CN113654526A - 一种低空快速飞行条件下的光电吊舱扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明目的在于提供一种低空快速飞行条件下的光电吊舱扫描方法，实时计算图像所代表的空间地理位置，并根据相邻图像的重叠系数来调整伺服框架的摆动角速度，以实现对目标区域快速、大范围和无遗漏地扫描，解决了光电吊舱传统扫描方法搜索效率较低的问题。光电吊舱扫描系统，包括：光学相机、激光测距仪、伺服框架、图像处理模块、基座和POS模块。光学相机还包括快速反射镜。其中，伺服框架按一定的摆动频率驱动光学相机对大范围区域扫描成像，快速反射镜维持光学相机视轴在曝光期间的惯性空间稳定，以清晰成像。

Description

一种低空快速飞行条件下的光电吊舱扫描方法

技术领域

本发明涉及一种光电吊舱扫描方法，特别是一种低空快速飞行条件下的光电吊舱扫描方法。

背景技术

光电吊舱是一种安装在飞机、舰船、车辆等载体上的带有旋转框架的光电设备，一般用于汽车、人体等目标的探测和识别。光电吊舱可以集成多种载荷，主要载荷包括：光学相机、激光测距仪和POS模块。光学相机用于白天/黑夜获取目标的高清晰图像；激光测距仪发出激光，检测目标反射回来的光信号，测量目标距离；POS模块实现卫星和惯性组合定位测姿，获得光电吊舱自身的位置和姿态。

在低空快速飞行条件下，飞机的速高比较大，光电吊舱对地观测存在困难。首先，速高比过大导致没有足够时间开展大范围扫描搜索；其次，地面景物在光电吊舱视场内的移动速度比较大，曝光时造成图像脱尾，不易清晰成像；再次，有限时间内，无法做到扫描区域的无缝衔接，容易错失有价值的地面目标。

在低空快速飞行条件下，传统的光电吊舱扫描方法是：降低搜索效率，减小一次飞行所能扫描的地面面积，利用框架伺服或者快速反射镜实现地面小范围景物的清晰成像；对特定区域反复扫描，以免遗漏地面目标。采用这种方法后，需要多次往返飞行才能完成特定区域的扫描，降低了搜索效率，增加了任务时间。

为了实现低空快速飞行条件下的大范围搜索能力，需要采取新的扫描方法，解决光电吊舱传统扫描方法搜索效率较低的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种低空快速飞行条件下的光电吊舱扫描方法，解决光电吊舱传统扫描方法搜索效率较低的问题。

一种低空快速飞行条件下的光电吊舱扫描方法的具体步骤为：

第一步 搭建光电吊舱扫描系统

光电吊舱扫描系统，包括：光学相机、激光测距仪、伺服框架、图像处理模块、基座、POS模块。所述光学相机，包括：机身、镜头和快速反射镜。

光学相机呈长方体形状，置于伺服框架内台体，实现图像采集功能。机身与镜头固定连接；快速反射镜是一片带电机驱动的圆形镜片，置于镜头内，实现摆扫条件下的稳像功能。

激光测距仪内嵌光学镜头，呈长方体形状，置于伺服框架内台体，通过发射激光实现对地面测距。伺服框架呈球形，基座呈圆柱形，伺服框架与基座通过法兰连接。

POS模块的功能为：通过陀螺、加表和卫星接收机的测量，输出吊舱的姿态角和地理位置。

图像处理模块的功能为：接收来自光学相机的图像，完成图像处理和数据解算。

第二步 图像处理模块确定扫描条带宽度和摆动角速度

光电吊舱扫描系统进入扫描区域前，图像处理模块确定扫描条带宽度和摆动角速度。

利用公式(1)确定平行飞行方向的扫描条带宽度L：

L＝D×ε/sinθ (1)

