CN114114955A - 高精度航空面阵ccd相机异速像移物理仿真及验证系统和方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种高精度航空面阵CCD相机异速像移物理仿真及验证系统和方法，系统包括气浮平台、平行光管、动目标发生器、反射镜组件、航空环境模拟试验箱、CCD成像组件、以及计算机采集及分析系统，平行光管固定在气浮平台上，提供匀速运动无穷远目标；动目标发生器设置在气浮平台上，并设置在平行光管的一端前方，用于模拟飞机倾斜引起的像移；反射镜组件设置在平行光管的另一端前方，用于反射平行光管的入射光，进行成像；CCD成像组件设置在航空环境模拟试验箱内，捕获目标并成像；计算机采集及分析系统与CCD成像组件连接，接收输出的动态目标成像并进行像移补偿效果的分析、计算。具有高精度性、克服了现有像移验证系统不具备异速像移功能的缺点。

Description

高精度航空面阵CCD相机异速像移物理仿真及验证系统和 方法

技术领域

本申请属于航空航天技术领域，涉及一种高精度航空面阵CCD相机异速 像移物理仿真及验证系统和方法。

背景技术

在侦察过程中，侦察机为躲避敌方雷达的监视，需要做高速低空飞行。低 空高速飞行大大提高飞机自身的战场生存能力和纵深侦察监视能力，但这时航 空成像的靶面上会出现严重像移，导致航空成像模糊，影响航空侦察的效果。 飞机在前向飞行中，由于飞机自身的姿态调整(如侧身飞行)或航空相机镜头俯 仰角度的调整，使得航空相机处于图1所示的斜视工作状态。在靶面上的示意 图如图2所示，它的特点是靶面上像素点的像移方向相同，但不同像素区域的 像移量大小不同，这种像移被称为异速像移。航空相机进行斜视工作具有重要 的技战术意义，所以异速像移在航空像移中占有重要位置。

在数字化大环境的推动下，摄影测量数字化正在迅猛发展，航空摄影数字 化由于大规模CCD器件、高动态定位和定姿技术的发展，加上数字航空相机 自身的优点，高分辨率数字航空相机毫无疑问将逐步取代胶片作为载体的航空 相机。航空数码相机在军用和民用领域都有着重要的用途和广阔的应用前景。 在国民经济方面，我国正在大力发展高空对地观测技术，高分辨率面阵CCD 航空相机已经在地图航空、资源普查和灾情评估等方面发挥了重要作用，其较 胶片航空相机的优点已经得到明显体现。在国防安全领域，高分辨率面阵CCD 航空相机在打击效果侦察、战场侦察和目标动态监视、为部队提供侦察情报保 障等方面具有重要的战略意义。因此，航空成像像移补偿技术有向电子化、数 字化方向发展的迫切需求。

高分辨率大面阵CCD相机在倾斜成像过程中，飞行器、航空相机、CCD 探测器相关参数如：飞行高度，飞行速度，倾斜角度，半视场角，焦距，阵列 大小，像素大小等参数改变都会导致相机在像面上产生像移。因此，模拟航空 面阵CCD相机成像条件对目标进行动态成像，分析大尺寸面阵CCD实时动态 成像尤为重要。

有鉴于此，急需研究一种高精度航空面阵CCD相机异速像移物理仿真及 验证系统和方法，对航空面阵CCD相机异速成像动态场景信息进行物理仿真， 验证航空异速像移补偿方法的有效性。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的是提供一种高精度航空面阵CCD相机异速像移 物理仿真及验证系统及方法，用于异速像移补偿方法、效果的仿真及检验，解 决现有像移验证系统不具备异速像移仿真及验证功能的技术问题。

为实现上述目的，本申请提供一种高精度航空面阵CCD相机异速像移物 理仿真及验证系统，包括气浮平台、平行光管、动目标发生器、反射镜组件、 航空环境模拟试验箱、CCD成像组件、以及计算机采集及分析系统，

