CN114415195B - 一种运动成像补偿装置及运动补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种运动成像补偿装置及运动补偿方法，属于成像技术领域。所述成像装置包括基座、成像单元、运动补偿单元与控制系统。所述基座是成像单元与视场运动补偿单元、控制单元的承载主体，成像目标运动补偿单元包括主旋转结构与次旋转结构，次旋转结构与主旋转结构的旋转轴在三维空间平行，旋转方向相反，次旋转结构与光学部件连接，次旋转结构带动光学部件转动，主、次旋转结构按照设定的控制程序旋转，主旋转结构在次旋转结构轴心的线速度在成像光路主光轴上的分量用于成像目标与成像单元相对运动的补偿，次旋转结构带动光学部件转动实现姿态角补偿。在设定的运动补偿区间，成像视场在成像系统焦平面曝光期间处于相对静止的状态下成像。

Description

一种运动成像补偿装置及运动补偿方法

技术领域

本发明涉及运动成像技术领域，尤其涉及一种运动成像补偿装置及运动补偿方法。

背景技术

在很多运动成像环境里，成像目标视场与成像系统之间的相对运动可以是成像目标不动，成像系统运动，或者是成像系统不动、成像目标运动，也可以是两者都在运动，相对运动速度可以是匀速的或者非匀速的，在同一个时间坐标系里，相对运动等价于成像系统与成像目标之间的相对位移。目标与成像系统之间产生相对运动是造成图像质量退化的重要因素。为了降低图像的运动模糊，一种有效的方法是改变或降低相机与被摄目标相对运动的速度差，在成像系统与被摄目标相对运动位移很小的情况下成像。在相对运动速度较低的时候，有多种方法与装置可以实现将相对运动速度降低到很小，如往复式运动。所述往复式运动方法包括：控制装置控制成像装置沿设定轨迹做往复运动；当所述成像装置跟随成像目标运动，且所述成像装置的运动速度大小与成像目标的运动速度的差值在预设范围内时，所述控制装置控制所述成像装置采集所述成像目标的图像数据。完成一次成像后，成像装置需要回到成像之前的初始位置，进而开始下一次的成像。往复运动方式在相对运动速度较高的时候，往复式运动补偿机构从静止到高速，需要很长的行程才能达到较高的速度，这样将会导致运动补偿运动成像补偿装置体积增大。其二是往复式运动经历从静止-启动-加速-维持恒速-减速-静止的正向运动与类似过程的反向运动，运动的长度等效于振幅。当往复周期运动频率不断升高后，形成高频振动，大振幅叠加高频率形成高速往复运动补偿的速度天花板，从而无法满足成像的条件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种运动成像补偿装置与运动补偿方法，解决现有运动成像补偿装置在往复运动时往复频率不断升高从而无法满足成像条件的问题。

一种运动成像补偿装置，所述运动成像补偿装置包括基座、成像单元、运动补偿单元与控制系统，所述基座用于固定成像单元以及运动补偿单元的空间位置，控制系统控制运动成像补偿装置的运行，所述运动补偿单元包括主旋转结构与次旋转结构，还包括光学部件设置在成像单元感光靶面与成像目标之间的光路上的光学部件，所述光学部件跟随次旋转结构的旋转轴旋转，所述次旋转结构的旋转轴心位于以主旋转结构旋转轴心为原点的射线上，所述主旋转结构与次旋转结构的旋转方向相反，旋转的角速度相同。

进一步地，所述主旋转结构上设有多个次旋转结构。任意一个次旋转结构均可以连接光学部件用于运动成像补偿，增加次旋转结构的数量可以缩短成像周期。每一个次旋转结构质量分布是动平衡的，多个次旋转结构与主旋转结构构成的运动补偿机构的质量分布是动平衡的，避免运动成像补偿单元旋转工况下发生抖动或振动，进而影响到成像质量。优选的，采用空间对称布置，并通过动平衡设备进行调整。具体的：在连接结构上进行减振、隔振处理。一个运动补偿单元可以与多个成像单元匹配。进一步地，所述光学部件包括与次旋转结构连接的光学器件；以及设置在镜头前或镜头透镜组中间或焦平面与镜头之间的光学器件，所述光学器件采用反射器件、陷波反射器件、半透半反器件、凹柱面反射器件、凸柱面反射器件、球面反射器件、带通器件、远心光路器件中任意一个、或任意两个或两个以上的组合。具体的：光学部件可以具有分离成像目标场景的光谱能量并传导至成像装置的功能，可以获得目标的一个或数个光谱能量图像；在成像目标场景进入成像装置的光路上可以设置光学器件，分割目标视场画面并导引至不同的成像单元，实现多成像单元成像和多光谱成像。

进一步地，与次旋转结构连接的光学器件由2个以上反射方向的反射镜面组合，侧视呈“Λ”型的结构，反射镜面具有不同的或相同的光谱特性或/和光学特性，具体的：所述光谱特性包括反射特性、透射特性、吸收特性，所述光学特性包括不同的几何面型。具体的：多组成像单元成像光路共用一个反射镜，导引各成像单元通过主光轴与反射镜的反射角或透射角差异指向相同的或者不同的成像目标区域同步成像。