公式(1)中，D为距离地面的飞行高度，ε为光学相机纵轴视场，θ为视轴与水平地面的夹角。

利用公式(2)确定伺服方位框横向摆动角速度ω：

公式(2)中，m为从一侧摆动到另一侧过程中成像次数，γ为光学相机横轴视场，k为相邻图像的重叠系数，υ为光电吊舱扫描系统飞行速度，L为方位框左右摆动一次时间内飞行距离。

利用公式(3)确定垂直飞行方向的扫描条带宽度W：

第三步 快速反射镜补偿像移

伺服框架连续摆动后，快速反射镜在光学相机曝光时按相反方向摆动，补偿图像像移，使景物清晰成像。

第四步 POS模块确定位置信息

POS模块采集陀螺和加速度信息，开展组合导航；采集卫星信号，确定惯性/卫星耦合，得到经度、纬度和高程信息。

第五步 图像处理模块对单帧图像所对应的地面区域定位

根据经度、纬度和高程信息，以及伺服框架的方位角和俯仰角，图像处理模确定视轴在惯性空间的方位和俯仰角。设图像里视轴零位坐标为O(x0,y0)，左上角点坐标为A(0，0)，左下角点坐标为B(0，H_pix),右下角点坐标为C(W_pix,H_pix)，右上角点坐标为D(W_pix,0)。W_pix、H_pix分别是图像宽度和高度方向上的有效像素。

A点相对于O点的方位偏差ψ_A，用公式(4)表示：

A点相对于O点的俯仰偏差

用公式(5)表示：

公式(5)中，f代表光学相机焦距，d代表像元尺寸。以视轴零位方向作为X轴，图像纵坐标所代表方向为Y轴，光学相机姿态矩阵为

惯性系旋转到A点所指地面景物方向的姿态矩阵

用公式(6)表示：

从而由姿态矩阵得到A点所指地面景物方向在惯性空间的方位和俯仰角。同理推导出B、C和D点所指地面景物方向在惯性空间的方位和俯仰角，再根据激光测距仪的距离信息，确定视轴零位和4个角点所指地面景物的经度、纬度和高程，实现对单帧图像所对应的地面区域的定位。

第六步 图像处理模块完成扫描区域的图像拼接

图像处理模块在记录扫描过程中对多帧图像所对应的地面区域位置信息，根据相邻图像边长重叠情况确定相邻区域重叠系数，判断相邻区域是否无缝连接。相邻区域重叠较少时，降低摆动角速度；相邻区域重叠较多时，增大摆动角速度。通过区域累加，逐步扩大已扫描区域的边界。当已扫描区域相对于目标区域，在东北、东南、西南和西北四个端点上的地理坐标更趋东北、东南、西南和西北时，表明已完全覆盖目标区域，光电吊舱扫描完成。

至此，完成低空快速飞行条件下的光电吊舱扫描。

本发明采用快速反射镜补偿像移来实现连续摆扫，通过单帧图像定位和多帧图像无缝拼接实现区域全覆盖，解决了低空快速飞行条件下传统扫描方法时间长、区域有遗漏等缺点，提高了搜索效率。

具体实施方式

一种低空快速飞行条件下的光电吊舱扫描方法的具体步骤为：

第一步 搭建光电吊舱扫描系统

光电吊舱扫描系统，包括：光学相机、激光测距仪、伺服框架、图像处理模块、基座、POS模块。所述光学相机，包括：机身、镜头和快速反射镜。

光学相机呈长方体形状，置于伺服框架内台体，实现图像采集功能。机身与镜头固定连接；快速反射镜是一片带电机驱动的圆形镜片，置于镜头内，实现摆扫条件下的稳像功能。

激光测距仪内嵌光学镜头，呈长方体形状，置于伺服框架内台体，通过发射激光实现对地面测距。伺服框架呈球形，基座呈圆柱形，伺服框架与基座通过法兰连接。

POS模块的功能为：通过陀螺、加表和卫星接收机的测量，输出吊舱的姿态角和地理位置。

图像处理模块的功能为：接收来自光学相机的图像，完成图像处理和数据解算。

第二步 图像处理模块确定扫描条带宽度和摆动角速度

光电吊舱扫描系统进入扫描区域前，图像处理模块确定扫描条带宽度和摆动角速度。

利用公式(1)确定平行飞行方向的扫描条带宽度L：

L＝D×ε/sinθ (1)