所述平行光管固定在所述气浮平台上，为所述面阵CCD相机异速像移动 态成像提供匀速运动无穷远目标；

所述动目标发生器设置在所述气浮平台上，并设置在所述平行光管的一端 前方，用于模拟飞机倾斜引起的像移；

所述反射镜组件设置在所述平行光管的另一端前方，用于反射所述平行光 管的入射光，进行成像；

所述航空环境模拟试验箱用来模拟航空飞行环境；

所述CCD成像组件设置在所述航空环境模拟试验箱内，用于捕获目标并 成像；

所述计算机采集及分析系统与所述CCD成像组件连接，用于接收输出的 动态目标成像并进行像移补偿效果的分析、计算。

优选的，所述CCD成像组件包括面阵CCD相机、快门组件、驱动电路组 件，所述面阵CCD相机、所述快门组件、所述驱动电路组件均设置在所述航 空环境模拟试验箱内，所述驱动电路组件用于驱动所述面阵CCD相机工作， 所述快门组件用于控制快门运动进行曝光。

优选的，所述动目标发生器包括精密转台和高精度编码器，所述高精度编 码器安装于所述精密转台上，所述精密转台转动带动所述高精度编码器转动， 产生一串脉冲，所述脉冲的频率与所述精密转台的转速成反比。

优选的，所述动目标发生器可以以不同的速度转动。

优选的，所述高精度编码器为高精度增量编码器。

优选的，所述快门组件为机械快门组件。

本申请实施例还提供一种基于所述的高精度航空面阵CCD相机异速像移 物理仿真及验证系统进行仿真及验证的方法，对像移补偿积分时序的验证包括 以下过程：

S1、确定像移补偿积分时序的参数，调试所述成像组件，确保其正常成像；

S2、固定所述CCD成像组件，将靶标固定于所述动目标发生器上，控制 所述动目标发生器匀速转动，所述靶标跟随所述动目标发生器同步转动，在转 移行数固定的情况下，采用不同的像移补偿速度,采集运动的靶标图像来验证 像移补偿积分时序。

优选的，所述步骤S1的具体步骤如下：

S11、所述平行光管和动目标模拟器为面阵CCD相机异速匹配动态成像提 供匀速运动的无穷远目标；

S12、调整所述航空面阵CCD相机的焦距，产生异速运动目标；

S13、根据事先确定的系统参数计算出异速运动目标的速度；

S14、根据异速运动目标的速度设计所述航空面阵CCD相机的行扫描周期；

S15、通过控制快门组件的运动从而控制曝光，驱动电路组件驱动主时序 单元生成时序信号。

优选的，所述步骤S2的具体步骤如下：

S21、异速像移补偿单元根据时序信号中的垂直时序信号，根据驱动控制 方法，结合快门狭缝运动以及异速像移补片上补偿方法产生渐变式电荷驱动对 异速运动进行像移补偿；

S22、所述计算机采集及分析系统接收输出的动态目标成像并进行分析、 计算，可得到所述航空面阵CCD相机各成像像元的动态调制传递函数及动态 分辨率；

S23、利用Matlab软件编程，根据面阵CCD像面对动态目标获得的图像 清晰度、计算得到的动态调制传递函数及动态分辨率即可确定面阵CCD像面 是否存在异速成像匹配误差，对获得的靶标进行判读及数学分析即可评估异速 像移补片上补偿方法的有效性。

本申请的高精度航空面阵CCD相机异速像移物理仿真及验证系统及方法， 可通过模拟不同的像移补偿速度，计算机采集及分析系统采集运动的靶标图像， 分析验证像移补偿时序；可对航空面阵CCD相机异速成像动态场景信息进行 物理仿真，可验证航空异速像移补偿方法的有效性，具有高精度、克服了现有 像移验证系统不具备异速像移功能的缺点。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述 中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付 出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为航空相机倾斜成像斜视像移示意图；

图2为靶面示意图；

图3为本申请的高精度航空面阵CCD相机异速像移物理仿真及验证系统 的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造 性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

关于异速像移：

如图1所示，在侦察过程中，侦察机为躲避敌方雷达的监视，需要做高速 低空飞行。低空高速飞行大大提高飞机自身的战场生存能力和纵深侦察监视能 力，但这时航空成像的靶面上会出现严重像移，导致航空成像模糊，影响航空 侦察的效果。飞机在前向飞行中，由于飞机自身的姿态调整(如侧身飞行)或航 空相机镜头俯仰角度的调整，使得航空相机处于图1所示的斜视工作状态。在 靶面上的示意图如图2所示，它的特点是靶面上像素点的像移方向相同，但不 同像素区域的像移量大小不同，这种像移被称为异速像移。