进一步地，与次旋转结构连接的光学器件是一组受程序控制旋转的光学器件，光学器件旋转轴与次旋转结构的轴垂直，运动补偿成像过程中，光学器件旋转轴的轴向与运动方向平行。

进一步地，旋转的光学器件具有一个或多个反射镜面。

进一步地，旋转的光学器件反射面是圆锥面。

进一步地，旋转的光学器件反射面是圆棱锥面。

进一步地，旋转的光学器件呈“Λ”型镜像对称分置的2个反射镜面。

进一步地，与次旋转结构连接的旋转的光学器件匹配的激光测距单元能够按照程序匹配光学器件的旋转速度，对周边目标进行激光测距或/和激光成像。

进一步地，所述运动成像补偿装置包括的运动部件均处于真空或空气稀薄的密封环境内，或者运动补偿单元、成像单元均处于真空或空气稀薄的密封环境内。所述运动补偿单元的主旋转结构与次旋转结构以及次旋转结构连接的光学部件做减小空气阻力的造型处理，由于主旋转结构以及次旋转结构带动光学反射部件在旋转的过程中，空气会对旋转补偿单元产生阻力并引起振动，因此将主旋转结构与次旋转结构以及次旋转结构连接的光学部件置于空气稀薄或者真空环境中，从而减少空气阻力的影响。如果仅运动补偿单元置于空气稀薄或者真空环境中，成像单元与运动补偿单元之间的光路上需要设置窗口玻璃，作为优选的，可以将成像单元与运动补偿单元的运动部件都设置在空气稀薄或者真空环境中，省去成像单元与运动补偿单元之间光路上的窗口玻璃，可以降低成像光能的损失，利于成像，密封环境利于成像单元装置防尘防水。

进一步地，所述主旋转结构上设置一个同心旋转结构，所述同心旋转结构上设置成像单元，在指定成像的时刻内或对应的主旋转结构的运动补偿角度区间α内，所述同心旋转结构与主旋转结构以相同的角速度速率反向转动，所述成像单元跟随同心旋转结构进行旋转，保持相机主光轴随成像视场移动。作为优选地，所述运动成像补偿装置可以在对外部环绕成像作业时进行运动补偿。所述环绕成像的典型工况如全景摄影，全景摄影的相对运动模式是成像单元旋转转动过程中对环绕目标成像。所述环绕成像作业时进行角运动补偿的装置是在主旋转结构上设置一个同心的旋转结构，所述同心的旋转结构上设置有成像单元，在指定成像的时刻内或对应的主旋转结构的运动补偿角度区间α内，所述同心旋转结构与主旋转结构以相同的角速度反向转动，所述成像单元跟随同心旋转结构进行旋转，保持在成像期间对成像目标场景的“凝视”。成像单元可以布置多组；成像目标视场可以直接进入相机镜头，也可以通过所述光学部件进入成像单元。

进一步地，在成像单元构成的成像光路里，包括一个或多个投射激光图案到成像目标上的激光装置，投射激光束的装置为激光点投射器、结构光投射器或激光测距仪；投射到成像目标的激光图案包括光斑或光图案，光斑或光图案基于激光波长和形状进行组合。具体的：在成像过程中，将激光图案经过成像光路投射到成像目标场景，在图像上形成物方标志。投射激光图案到成像目标上的激光发射器，通过成像光路将激光图案投射到目标面上。

所述激光装置与次旋转结构相连接，该装置随着次旋转结构的旋转而转动，当次旋转结构上反射镜保持成像目标区与成像靶面相对静止的时候，与次旋转结构具有刚性连接结构的激光图案投射装置投射的图案在成像目标区的效果也是相对静止的，或者其相对运动速度差小于给定的阈值，激光图案在成像的图像上不会产生拖影。

投射到成像目标视场的激光器单元包括激光点投射器、结构光投射器或激光测距仪以及多种激光发射器的组合。投射到物方目标面上的激光图案包括光斑或光图案，光斑和/或光图案可以基于激光波长和形状进行组合。光斑是单纯的激光光斑或者是激光测距装置投射出的光斑，光图案是结构光图案，光斑或图案的组合；光图案的电磁波波长包括紫外、可见光、红外波长，可以被成像单元感测并记录为图像信息。作为优选的，所述的激光测距装置可以配置多个。

进一步地，包括2个运动补偿单元，2个运动补偿单元具有各自的主旋转结构与次旋转结构，在所述补偿角度α内，2个主旋转结构及次旋转结构的旋转参数相同，方向相反。2个运动补偿单元空间具有各自的主旋转结构与次旋转结构，在所述补偿角度α内，通过2个次旋转结构上光学部件的位移互补和角度匹配，保证成像光路的光程不变或小于给定的阈值。优选的是第一个运动补偿单元与第二个运动补偿单元分别位于成像光路两侧，2个运动补偿单元的主旋转结构旋转参数相同，旋转方向相反，使2个次旋转结构的光学部件实现同向位移补偿，2个次旋转结构的旋转参数相同，旋转方向相反，使光学部件保持姿态角不变，使成像单元构象光线角度不变，构象光线经过2次反射后到达成像目标。作为优选的，所述的激光测距装置可以与成像单元配置在相同的光路上，激光测距光束在测距过程中光程不变或处于容许的阈值内，保证测距值的准确。作为优选的，成像单元与所述的激光测距装置组成一个具有刚性连接的集成单元。

