位轴，实现方位方向扫描。
上述视场拼接的大幅面相机系统中，一维面阵矩阵图像形成的约束条件为：沿俯仰轴轴向相邻两个第一焦面或第二焦面间的距离为l,第一焦面或第二焦面沿俯仰轴轴向长度为L，满足l＜L约束要求。
上述视场拼接的大幅面相机系统中，低分辨率相机镜头的视场角与第一大幅面相机镜头沿俯仰轴轴向视场角相同。
上述视场拼接的大幅面相机系统中，低分辨率相机镜头的视场角与第二大幅面相机镜头沿俯仰轴轴向视场角相同。
上述视场拼接的大幅面相机系统中，所述相机系统工作模式包括巡航成像模式、定点成像模式、斜视扫描成像模式和悬停区域成像模式。
上述视场拼接的大幅面相机系统中，在巡航成像模式下，相机电子学单元发送固定的沿飞行方向方位角指向角度、竖直向下的俯仰角指向角度信息至扫描控制单元，俯仰框架、方位框架自稳定工作状态；相机系统沿飞行方向获取一维面阵矩阵推扫图像。
上述视场拼接的大幅面相机系统中，在定点成像模式下，相机电子学单元发送指向定点位置的方位角指向角度、俯仰角指向角度信息至扫描控制单元，扫描控制单元控制俯仰框架、方位框架，使相机系统始终对准定点位置图像。
上述视场拼接的大幅面相机系统中，在斜视扫描成像模式下，相机电子学单元发送指向成像方向的方位角指向角度，扫描范围的俯仰角指向角度信息至扫描控制单元，扫描控制单元控制方位框架指向固定角度，俯仰框架扫描范围往复扫描，相机系统斜视成像。
上述视场拼接的大幅面相机系统中，在悬停区域成像模式下，相机电子学单元发送固定的方位角指向角度，扫描范围的俯仰角指向角度信息至扫描控制单元，扫描控制单元控制方位框架指向固定角度，俯仰框架扫描范围往复扫描，相机系统下视扫描成像。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明通过双大幅面相机镜头多焦面拼接实现一维面阵矩阵图像，使相机系统获取较大旁向视场角，提高作业效率；
(2)相对二维摆扫的单面阵拼接图像，本发明通过多焦面面阵器件拼接，形成的一维面阵矩阵图像具有图像内法高几何稳定性，利于后续图像处理和定位；
(3)本发明通过大幅面相机镜头多焦面拼接和常规两轴两框架转台组合，减小了拼接器件数量，降低了成本；不同于二维摆扫的单面阵相机系统，两轴两框架转台参与扫描同时，可形成多种工作模式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是现有技术中的二维扫描成像系统地面足迹示意图；
图2是本发明实施例提供的相机系统框图；
图3是本发明实施例提供的视场拼接的大幅面相机系统的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的焦面拼接示意图；
图5是本发明实施例提供的焦面拼接的另一示意图；
图6是本发明实施例提供的巡航成像模式示意图；
图7是本发明实施例提供的定点成像模式示意图；
图8是本发明实施例提供的斜视扫描成像模式示意图；
图9是本发明实施例提供的悬停区域成像模式示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图2是本发明实施例提供的相机系统框图；图3是本发明实施例提供的视场拼接的大幅面相机系统的结构示意图。如图2和图3所示，该视场拼接的大幅面相机系统包括：第一焦面组件11、第二焦面组件12、第一大幅面相机镜头21、第二大幅面相机镜头22、低分辨率相机焦面组件3、低分辨率相机镜头4、相机电子学单元5、扫描控制单元6、有效载荷安装板7、方位框架81、方位驱动机构83、方位轴82、俯仰框架91、俯仰驱动机构93和俯仰轴92。其中，
第一大幅面相机镜头21和第二大幅面相机镜头22光学参数相同，两个镜头光轴平行；第一焦面组件11包括多个第一焦面，第二焦面组件12包括多个第二焦面，第一焦面和第二焦面交替拼接；第一大幅面相机镜头21与相对应的第一焦面组件11相连接，第二大幅面相机镜头22与相对应的第二焦面组件12相连接；低分辨率相机镜头4与低分辨率相机焦面组件3连接；第一焦面组件11、第二焦面组件12、低分辨率相机焦面组件3与相机电子学单元5连接；方位驱动机构83设置于方位框架81上，俯仰驱动机构93设置于俯仰框架91上；方位驱动机构83、俯仰驱动机构93分别与扫描控制单元6连接；扫描控制单元6与相机电子学单元5连接。第一焦面组件11和第一大幅面相机镜头21、第一焦面组件12和第一大幅面相机镜头22、低分辨率相机焦面组件3和低分辨率相机镜头4、相机电子学单元5、扫描控制单元6安装于有效载荷安装板7上；有效载荷安装板7通过俯仰轴92安装于俯仰驱动机构93上；俯仰框架及驱动91通过方位轴82安装于方位驱动机构83上。