关于像移速度：

飞机飞行方向上焦平面的像移速率并不是不变的。它是由倾斜的范围和斜 距R(即镜头到地面景物对应点的距离)决定的。范围越大，焦平面处像移速 率越小。具体地，在垂直飞行方向上，某点P2处的像移速率前像像移V_P2为：

其中，ε是视场角的一半，δ是相机的俯角，f是镜头焦距；V是飞机飞行 速度；R是斜距，即镜头到与焦平面对应地面的点的距离。如图1所示，焦平面 阵列FPA在几何学上可被进一步做如下描述：

这里，对于任意一个给定的θ，y是在垂直于飞行方向上所拍摄地面区域 的某点距中心线的距离。如下所示：

其中，δ是俯角，即视场中心与水平线间的夹角；H是飞机的高度。

因此：

直于焦平面方向的像移对于图像质量的影响可以由计算焦平面阵列像移 调制传递函数MTF得出。由(4)式，对于给定的镜头焦距f、俯角δ、视场角ε 和飞机的速高比V/H，在垂直于焦平面方向上，图像某点x处的速度v_x可表示为：

经计算与分析可知异步像速只与相机的横向视角和倾斜角有关,与飞机的 纵向视角无关。

分块选取计算原理分析：依据像移补偿精度要求通过公式将面阵CCD的若 干列像素划分通过公式计算出合适的分块数与像移补偿速度。其原理如图3所 示。

镜头横向的俯仰角度为δ,镜头的焦距为f,镜头半视场角为θ,地面远景 点速度为

地面近景点在CCD阵面上的N点处的像移速度为:

近、远景点间像移速度比值

当ε取固定值 时V_N/V_F值随俯仰角δ的减小而增大,当δ变动范围在[90°,θ)时,V_N/V_F的 取值范围[1,+∞)，这说明镜头的横向俯仰角度对地面远近物点在CCD面上对应像 点的像移速度差值影响很大,随着δ的减小像移速度差异已经无法近似忽略。

将CCD的像面分成相等的块，每块的宽度为

其中d为分的块数。

前向像移的速度只与纵向视场角有关，与横向视场角无关，像面上视场角 点N处的像移速度为:

实施例1：

本申请提供一种高精度航空面阵CCD相机61异速像移物理仿真及验证系 统，如图3所示，包括气浮平台1、平行光管2、动目标发生器3、反射镜组件 4、航空环境模拟试验箱5、CCD成像组件6、以及计算机采集及分析系统7，

所述平行光管2固定在所述气浮平台1上，为所述面阵CCD相机61异速 像移动态成像提供匀速运动无穷远目标；

所述动目标发生器3设置在所述气浮平台1上，并设置在所述平行光管2 的一端前方，用于模拟飞机倾斜引起的像移；

所述反射镜组件4设置在所述平行光管2的另一端前方，用于反射所述平 行光管2的入射光，进行成像；

所述航空环境模拟试验箱用来模拟航空飞行环境；

所述CCD成像组件6设置在所述航空环境模拟试验箱5内，用于捕获目 标并成像；

所述计算机采集及分析系统7与所述CCD成像组件6连接，用于接收输 出的动态目标成像并进行像移补偿效果的分析、计算。

所述平行光管2发出的光经所述反射镜组件4反射后进入所述CCD成像 组件6，所述CCD成像组件6用于捕获目标并成像，所述计算机采集及分析系 统7用于接收所述CCD成像组件6输出的动态目标成像并进行像移补偿效果 的分析和计算。

所述CCD成像组件6包括面阵CCD相机61、快门组件62、驱动电路组 件63。所述面阵CCD相机61、快门组件62、驱动电路组件63均设置在所述 航空环境模拟试验箱5内，所述驱动电路组件63用于驱动所述面阵CCD相机 61工作，所述快门组件62用于控制快门运动进行曝光，所述快门组件62为机 械快门组件62。