一种运动成像补偿方法，包含以下步骤：

A：设运动成像补偿装置与成像目标之间的相对运动为平行运动或是弧形转动运动；

B：运动补偿单元的主旋转结构单向旋转，在补偿角度α内，处于主旋转结构上的次旋转结构与连接的光学部件的线速度分量方向与成像目标运动的方向相同，相对运动速度差值保持在设定的阈值内；

C：与次旋转结构连接在一起的光学部件在次旋转结构控制下转动，成像单元的构象光线角度变化的差值保持在设定的阈值内，使成像单元与成像目标视场在近似于相对静止的状态下感光成像。

进一步地，一次感光成像的感光过程对应于运动补偿单元主旋转机构转动经过的补偿角度为α，在补偿角度α内，主旋转结构改变转速使次旋转结构轴心产生的线速度在成像目标相对运动方向上的相对运动分量差值保持在设定的阈值内，次旋转结构控制光学部件转动，保持成像单元的构象光线角度变化的差值保持在设定的阈值内。具体的：感光成像的一个周期指成像单元成像感光开始到结束的时间，这个周期过程对应于运动补偿单元主旋转机构在此时间内转动经过的补偿角度α，运动成像的补偿角度α的起始点和结束点的定义为，在进入补偿角度α区间的起始点之前，已经开始次旋转结构连接的光学部件的线速度调节，调节的方法可以是主旋转结构的转速改变，或者是改变次旋转结构的旋转轴心与主旋转结构的旋转轴心之间的距离。在进入补偿角度α区间的起始点后，次旋转结构的光学部件的线速度分量已经满足运动成像补偿的条件，在补偿角度α内，次旋转结构的光学部件的线速度分量在任意时刻均满足运动成像补偿的条件。

进一步地，所述次旋转结构转动的驱动力采用独立的动力装置，或将主旋转结构的动力传导至次旋转结构。具体的：通过改变主旋转机构的转速达到改变次旋转结构连接的光学部件线速度在成像目标相对运动方向上的速度分量的目的，使光学部件在成像目标相对运动方向上的速度根据相对运动速度而变化，使光学部件在成像目标相对运动方向上与成像目标视场的相对运动速度保持在设定的速度差阈值之内并进行成像。所述的速度差阈值对应于成像过程中成像目标在成像单元感光靶面上的位移阈值。最好的状况是所述的速度差阈值为零，成像目标与成像单元感光靶面在成像过程中处于相对静止状态。所述光学部件在成像单元主光轴方向上的速度分量由控制系统进行控制，控制系统根据速度传感器采集的参数发送控制主旋转机构转速的指令，或者成像单元与成像目标的相对运动速度是在按照控制系统指令进行运动，如工业流水线上成像单元位置固定不动，流水线上产品的运动速度是由控制系统控制的。

进一步地，次旋转结构转动的驱动力采用独立的动力装置时，通过改变所述次旋转结构的旋转轴心位置与主旋转结构的旋转轴心位置的距离，使次旋转结构轴心产生的线速度在成像目标相对运动方向上的相对运动分量差值保持在设定的阈值内。具体的：通过改变所述次旋转结构的旋转轴心与主旋转结构的旋转轴心的相对位置，达到改变次旋转结构连接的光学部件在在成像目标相对运动方向上的速度分量的目的，使光学部件在在成像目标相对运动方向上的速度根据成像目标相对运动速度而变化，使光学部件与成像目标视场的相对运动速度在设定的速度差阈值之内并进行成像。所述的速度差阈值对应于成像过程中成像目标在成像单元感光靶面的位移阈值。最好的状况是所述的速度差阈值为零，成像目标与成像单元感光靶面成像过程中相对静止。所述次旋转结构的旋转轴心与主旋转结构的旋转轴心之间的相对位置变化的轨迹为直线或者曲线。所述相对位置变化的方向可以沿两轴心之间的连线方向增大或减小距离，进而增大光学部件线速度或减小线速度，达到增大或减小光学部件在成像单元主光轴方向上的速度分量的目的；次旋转结构轴心与主旋转结构轴心之间的位移也可以沿主旋转结构切向方向位移，通过叠加的切向速度改变光学部件在成像单元主光轴方向上的速度分量；也可以是径向位移和切向位移的复合过程。所述次旋转结构的旋转轴心与主旋转结构的旋转轴心之间的位置变化过程由控制系统进行控制，次旋转结构的位置移动可以基于机械力或电动力或磁力实现。运动控制系统根据速度传感器采集的参数换算为位置变化的控制指令，或者所述位置变化过程按照控制系统设定的程序参数执行。

在转速不变的工况条件下，所述次旋转结构的旋转轴心与主旋转结构的旋转轴心之间的距离越长，次旋转结构的旋转轴心得到的线速度越大，可以实现对更高相对运动速度下的成像补偿。

进一步地，运动补偿单元的数量为2，2个运动补偿单元同步运动、且具有各自的主旋转结构与次旋转结构，在所述补偿角度α内，2个次旋转结构上光学部件的同向位移和姿态角角度匹配，保证成像光路的光程不变或光程变化小于给定的阈值。