物方场景光线经第一大幅面相机镜头21汇聚在第一焦面组件11处，物方场景光线经第二大幅面相机镜头22汇聚在第二焦面组件12处，第一焦面组件11和第二焦面组件12将物方场景光信号转换为一维面阵矩阵图像，并将一维面阵矩阵图像输出至相机电子学单元5中存储；一维面阵矩阵图像大小为39168×5120。
物方场景光线经低分辨率相机镜头4汇聚在低分辨率相机焦面组件3处，低分辨率相机焦面组件3将物方场景光信号转换为电信号图像，并将电信号图像输出至相机电子学单元5中存储；
相机电子学单元5根据相机系统工作模式，输出扫描控制指令至扫描控制单元6；扫描控制单元6根据扫描控制指令输出俯仰控制信号至俯仰驱动机构93，俯仰驱动机构93驱动俯仰轴92，实现俯仰方向扫描；扫描控制单元6根据扫描控制指令输出方位控制信号至方位驱动机构83，方位驱动机构83驱动方位轴82，实现方位方向扫描。
形成一维面阵矩阵图像约束条件：沿俯仰轴轴向相邻两个第一焦面(或第二焦面)间的距离为l,第一焦面(或第二焦面)沿俯仰轴轴向长度为L，满足l＜L约束要求。第一焦面和第二焦面可互换位置。
低分辨率相机镜头4的视场角与第一大幅面相机镜头21(及第二大幅面相机镜头21)沿俯仰轴轴向视场角相同。实施例中低分辨率相机焦面像元数5120×5120、像元尺寸5μm×5μm，旁向视场角36.2°，低分辨率相机镜头焦距40mm。
第一大幅面相机镜头和第二大幅面相机镜头光学参数相同，两个镜头光轴平行；实施例中镜头焦距300mm。
大幅面相机拼接后示意如图4，其中奇数组焦面组成第一焦面组件11，偶数组焦面组成第二焦面组件12。两组焦面可互换，焦面拼接方向与飞行方向垂直。
第一焦面组件包括4个第一焦面，第二焦面组件包括4个第二焦面，第一焦面和第二焦面交替拼接；大幅面相机拼接后示意如图5，每个焦面像元数5120×5120、像元尺寸5μm×5μm、拼接后重叠像元256，拼接后旁向视场角36.2°。
所述相机系统工作模式含有“巡航成像”模式、“定点成像”模式、“斜视扫描成像”模式和“悬停区域成像”模式。
如图6所示，“巡航成像”模式下，相机电子学单元发送固定的沿飞行方向方位角指向角度、竖直向下的俯仰角指向角度信息至扫描控制单元，相机俯仰框架、方位框架自稳定工作状态；相机系统沿飞行方向获取一维面阵矩阵推扫图像。
如图7所示，“定点成像”模式下，相机电子学单元发送指向定点位置的方位角指向角度、俯仰角指向角度信息至扫描控制单元，扫描控制单元控制相机俯仰框架、方位框架，使相机系统始终对准定点位置图像。
如图8所示，“斜视扫描成像”模式下，相机电子学单元发送指向成像方向的方位角指向角度，扫描范围的俯仰角指向角度信息至扫描控制单元，扫描控制单元控制相机方位框架指向固定角度，俯仰框架扫描范围往复扫描，相机系统斜视成像。
如图9所示，“悬停区域成像”模式下，相机电子学单元发送固定的方位角指向角度，扫描范围的俯仰角指向角度信息至扫描控制单元，扫描控制单元控制相机方位框架指向固定角度，俯仰框架扫描范围往复扫描，相机系统下视扫描成像。
本发明通过双大幅面相机镜头多焦面拼接实现一维面阵矩阵图像，使相机系统获取较大旁向视场角，提高作业效率；相对二维摆扫的单面阵拼接图像，本发明通过多焦面面阵器件拼接，形成的一维面阵矩阵图像具有图像内法高几何稳定性，利于后续图像处理和定位；本发明通过大幅面相机镜头多焦面拼接和常规两轴两框架转台组合，减小了拼接器件数量，降低了成本；不同于二维摆扫的单面阵相机系统，两轴两框架转台参与扫描同时，可形成多种工作模式。
本发明采用了外视场拼接方式和一维扫描机构相结合实现大幅面成像，可有效降低系统复杂度和实现低成本。应用卫星系统或航空飞行平台可锁定一维扫描机构，沿轨(或飞行方向)推扫面阵成像；也可对感兴趣区域定点成像。应用平流层飞艇平台，一维扫描机构摆动，可对地面大范围区域监测。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种视场拼接的大幅面相机系统，其特征在于包括：第一焦面组件(11)、第二焦面组件(12)、第一大幅面相机镜头(21)、第二大幅面相机镜头(22)、低分辨率相机焦面组件(3)、低分辨率相机镜头(4)、相机电子学单元(5)、扫描控制单元(6)、有效载荷安装板(7)、方位框架(81)、方位驱动机构(83)、方位轴(82)、俯仰框架(91)、俯仰驱动机构(93)和俯仰轴(92)；其中，