其中，所述动目标发生器3包括精密转台31和高精度编码器32，优选的， 所述高精度编码器32为高精度增量编码器，所述高精度增量编码器安装于所 述精密转台31上，所述精密转台31转动带动所述高精度增量编码器转动，产 生一串脉冲，脉冲的频率与所述精密转台31的转速成反比。这一脉冲作为航 空面阵CCD相机61的行转移频率，原理上可大大减少精密转台31转速误差 对航空面阵CCD相机61成像的影响。

实施例2：

本申请实施例还提供一种基于所述的高精度航空面阵CCD相机61异速像 移物理仿真及验证系统进行仿真及验证的方法，对像移补偿积分时序的验证包 括以下过程：

S1、确定像移补偿积分时序的参数，调试所述成像组件，确保其正常成像；

S2、固定所述CCD成像组件6，将靶标固定于所述动目标发生器3上， 控制所述动目标发生器3匀速转动，所述靶标跟随所述动目标发生器3同步转 动，在转移行数固定的情况下，采用不同的像移补偿速度,采集运动的靶标图 像来验证像移补偿积分时序。

更为具体的，所述步骤S1的具体步骤如下：

S11、所述平行光管2和动目标模拟器为面阵CCD相机61异速匹配动态 成像提供匀速运动的无穷远目标；

S12、调整所述航空面阵CCD相机61的焦距，产生异速运动目标；

S13、根据事先确定的系统参数计算出异速运动目标的速度；

S14、根据异速运动目标的速度设计所述航空面阵CCD相机61的行扫描 周期；

S15、通过控制快门组件62的运动从而控制曝光，所述驱动电路组件63 驱动主时序单元生成时序信号。

更为具体的，所述步骤S2的具体步骤如下：

S21、异速像移补偿单元根据时序信号中的垂直时序信号，根据驱动控制 方法，结合快门狭缝运动以及异速像移补片上补偿方法产生渐变式电荷驱动对 异速运动进行像移补偿；

S22、所述计算机采集及分析系统7接收输出的动态目标成像并进行分析、 计算，可得到所述航空面阵CCD相机61各成像像元的动态调制传递函数及动 态分辨率；

S23、利用Matlab软件编程，根据面阵CCD像面对动态目标获得的图像 清晰度、计算得到的动态调制传递函数及动态分辨率即可确定面阵CCD像面 是否存在异速成像匹配误差，对获得的靶标进行判读及数学分析即可评估异速 像移补片上补偿方法的有效性。

更为具体的，异速像移成像匹配误差利用像移失配调制传递函数

表示，其中f_c为奈奎斯特空间频率，s为为由像移速度匹配 残差引起的位移残差。

靶标图样在焦平面所成像的宽度

其中f₂为平行光管焦距，f₁为相 机焦距，w为一对明暗条纹宽度，1/R与相机的奈奎斯特频率差越小，说明异 速像移片上补偿有效性越好。

本申请的高精度航空面阵CCD相机61异速像移物理仿真及验证系统及方 法，可通过模拟不同的像移补偿速度，计算机采集及分析系统7采集运动的靶 标图像，分析验证像移补偿时序；可对航空面阵CCD相机61异速成像动态场 景信息进行物理仿真，可验证航空异速像移补偿方法的有效性，具有高精度、 克服了现有像移验证系统不具备异速像移功能的缺点。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申 请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请 的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高精度航空面阵CCD相机异速像移物理仿真及验证系统，其特征在于，包括气浮平台、平行光管、动目标发生器、反射镜组件、航空环境模拟试验箱、CCD成像组件、以及计算机采集及分析系统，