进一步地，次旋转结构的光学部件采用凹柱面反射镜，凹柱面反射镜的母线平行于次旋转结构的旋转轴，所获图像在相对运动方向上提高像元采样率，后期基于高采样率数据恢复方法提高图像的分辨率。

进一步地，在补偿角度α内，次旋转结构的光学部件的线速度的变化为单调降模式、单调升模式或波动模式，次旋转结构的光学部件的线速度的变化可以是单调降模式，例如:高转速→降低到低转速；次旋转结构的光学部件的线速度的变化可以是单调升模式，例如:低转速→升高到高转速；次旋转结构的光学部件的线速度的变化可以是波动规律，例如:高转速→降低转速→升高转速→降低转速。这种线速度变化可以基于预先设定的参数实现，也可以基于外部实时输入参数实时调节。

本发明的有益效果是：

1.本发明一种运动成像补偿装置及补偿方法的有益效果是：基于主旋转结构单向旋转方式实现高速度下的运动成像补偿，可以达到很高的运动速度补偿，在相同的运动补偿速度下，单向转动结构的振动远远小于往复式运动带来的振动，随着运动补偿速度的提高，往复式运动补偿方案会导致强烈的振动乃至于无法实现，本发明提出的运动补偿方案仍然可以实现。通过改变主旋转结构的转速或/和主旋转结构旋转轴心与次旋转结构旋转轴心之间的距离，可以得到用于运动补偿所需的的线速度分量。基于单一主旋转结构旋转反光镜进行运动补偿会带来对成像目标视场构象角度的变化，尤其在成像时间内转过较大角度的成像工况下，单一旋转反光镜构象光线角度改变图像变形的弊端尤为严重，本发明提出的次旋转结构的旋转保持成像单元或者导引构象光线的光学部件保持对成像目标视场的构象角度不变或在设定的变化范围内。主旋转结构与次旋转结构匹配的运动成像补偿方法，对多种运动补偿方案都具有很高的适应性。基于物方标志的建立，可以对所获图像进行几何校正、投影变换、以及几何要素的准确测量。

附图说明

图1是本发明一种运动成像补偿装置的结构示意图；

图2是本发明运动补偿单元主旋转结构和次旋转结构的空间关系示意图；

图3是本发明包含双运动补偿单元的运动成像补偿装置的结构示意图；

图4是本发明旋转运动的运动成像补偿装置的结构示意图；

图5是本发明平行运动的运动成像运动补偿装置结构图；

图6是本发明第一主旋转结构上次旋转结构双反射镜镜像对称布置示意图；

图7是本发明具有2次补偿的结构示意图；

图8是本发明次旋转结构上的旋转光学部件的结构示意图；

附图标记：1-反射镜，2-次旋转结构旋转轴，3-主旋转结构旋转轴，5-相机，6-成像目标，7-激光测距单元，8-相机安装板，9-相机安装板转动轴套，10-相机旋转光心，11-第一主旋转结构，12-第二主旋转结构，13-第三主旋转结构，14-主光路。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

图1-图5中的虚线框中，均表示运动成像补偿装置A。

实施例1

如图1所示的一种运动成像补偿装置，所述运动成像补偿装置包括基座、成像单元、运动补偿单元与控制系统，所述基座采用整体框架式结构，将成像单元、运动补偿单元与控制系统连接为一个整体。运动成像补偿装置通过基座连接固定在运动的列车、汽车、航空航天平台等载体运动上。所述基座上设置有成像单元、运动补偿单元以及控制单元，所述成像单元固定在基座上，保证运动补偿单元和成像单元的相对位置关系固定，从而使得光学参数，距离等为一个确定的状态。如图2所示的运动补偿的运动单元结构示意图，所述主旋转结构旋转的驱动装置采用伺服电机，伺服电机带动主旋转结构旋转轴3转动，进而带动主旋转结构的主体进行转动，次旋转结构旋转轴2与光学反射部件连接，次旋转结构旋转轴2的轴心位于主旋转结构旋转轴3的轴心为原点的射线上，在运动成像的过程中，以运动成像补偿装置为观测点，随着固定在运载平台上的运动成像补偿装置的运动，如图1所示，成像目标6与运动成像补偿装置运动方向相反，成像目标6的相对运动方向为P1，运动方向向左，运动成像补偿装置相对运动方向向右，运动成像补偿装置的主旋转结构进行逆时针旋转，使次旋转结构所在位置处的线速度在相机主光轴上的速度分量方向与P1同向且速度差保持在预设的阈值内，相机构象光线通过反射镜1跟随成像目标6运动，构象光线L1通过反射镜1进入相机5，完成成像。图1所示运动成像补偿装置在设定的旋转角区间角度α内实现相对平行运动的补偿。相对运动速度可以是恒定的，也可以是非恒定的；控制系统控制上述装置的运行与图像记录。成像单元的曝光时间，等价于主旋转结构在曝光时间里转动经过的运动补偿角度区间α，主旋转结构与次旋转结构具有相同的角速度。主旋转结构带动光学反射部件进行圆弧运动，形成垂直和水平两个速度分量，水平分量实现了沿成像光路主光轴的平动，从而实现对成像目标运动的补偿。在运动补偿角度区间α内，需要满足线速度的水平分量与所述相对运动速度的速度差值满足预设的阈值范围。通过伺服电机与伺服控制系统调整主旋转结构的转速使得光学反射部件成像单元主光轴方向上与成像目标6视场的相对运动速度在预设的速度差阈值之内，可以近似认为成像单元相对于成像目标处于静止状态，可以有效地避免运动模糊。当然，在理想情况下，相对运动速度差为零，运动成像补偿效果最好。