公式(1)中，D为距离地面的飞行高度，ε为光学相机纵轴视场，θ为视轴与水平地面的夹角。

利用公式(2)确定伺服方位框横向摆动角速度ω：

公式(2)中，m为从一侧摆动到另一侧过程中成像次数，γ为光学相机横轴视场，k为相邻图像的重叠系数，υ为光电吊舱扫描系统飞行速度，L为方位框左右摆动一次时间内飞行距离。

利用公式(3)确定垂直飞行方向的扫描条带宽度W：

第三步 快速反射镜补偿像移

伺服框架连续摆动后，快速反射镜在光学相机曝光时按相反方向摆动，补偿图像像移，使景物清晰成像。

第四步 POS模块确定位置信息

POS模块采集陀螺和加速度信息，开展组合导航；采集卫星信号，确定惯性/卫星耦合，得到经度、纬度和高程信息。

第五步 图像处理模块对单帧图像所对应的地面区域定位

根据经度、纬度和高程信息，以及伺服框架的方位角和俯仰角，图像处理模确定视轴在惯性空间的方位和俯仰角。设图像里视轴零位坐标为O(x0,y0)，左上角点坐标为A(0，0)，左下角点坐标为B(0，H_pix),右下角点坐标为C(W_pix,H_pix)，右上角点坐标为D(W_pix,0)。W_pix、H_pix分别是图像宽度和高度方向上的有效像素。

A点相对于O点的方位偏差ψ_A，用公式(4)表示：

A点相对于O点的俯仰偏差

用公式(5)表示：

公式(5)中，f代表光学相机焦距，d代表像元尺寸。以视轴零位方向作为X轴，图像纵坐标所代表方向为Y轴，光学相机姿态矩阵为

惯性系旋转到A点所指地面景物方向的姿态矩阵

用公式(6)表示：

从而由姿态矩阵得到A点所指地面景物方向在惯性空间的方位和俯仰角。同理推导出B、C和D点所指地面景物方向在惯性空间的方位和俯仰角，再根据激光测距仪的距离信息，确定视轴零位和4个角点所指地面景物的经度、纬度和高程，实现对单帧图像所对应的地面区域的定位。

第六步 图像处理模块完成扫描区域的图像拼接

图像处理模块在记录扫描过程中对多帧图像所对应的地面区域位置信息，根据相邻图像边长重叠情况确定相邻区域重叠系数，判断相邻区域是否无缝连接。相邻区域重叠较少时，降低摆动角速度；相邻区域重叠较多时，增大摆动角速度。通过区域累加，逐步扩大已扫描区域的边界。当已扫描区域相对于目标区域，在东北、东南、西南和西北四个端点上的地理坐标更趋东北、东南、西南和西北时，表明已完全覆盖目标区域，光电吊舱扫描完成。

至此，完成低空快速飞行条件下的光电吊舱扫描。

Claims (6)

1.一种低空快速飞行条件下的光电吊舱扫描方法，其特征在于具体步骤为：

第一步 搭建光电吊舱扫描系统

光电吊舱扫描系统，包括：光学相机、激光测距仪、伺服框架、图像处理模块、基座、POS模块；所述光学相机，包括：机身、镜头和快速反射镜；

光学相机呈长方体形状，置于伺服框架内台体，实现图像采集功能；机身与镜头固定连接；快速反射镜是一片带电机驱动的圆形镜片，置于镜头内，实现摆扫条件下的稳像功能；

激光测距仪内嵌光学镜头，呈长方体形状，置于伺服框架内台体，通过发射激光实现对地面测距；伺服框架呈球形，基座呈圆柱形，伺服框架与基座通过法兰连接；

第二步 图像处理模块确定扫描条带宽度和摆动角速度

光电吊舱扫描系统进入扫描区域前，图像处理模块确定扫描条带宽度和摆动角速度；

利用公式(1)确定平行飞行方向的扫描条带宽度L：

L＝D×ε/sinθ (1)