所述平行光管固定在所述气浮平台上，为所述面阵CCD相机异速像移动态成像提供匀速运动无穷远目标；

所述动目标发生器设置在所述气浮平台上，并设置在所述平行光管的一端前方，用于模拟飞机倾斜引起的像移；

所述反射镜组件设置在所述平行光管的另一端前方，用于反射所述平行光管的入射光，进行成像；

所述航空环境模拟试验箱用来模拟航空飞行环境；

所述CCD成像组件设置在所述航空环境模拟试验箱内，用于捕获目标并成像；

所述计算机采集及分析系统与所述CCD成像组件连接，用于接收输出的动态目标成像并进行像移补偿效果的分析、计算。

2.根据权利要求1所述的高精度航空面阵CCD相机异速像移物理仿真及验证系统，其特征在于，所述CCD成像组件包括面阵CCD相机、驱动电路组件、快门组件，所述面阵CCD相机、所述快门组件、所述驱动电路组件均设置在所述航空环境模拟试验箱内，所述驱动电路组件用于驱动所述面阵CCD相机工作，所述快门组件用于控制快门运动进行曝光。

3.根据权利要求1所述的高精度航空面阵CCD相机异速像移物理仿真及验证系统，其特征在于，所述动目标发生器包括精密转台和高精度编码器，所述高精度编码器安装于所述精密转台上，所述精密转台转动带动所述高精度编码器转动，产生一串脉冲，所述脉冲的频率与所述精密转台的转速成反比。

4.根据权利要求1所述的高精度航空面阵CCD相机异速像移物理仿真及验证系统，其特征在于，所述动目标发生器可以以不同的速度转动。

5.根据权利要求3所述的高精度航空面阵CCD相机异速像移物理仿真及验证系统，其特征在于，所述高精度编码器为高精度增量编码器。

6.根据权利要求2所述的高精度航空面阵CCD相机异速像移物理仿真及验证系统，其特征在于，所述快门组件为机械快门组件。

7.一种基于权利要求1-6任一项权利要求所述的高精度航空面阵CCD相机异速像移物理仿真及验证系统进行仿真及验证的方法，其特征在于，对像移补偿积分时序的验证包括以下过程：

S1、确定像移补偿积分时序的参数，调试所述成像组件，确保其正常成像；

S2、固定所述CCD成像组件，将靶标固定于所述动目标发生器上，控制所述动目标发生器匀速转动，所述靶标跟随所述动目标发生器同步转动，在转移行数固定的情况下，采用不同的像移补偿速度,采集运动的靶标图像来验证像移补偿积分时序。

8.根据权利要求7所述的高精度航空面阵CCD相机异速像移物理仿真及验证系统进行仿真及验证的方法，其特征在于，所述步骤S1的具体步骤如下：

S11、所述平行光管和动目标模拟器为面阵CCD相机异速匹配动态成像提供匀速运动的无穷远目标；

S12、调整所述航空面阵CCD相机的焦距，产生异速运动目标；

S13、根据事先确定的系统参数计算出异速运动目标的速度；

S14、根据异速运动目标的速度设计所述航空面阵CCD相机的行扫描周期；

S15、通过控制快门组件的运动从而控制曝光，驱动电路组件驱动主时序单元生成时序信号。

9.根据权利要求7所述的高精度航空面阵CCD相机异速像移物理仿真及验证系统进行仿真及验证的方法，其特征在于，所述步骤S2的具体步骤如下：

S21、异速像移补偿单元根据时序信号中的垂直时序信号，根据驱动控制方法，结合快门狭缝运动以及异速像移补片上补偿方法产生渐变式电荷驱动对异速运动进行像移补偿；

S22、所述计算机采集及分析系统接收输出的动态目标成像并进行分析、计算，可得到所述航空面阵CCD相机各成像像元的动态调制传递函数及动态分辨率；

S23、利用Matlab软件编程，根据面阵CCD像面对动态目标获得的图像清晰度、计算得到的动态调制传递函数及动态分辨率即可确定面阵CCD像面是否存在异速成像匹配误差，对获得的靶标进行判读及数学分析即可评估异速像移补片上补偿方法的有效性。

10.根据权利要求9所述的高精度航空面阵CCD相机异速像移物理仿真及验证系统进行仿真及验证的方法，其特征在于，所述异速像移成像匹配误差利用像移失配调制传递函数

表示，其中f_c为奈奎斯特空间频率，s为为由像移速度匹配残差引起的位移残差；

靶标图样在焦平面所成像的宽度

其中f₂为平行光管焦距，f₁为相机焦距，w为一对明暗条纹宽度，1/R与相机的奈奎斯特频率差越小，说明异速像移片上补偿有效性越好。

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