补偿角起始点和结束点，根据优选的是光学部件的线速度方向与成像主光轴一致的位置点B。若B点为结束点，则转速的变化是:升高转速→降低到原转速，若B点为开始点，则转速的变化是:原转速升高→降低到原转速。否则，就会经历从起始点开始升高→到B点降到原转速→再次升高→再次降到原转速。从效果上：在一次成像过程中，选择B点作为改变转速的起始点或者结束点，转速只有一次升高→降低的模式，转速升高降低的变化幅度大；以B点为补偿区间中间的任意点，从起始点开始升高→到降到原转速→再次升高→再次降到原转速的转速变化幅度小，但是转速有2次连续波动。优选的，当转速变化引起的振动不严重时，上述模式都可以采用。当转速变化引起的振动严重时，优选的是B点作为起始点或者结束点。

实施例2

基于实施例1的一种运动成像补偿装置，所述运动补偿单元在成像单元所需成像的角度α内改变主旋转机构的转速使光学反射部件在成像单元主光轴方向上与成像目标6视场的相对运动速度保持在设定的速度差之内进行成像，适应与所述相对运动速度匹配的方法是：所述运动补偿单元在主旋转结构转动到成像补偿的角度α内时，通过改变所述次旋转结构旋转轴2的轴心与主旋转结构旋转轴3的轴心的距离，从而改变次旋转结构的线速度，达到改变光学部件反射镜1的线速度在成像光轴方向上的分量的效果，使光学反射部件在成像单元主光轴方向上与成像目标6视场的相对运动速度在设定的速度差之内并成像，这种速度可以是恒定的，也可以是非恒定的；改变所述次旋转结构的旋转轴心与主旋转结构的旋转轴心之间的距离，推动次旋转结构改变与主旋转结构距离的动力，可以是电动力、磁力或机械力，如采用机械凸轮方式的方式改变所述距离和姿态是采用机械力的方案之一。在不改变主旋转结构转速的情况下，改变次旋转结构与主旋转结构距离的距离，实现运动速度补偿的过程中，次旋转结构的移动轨迹为直线或者曲线。也可以采用改变转速的方法与改变次旋转结构与主旋转结构距离的距离的方法组合，实现改变光学部件反射镜1的线速度在成像光轴方向上的分量的效果。

实施例3

基于实施例1和2的一种运动成像补偿装置，主旋转结构上可以设有多个次旋转结构，次旋转结构的分布采用质量对称分布，避免它在转动时发生由于质量不对称而产生抖动。设置两组，三组、四组、乃至多组次旋转结构的选择依据是：根据主旋转结构成像补偿的角度α、主旋转结构旋转速度、两次成像的时间间隔、次旋转结构旋转空间、进行匹配选择。主旋转结构主体4上设置的次旋转结构以及反光镜越多，那么每次成像的时间间隔越短，从而提高成像作业的效率。多个次旋转结构的旋转空间不能发生干涉，主旋转结构旋转速度取决于相对运动速度，成像补偿的角度α取决于成像单元感光时间。每一个次旋转结构的转动惯量相同的情况下，采用角度平分对称分布。次旋转结构在几何结构确定之后，采取动平衡调节装置进行调节。当主旋转结构与次旋转结构集成为一体后，采取动平衡调节装置进行调节。当运动补偿单元集成后测试运动成像补偿装置的固有频率，在使用时结合运载平台的振动特征进行减振与隔振处理。在给定的线速度分量指标下，可以通过增加主旋转结构与次旋转结构的距离，降低主旋转结构的转速，进而降低振动的频率。

实施例4

成像单元多传感器成像可以在成像光路里设置像方远心镜头，在像方远心镜头后设置屋脊棱镜对成像目标场景进行分割。实现一场景多成像单元分割成像。

优选的，可以在次旋转结构上设置平面反射镜。

优选的，可以在次旋转结构上设置凹柱面反射镜/凸柱面反射镜，使成像目标在原镜头的光学投影基础上对场景再次进行一维比例放大或一维比例缩小。

优选的，在次旋转结构上设置凹柱面反射镜，凹柱面的母线与次旋转结构的旋转轴平行，提高在相对运动方向上图像的采样率。

如图6所示：次旋转结构上的光学部件由2片反射镜组合为侧面呈“Λ”型的结构，次旋转结构的转轴在“Λ”型结构的质心处。2片反射镜引导不同的成像单元对同一目标区或不同目标区同步成像。两片反射镜相对于旋转中心采用镜像的“Λ”型布置，或者非镜像的布置。

如图7所示：第一主旋转结构11完成第1次运动补偿，第一主旋转结构11与第二主旋转结构12组合后实现左侧成像过程的2次运动补偿，第一主旋转结构11与第三主旋转结构13组合后实现右侧成像过程的2次运动补偿.