利用公式(2)确定伺服方位框横向摆动角速度ω：

利用公式(3)确定垂直飞行方向的扫描条带宽度W：

第三步 快速反射镜补偿像移

伺服框架连续摆动后，快速反射镜在光学相机曝光时按相反方向摆动，补偿图像像移，使景物清晰成像；

第四步 POS模块确定位置信息

POS模块采集陀螺和加速度信息，开展组合导航；采集卫星信号，确定惯性/卫星耦合，得到经度、纬度和高程信息；

第五步 图像处理模块对单帧图像所对应的地面区域定位

根据经度、纬度和高程信息，以及伺服框架的方位角和俯仰角，图像处理模确定视轴在惯性空间的方位和俯仰角；设图像里视轴零位坐标为O(x0,y0)，左上角点坐标为A(0，0)，左下角点坐标为B(0，H_pix),右下角点坐标为C(W_pix,H_pix)，右上角点坐标为D(W_pix,0)；W_pix、H_pix分别是图像宽度和高度方向上的有效像素；

A点相对于O点的方位偏差ψ_A，用公式(4)表示：

A点相对于O点的俯仰偏差

用公式(5)表示：

惯性系旋转到A点所指地面景物方向的姿态矩阵

用公式(6)表示：

从而由姿态矩阵得到A点所指地面景物方向在惯性空间的方位和俯仰角；同理推导出B、C和D点所指地面景物方向在惯性空间的方位和俯仰角，再根据激光测距仪的距离信息，确定视轴零位和4个角点所指地面景物的经度、纬度和高程，实现对单帧图像所对应的地面区域的定位；

第六步 图像处理模块完成扫描区域的图像拼接

图像处理模块在记录扫描过程中对多帧图像所对应的地面区域位置信息，根据相邻图像边长重叠情况确定相邻区域重叠系数，判断相邻区域是否无缝连接；相邻区域重叠较少时，降低摆动角速度；相邻区域重叠较多时，增大摆动角速度；通过区域累加，逐步扩大已扫描区域的边界；当已扫描区域相对于目标区域，在东北、东南、西南和西北四个端点上的地理坐标更趋东北、东南、西南和西北时，表明已完全覆盖目标区域，光电吊舱扫描完成；

至此，完成低空快速飞行条件下的光电吊舱扫描。

2.根据权利要求1所述的一种低空快速飞行条件下的光电吊舱扫描方法，其特征在于所述POS模块的功能为：通过陀螺、加表和卫星接收机的测量，输出吊舱的姿态角和地理位置。

3.根据权利要求1所述的一种低空快速飞行条件下的光电吊舱扫描方法，其特征在于所述图像处理模块的功能为：接收来自光学相机的图像，完成图像处理和数据解算。

4.根据权利要求1所述的一种低空快速飞行条件下的光电吊舱扫描方法，其特征在于所述公式(1)中，D为距离地面的飞行高度，ε为光学相机纵轴视场，θ为视轴与水平地面的夹角。

5.根据权利要求1所述的一种低空快速飞行条件下的光电吊舱扫描方法，其特征在于所述公式(2)中，m为从一侧摆动到另一侧过程中成像次数，γ为光学相机横轴视场，k为相邻图像的重叠系数，υ为光电吊舱扫描系统飞行速度，L为方位框左右摆动一次时间内飞行距离。

6.根据权利要求1所述的一种低空快速飞行条件下的光电吊舱扫描方法，其特征在于所述公式(5)中，f代表光学相机焦距，d代表像元尺寸；以视轴零位方向作为X轴，图像纵坐标所代表方向为Y轴，光学相机姿态矩阵为