第一大幅面相机镜头(21)和第二大幅面相机镜头(22)光学参数相同，两个镜头光轴平行；
第一焦面组件(11)包括多个第一焦面，第二焦面组件(12)包括多个第二焦面，第一焦面和第二焦面交替拼接；
第一大幅面相机镜头(21)与相对应的第一焦面组件(11)相连接，第二大幅面相机镜头(22)与相对应的第二焦面组件(12)相连接；
低分辨率相机镜头(4)与低分辨率相机焦面组件(3)连接；
第一焦面组件(11)、第二焦面组件(12)、低分辨率相机焦面组件(3)与相机电子学单元(5)连接；
方位驱动机构(83)设置于方位框架(81)上，俯仰驱动机构(93)设置于俯仰框架(91)上；
方位驱动机构(83)、俯仰驱动机构(93)分别与扫描控制单元(6)连接；
扫描控制单元(6)与相机电子学单元(5)连接；
第一焦面组件(11)和第一大幅面相机镜头(21)、第一焦面组件12和第一大幅面相机镜头22、低分辨率相机焦面组件(3)和低分辨率相机镜头(4)、相机电子学单元(5)、扫描控制单元(6)安装于有效载荷安装板(7)上；
有效载荷安装板(7)通过俯仰轴(92)安装于俯仰驱动机构(93)上；
俯仰框架及驱动91通过方位轴(82)安装于方位驱动机构(83)上。
2.根据权利要求1所述的视场拼接的大幅面相机系统，其特征在于：物方场景光线经第一大幅面相机镜头(21)汇聚在第一焦面组件(11)处，物方场景光线经第二大幅面相机镜头(22)汇聚在第二焦面组件(12)处，第一焦面组件(11)和第二焦面组件(12)将物方场景光信号转换为一维面阵矩阵图像，并将一维面阵矩阵图像输出至相机电子学单元(5)中存储；
物方场景光线经低分辨率相机镜头(4)汇聚在低分辨率相机焦面组件(3)处，低分辨率相机焦面组件(3)将物方场景光信号转换为电信号图像，并将电信号图像输出至相机电子学单元(5)中存储；
相机电子学单元(5)根据相机系统工作模式，输出扫描控制指令至扫描控制单元(6)；扫描控制单元(6)根据扫描控制指令输出俯仰控制信号至俯仰驱动机构(93)，俯仰驱动机构(93)驱动俯仰轴(92)，实现俯仰方向扫描；扫描控制单元(6)根据扫描控制指令输出方位控制信号至方位驱动机构(83)，方位驱动机构(83)驱动方位轴(82)，实现方位方向扫描。
3.根据权利要求2所述的视场拼接的大幅面相机系统，其特征在于：一维面阵矩阵图像形成的约束条件为：沿俯仰轴轴向相邻两个第一焦面或第二焦面间的距离为l,第一焦面或第二焦面沿俯仰轴轴向长度为L，满足l＜L约束要求。
4.根据权利要求2所述的视场拼接的大幅面相机系统，其特征在于：低分辨率相机镜头(4)的视场角与第一大幅面相机镜头(21)沿俯仰轴轴向视场角相同。
5.根据权利要求2所述的视场拼接的大幅面相机系统，其特征在于：低分辨率相机镜头(4)的视场角与第二大幅面相机镜头(22)沿俯仰轴轴向视场角相同。
6.根据权利要求2所述的视场拼接的大幅面相机系统，其特征在于：所述相机系统工作模式包括巡航成像模式、定点成像模式、斜视扫描成像模式和悬停区域成像模式。
7.根据权利要求6所述的视场拼接的大幅面相机系统，其特征在于：在巡航成像模式下，相机电子学单元发送固定的沿飞行方向方位角指向角度、竖直向下的俯仰角指向角度信息至扫描控制单元，俯仰框架、方位框架自稳定工作状态；相机系统沿飞行方向获取一维面阵矩阵推扫图像。
8.根据权利要求6所述的视场拼接的大幅面相机系统，其特征在于：在定点成像模式下，相机电子学单元发送指向定点位置的方位角指向角度、俯仰角指向角度信息至扫描控制单元，扫描控制单元控制俯仰框架、方位框架，使相机系统始终对准定点位置图像。
9.根据权利要求6所述的视场拼接的大幅面相机系统，其特征在于：在斜视扫描成像模式下，相机电子学单元发送指向成像方向的方位角指向角度，扫描范围的俯仰角指向角度信息至扫描控制单元，扫描控制单元控制方位框架指向固定角度，俯仰框架扫描范围往复扫描，相机系统斜视成像。
10.根据权利要求6所述的视场拼接的大幅面相机系统，其特征在于：在悬停区域成像模式下，相机电子学单元发送固定的方位角指向角度，扫描范围的俯仰角指向角度信息至扫描控制单元，扫描控制单元控制方位框架指向固定角度，俯仰框架扫描范围往复扫描，相机系统下视扫描成像。
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