优选的，呈“Λ”型镜像对称分置的2个反射镜面，分别导引2个成像单元进行基于横向视觉立体的成像。

优选的，呈“Λ”型镜像对称分置的2个反射镜面，分别具有不同的光谱反射性能，分别导引2个成像单元进行不同的光谱波段成像。

优选的，呈“Λ”型镜像分置的2个反射镜面，一个反射镜面导引成像单元的构象光线对目标成像，另一个反射镜面导引激光图案投射图案或/和激光测距的激光束到达目标表面。

如图8所示：主光路14用虚线表示，通过反射镜1的旋转，实现垂直于运动方向的扫描过程，与次旋转结构连接的光学器件是一组受程序控制旋转的光学器件，光学器件旋转轴与次旋转结构的轴垂直，运动补偿成像过程中，光学器件旋转轴的轴向与运动方向平行

成像单元多光谱成像可以在光路上加入滤光片、光栅、针对不同波长的透/反射镜，采用光谱分离的方法实现多传感器或者单传感器成像。

上述在光路中增加光学器件的方案可以是单一方案，也可以多方案组合。

所述在光路中增加光学器件的位置可以在镜头前、镜头中间和焦平面前三个位置。

实施例5

所述主旋转结构与次旋转结构以及次旋转结构连接的反射镜1，处于真空或空气稀薄的密封环境内，由于主旋转结构以及次旋转结构带动光学反射部件在旋转的过程中，空气阻力会对旋转产生影响，因此将主旋转结构与次旋转结构以及次旋转结构连接的反射镜1置于空气稀薄或者真空环境中，从而减少空气阻力在旋转补偿单元旋转过程中带来的影响。但是这种方案需要两块窗口玻璃，保证成像目标场景的构象光线投射到次旋转结构的光学部件上并进入成像单元。进一步地可以将成像单元与运动补偿单元共置于真空或空气稀薄的密封环境内，去掉成像单元与光学部件之间光路上的窗口玻璃，除了减少光能损失外，还便于成像单元防尘防水。

实施例6

基于实施例1的一种具有2个运动补偿单元的运动成像补偿装置，如图3所示；所述运动成像补偿装置包括两个运动补偿单元，右下为第一主旋转结构11，左上为第二主旋转结构12，两个旋转结构的旋转参数相同。左上的第二主旋转结构12的光学器件反射激光投射器的波长，透射成像需要的波长；所述运动成像补偿装置还包括激光测距单元7，所述激光测距单元7设置在基座上。在运动成像的过程中，随着运载平台运行，成像目标6与运动成像补偿装置进行相对运动，成像目标6相对运动方向为P1，第一主旋转结构11旋转使与之匹配的次旋转结构线速度分量与P1相同。第二主旋转结构12旋转使与之匹配的次旋转结构线速度分量与P1相同。第一主旋转结构11和第二主旋转结构12上的光学部件等速移动，第一主旋转结构11和第二主旋转结构12上的光学部件的空间姿态角不变，构象光线L1通过第一主旋转结构11上的反射镜1反射到第二主旋转结构12上的反射镜，在第二主旋转结构12上的反射镜反射后进入相机5，完成成像。所述激光测距单元7发射激光束，激光测距单元发射的激光束光线L2的发射方向可以与其对应的成像单元的相机5的镜头朝向一致，从而得到该成像单元采集到图像对应的成像区域与成像单元之间的距离数据，两个光学部件的同步运动补偿了激光束在仅有1个运动补偿机构时的距离变化。将激光测距数据换算为相机等效光心的距离，即物距，计算得到图像的比例尺。在成像过程中，物方标志经过成像光路投射到成像目标6场景，物方标志包括光斑或光图案，光斑单纯的激光光斑或者是激光测距装置投射出的光斑，光图案是结构光图案，光斑或图案的组合；光图案的电磁波波长包括紫外、可见光、红外可以被检测、记录的波长；物方激光测距光斑标志的测距光束进行运动补偿及长度校正的方法包括：激光测距激光束的光程长度可以通过一组互相平行且等速移动的反射部件导引，保证激光束光程长度不因单反射部件移动而改变。对于配置单运动补偿单元的结构，激光束光程长度和构象光束的光程长因单反射部件移动改变后，通过测定反射部件的位移距离对激光束光程长度进行修正，激光测距装置实施测距的时间与成像的时间同步。成像单元与激光投射器具有固定位置关系，固定的位置关系固化了图像上激光图案的几何关系，为图像的几何校正、投影变换提供了控制点与控制线。

实施例7

基于实施例1的一种旋转运动成像补偿装置如图4所示，所述旋转运动补偿装置包括主旋转结构主体4，所述主旋转结构主体4上设置有与主旋转结构同轴心的相机的安装板8，所述主旋转主体的轴心位置还设置有同心的相机安装板8的转动轴套，所述相机的安装板8的两端对称设置有相机5、中部设置有相机安装板转动轴套9，在所需全景环绕成像的环境进行相对转动的运动模式下，旋转运动成像会产生的相应的旋转模糊。采用旋转运动成像补偿装置，使得成像单元对外周边环境进行圆周运动成像时可以对成像单元进行旋转角位移补偿。成像目标6相对于旋转运动补偿装置的运动方向为P1，主旋转结构主体4相对转动方向为逆时针方向，相机环形成像时的角位移补偿旋转方向14为顺时针方向，完成成像补偿后相机复位的旋转方向为逆时针方向；同理，当主旋转结构主体4进行顺时针方向转动时，环形成像时的角度补偿旋转方向14为逆时针方向，角度补偿复位的旋转方向为顺时针方向。对应成像单元运动成像补偿的旋转方向，取决于成像单元与成像目标之间相对运动产生的位移方向，成像单元构象光线凝视目标期间完成成像。

当运动成像补偿装置随载体弧形运动对成像目标进行成像时，运动成像补偿装置设置反光镜结构，使得成像单元对周边环境进行圆周运动成像时，对成像单元进行平移补偿与角度补偿。

实施例8

基于实施例1的一种平行运动成像补偿装置如图5所示，所述平行运动补偿装置包括主旋转结构主体4，所述主旋转结构主体4上设置有相机5，所述相机5的旋转光心沿主旋转结构旋转轴心3对称分布，成像目标6相对于旋转运动补偿装置的运动方向为P1，当主旋转结构主体4进行逆时针方向转动时，相机旋转光心10的角度补偿旋转方向顺时针方向；当主旋转结构主体4进行顺时针方向转动时，相机旋转光心10的角度补偿旋转方向逆时针方向，实现平行运动状态下的运动成像补偿。

实施例9

基于实施例1-8的一种运动成像补偿方法，所述运动成像补偿方法具体包含以下内容：

主旋转结构单向旋转，处于主旋转结构上的次旋转结构与连接的光学部件的线速度在成像目标相对运动方向上的分量与成像目标相对运动的分量抵消，使次旋转结构与成像单元主光轴平行的线速度分量与成像视场的相对运动速度差值保持在预设的阈值内；

次旋转结构转动，与光学部件组成的结构保持成像单元主光轴在成像过程中指向视场的光轴角度不变或者角度改变量在预设的阈值内；

成像过程与运动补偿处于同一时间段，使导引到成像光路里的成像目标视场在满足预设的相对位移差阈值内的时间内成像，降低所获图像的运动模糊；

投射激光图案的装置与次旋转结构相连接，该装置随着次旋转结构的旋转而转动，当次旋转结构上反射镜保持成像目标区与成像靶面相对静止的时候，与次旋转结构具有刚性连接结构的激光图案投射装置投射的图案在成像目标区的效果也是相对静止的，或者其相对运动速度差小于给定的阈值，激光图案在成像的图像上不会产生拖影。

优选的，激光投射装置预先调节并固定其空间姿态角及空间位置，预先进行图案的空间几何关系解算，形成图像几何校正的有用参数。激光投射装置预先调节并固定其空间姿态角及空间位置，激光图案与成像单元的空间三角几何关系形成确定的函数关系，能够解算出用于图像几何校正、与比例尺校正的参数。

次旋转结构的光学部件使用凹柱面反射镜，凹柱面反射镜的母线平行于次旋转结构的旋转轴，所获图像在相对运动方向上提高像元采样率，后期基于高采样率数据恢复方法提高图像的分辨率。

在运动补偿角度区间α内，次旋转结构转动的驱动力可以是独立的动力装置，也可以通过机械方式将主旋转结构的动力传导至次旋转结构。

其具体的实现过程如下：主旋转机构单向旋转，光学反射部件与次旋转结构刚性连接，其角速度为w的光学反射部件的旋转轴与旋转结构的旋转轴平行，采集成像目标与运动成像补偿装置之间的相对运动速度参数，该相对运动速度参数为次旋转结构在补偿角度α内应该达到的线速度在成像目标相对运动方向上的分量V₁，V₁经过计算后，得到主旋转结构的转速对应的控制参数并反馈至控制系统，控制主旋转结构的转速变化；次旋转结构以与主旋转结构相反的转向旋转，次旋转结构带动反射光学部件转动，始终保持光学器件空间角度不变，用于姿态角补偿，保持成像单元主光轴在成像过程中指向视场的光轴角度不变或者角度改变量在预设的阈值内；采集成像视场的线速度V₂并反馈至控制系统，在补偿角度α区间内比较次旋转结构的线速度V₁与成像视场的线速度V₂，控制系统计算次旋转结构2的线速度V₁与成像视场的线速度V₂的差值，当差值大于预设阈值范围时，对次旋转结构2的线速度V₁进行补偿，使得次旋转结构2的线速度V₁与成像视场的线速度V₂的差值满足在预设阈值区间，实现相对同步。

成像单元与运动补偿单元与基座连接，运动补偿单元主旋转结构通过单向旋转的线速度分量实现速度补偿，次旋转结构与主旋转结构旋转方向相反，次旋转结构通过旋转保持光学部件的空间姿态角不变，满足进行运动成像补偿过程中成像光路不变；根据成像单元与运动补偿单元的光学部件成像光路的关系以及相对运动速度与感光时间，确定运动补偿所需的线速度分量长度及对应的成像感光时间起始点及其时长，确定主旋转结构对应的旋转角补偿区间角度；控制主旋转结构和次旋转结构的旋转角速度以及转动方向或/和改变次旋转结构的旋转轴心位置与主旋转结构的轴心位置的距离，在成像单元感光成像的过程中，主旋转结构的转动使次旋转结构上光学反射部件的线速度在成像单元主光轴方向的分量与成像目标的相对运动速度保持在设定的阈值内，次旋转结构自身的转动保持光学反射部件在成像过程中空间姿态角保持不变，形成凝视成像目标视场的效果，实现成像目标视场与成像系统相对运动速度在满足设定的速度差阈值范围内成像。

以上所述，仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (14)

1.一种运动成像补偿装置，其特征在于：所述运动成像补偿装置包括基座、成像单元、运动补偿单元与控制系统，所述基座用于固定成像单元以及运动补偿单元的空间位置，控制系统控制运动成像补偿装置的运行，所述运动补偿单元包括主旋转结构与次旋转结构，还包括光学部件设置在成像单元感光靶面与成像目标之间的光路上的光学部件，所述光学部件跟随次旋转结构的旋转轴旋转，所述次旋转结构的旋转轴心位于以主旋转结构旋转轴心为原点的射线上，所述主旋转结构与次旋转结构的旋转方向相反，旋转的角速度相同。

2.根据权利要求1所述的一种运动成像补偿装置，其特征在于：所述主旋转结构上设有多个次旋转结构。

3.根据权利要求1所述的一种运动成像补偿装置，其特征在于：所述光学部件包括与次旋转结构连接的光学器件；以及设置在镜头前或镜头透镜组中间或焦平面与镜头之间的光学器件，所述光学器件采用反射器件、陷波反射器件、半透半反器件、凹柱面反射器件、凸柱面反射器件、球面反射器件、带通器件、远心光路器件中任意一个、或任意两个或两个以上的组合。

4.根据权利要求3所述的一种运动成像补偿装置，其特征在于：与次旋转结构连接的光学器件由2个以上反射方向的反射镜面组合，侧视呈“Λ”型的结构，反射镜面具有不同的或相同的光谱特性或/和光学特性。

5.根据权利要求3所述的一种运动成像补偿装置，其特征在于：与次旋转结构连接的光学器件旋转轴与次旋转结构的旋转轴垂直，运动补偿成像过程中，该光学器件旋转轴的轴向与相对运动的方向平行。

6.根据权利要求1所述的一种运动成像补偿装置，其特征在于：所述运动成像补偿装置包括的运动部件均处于真空或空气稀薄的密封环境内，或者运动补偿单元、成像单元均处于真空或空气稀薄的密封环境内。

7.根据权利要求1所述的一种运动成像补偿装置，其特征在于：所述主旋转结构上设置一个同心旋转结构，所述同心旋转结构上设置成像单元，在指定成像的时刻内或对应的主旋转结构的运动补偿角度区间α内，所述同心旋转结构与主旋转结构以相同的角速度速率反向转动，所述成像单元跟随同心旋转结构进行旋转，保持相机主光轴随成像视场移动。

8.根据权利要求1所述的一种运动成像补偿装置，其特征在于：在成像单元构成的成像光路里，包括一个或多个投射激光图案到成像目标上的激光装置，投射激光束的装置为激光点投射器、结构光投射器或激光测距仪；投射到成像目标的激光图案包括光斑或光图案，光斑或光图案基于激光波长和形状进行组合。

9.根据权利要求要求8所述的一种运动成像补偿装置，其特征在于：所述激光装置与次旋转结构相连接，该装置随着次旋转结构的旋转而转动。

10.根据权利要求1所述的一种运动成像补偿装置，其特征在于：包括2个运动补偿单元，2个运动补偿单元具有各自的主旋转结构与次旋转结构，在所述成像补偿角度α内，2个主旋转结构及次旋转结构的旋转参数相同，方向相反，2个次旋转结构上光学部件的同向位移和姿态角角度匹配，保证成像光路的光程不变或光程变化小于给定的阈值。

11.一种运动成像补偿方法，其特征在于：

A：设运动成像补偿装置与成像目标之间的相对运动为平行运动或是弧形转动运动；

B：运动补偿单元的主旋转结构单向旋转，处于主旋转结构上的次旋转结构与连接的光学部件的线速度分量方向与成像目标运动的方向相同，一次感光成像的时间对应于运动补偿单元主旋转机构转动经过的补偿角度为α，在补偿角度α内，相对运动速度差值保持在设定的阈值内；

C：与次旋转结构连接在一起的光学部件在次旋转结构控制下转动，成像单元的构象光线角度变化的差值保持在设定的阈值内，使成像单元与成像目标视场在近似于相对静止的状态下感光成像。

12.根据权利要求11所述的一种运动成像补偿方法，其特征在于：在补偿角度α内，主旋转结构改变转速使次旋转结构轴心产生的线速度在成像目标相对运动方向上的相对运动分量差值保持在设定的阈值内，次旋转结构控制光学部件转动，保持成像单元的构象光线角度变化的差值保持在设定的阈值内。

13.根据权利要求11所述的一种运动成像补偿方法，其特征在于：次旋转结构转动的驱动力采用独立的动力装置时，通过改变所述次旋转结构的旋转轴心位置与主旋转结构的旋转轴心位置的距离，使次旋转结构轴心产生的线速度在成像目标相对运动方向上的相对运动分量差值保持在设定的阈值内。

14.根据权利要求11所述的一种运动成像补偿方法，其特征在于：在补偿角度α内，次旋转结构的光学部件的线速度的变化为单调降模式、单调升模式或波动模式。

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