CN116467818B - 像移补偿参数优化分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开像移补偿参数优化分析方法，属于电数字数据处理、摄影测量学和机器或结构部件的静或动平衡的测试技术领域，用于对机载相机进行像移补偿，机械补偿包括进行六自由度减振系统的振动分析，得到六自由度减振系统的动力学方程、六自由度减振系统给六个自由度的弹性势能、航空相机与减振系统安装系统的阻尼耗能、拉普拉斯变换后的减振器的摇摆动力学方程、减振系统的扰振力及其力矩；然后进行成像位移估值计算，通过参数估计优化函数，基于耦合特性参数进行补偿值计算，最后执行电子补偿。本发明对等效刚度系数与等效阻尼系数通过寻找与两个参数密切相关的响应数据，使参考值与真实值之间的误差最小，减小图像的偏移量。
Description
技术领域
本发明公开像移补偿参数优化分析方法，属于电数字数据处理、摄影测量学和机器或结构部件的静或动平衡的测试技术领域。
背景技术
近年来，机载雷达的发展和应用关注度持续升温，航空相机已广泛应用在民用军用工程领域中。对地、对海观测图像机载雷达观测时由于平台抖动等扰动引起视轴偏移从而导致拍摄的图像抖动，甚至会导致图像模糊。相机载体(机载雷达、飞机飞艇或探空气球等)与被摄目标之间存在相对运动，致使感光介质在曝光成像时，目标影像与感光介质存在相对运动即存在像移。像移的存在极大地影响了成像质量，使得航摄图像分辨率降低，且存在被摄目标轮廓不清，目标和周围背景达到一定程度还会导致相邻两目标的成像互相交叠，甚至不能分辨。因此，必须采取相应措施补偿像移，提高图像分辨率。补偿像移的办法有第一基于照准架控制的像移补偿， 航空光电成像载荷一般为包含一个或多个轴系自由度的多照准架结构。扫描成像过程中，通过控制载荷俯仰照准架与载机飞行方向反向同步运动，能够补偿前向像移由于照准架转动惯量相对较大，所受风阻、载机晃动等复杂环境干扰影响，对随机像移及振动像移的补偿性能有限。第二电子补偿是指成像介质的片上分区补偿，通过控制成像介质不同区域的电荷转移速度补偿像移。随着技术的发展，通过控制与像移方向一致的行间电荷转移速度补偿像移，光机结构相对简单。但是，这种方法的成像效率受限于电荷读取速度和成像帧频。基于插值的方法是最早提出的传统相位检测方法，也是最直观最常用的一种方法。通常需要配合具体的精度配准算法使用，其适应性差。基于插值的算法最简单，但精度依赖于插值算法的质量，计算量大。提升的潜力不大，一般考虑与其他算法集成使用。
基于照准架控制的像移补偿， 航空光电成像载荷一般为包含一个或多个轴系自由度的多照准架结构。扫描成像过程中，通过控制载荷俯仰照准架与载机飞行方向反向同步运动，能够补偿前向像移由于照准架转动惯量相对较大，所受风阻、载机晃动等复杂环境干扰影响，对随机像移及振动像移的补偿性能有限；电子补偿是指成像介质的片上分区补偿，通过控制成像介质不同区域的电荷转移速度补偿像移。随着技术的发展，通过控制与像移方向一致的行间电荷转移速度补偿像移，光机结构相对简单。但是，这种方法的成像效率受限于电荷读取速度和成像帧频；基于插值的方法是最早提出的传统相位检测方法，也是最直观最常用的一种方法。通常需要配合具体的精度配准算法使用，其适应性差。基于插值的算法最简单，但精度依赖于插值算法的质量，计算量大。提升的潜力不大，一般考虑与其他算法集成使用。
发明内容
本发明的目的在于提供像移补偿参数优化分析方法，以解决现有技术中，相机受晃动因素明显和相位检测算法适应性差的问题。
像移补偿参数优化分析方法，包括：
S1.将机载光电设备航空相机安装在机载平台上，计算航空相机的载机作用在减振器上的六个不同激励；
S2.进行成像位移估值计算，形成补偿后的像移数据估值；
S3.通过参数估计优化函数，基于耦合特性参数进行补偿值计算；
S4.计算像移补偿后的航空相机的减振系统x、y、z三个方向的扰振力及其力矩；
S5.分析补偿效果。
S1包括：
S1.1.获得航空相机的载机作用在减振器上的六个不同激励；
S1.1.1.计算等效刚度系数；
六自由度减振系统包括六个自由度，其中/>为x方向的平动，/>为y方向的平动，/>为z方向的平动，/>为x方向的转动，/>为y方向的转动，/>为z方向的转动，六自由度减振系统给六个自由度的弹性势能V如下式：
；
式中，，/>，/>，/>，/>，/>分别为减振器在六个自由度上的等效刚度系数；
S1.1.2.计算等效阻尼系数，获得航空相机的载机作用在减振器上的六个不同激励；
航空相机与减振系统安装系统的阻尼耗能如下式：
；
式中，分别为减振器在六个自由度上的等效阻尼系数；
S1.1.3.将等效刚度系数和等效阻尼系数代入六自由度减振系统的动力学方程，如下式所示：
；
式中，m 为机载光电设备的质量，表示加速度，I为机载光电设备的转动惯量，表示六个自由度上施力点和轴心的长度，/>，/>，/>，/>，/>，/>分别为六个减振器的刚度值，/>分别为六个减振器的阻尼值，/>分别为航空相机的载机作用在减振器上的六个不同激励，六个不同激励对机载光电设备的冲击，使机载光电设备形成一个倾斜角度为/>。
S2包括：
S2.1.对摇摆动力学方程进行拉普拉斯变换，得到中间系数，如下式：
；
式中，表示经过拉普拉斯变换后的/>，/>表示经过拉普拉斯变换后的/>，和/>为中间系数，/>，/>，s为拉普拉斯变换参数，/>和/>为耦合特性参数，/>为减振器的摇摆动力值，/>为第i个减振器的摇摆动力值，/>为当前扰振数据航空角速度；
S2.2.根据中间系数，计算耦合特性函数；
减振系统扰振径向摇摆模态特性数据幅值是耦合特性参数/>，/>以及/>的函数：/>；
为当前扰振数据频率，i为虚数单位，/>为扰振当前表示数，/>为减振系统扰振谐波数据幅值；
S2.3.根据耦合特性函数，计算成像像移的估值；
成像像移IM是航空相机减振系统扰振的函数，如下式：
；
角速度一定的情况下，成像像移是，/>的函数，/>影响航空相机减振系统扰振输入改变成像像移值，将IM写成误差表达式为：
；
式中，表示IM的预估值，/>为像移误差，/>表示/>的预估值，/>为传递函数误差，/>为航空相机减振系统扰振数据误差，/>表示/>的预估值。
S3包括：
根据成像像移的估值，计算最后的耦合特性参数，其中=/>；
参数估计优化函数如下式：
；
式中λ为实测像移谐波数据点当前表示数，为所寻找的像移谐波数据点总个数，为扰振向当前表示数，/>为实测像移谐波数据点幅值与预估像移谐波数据点幅值误差均方根，/>为第/>个方向上频率为/>，角速度/>处第/>个原扰振谐波数据点幅值；/>为第/>个方向上传递函数；/> 为频率/>、角速度/>处第/>个实测像移谐波数据点幅值，对应关系依据谐波因子和测量转速，定位于数据矩阵位置；/>为像移谐波数据点频率；/>、/>为所选实测像移谐波数据点最低频率和最高频率，依据像移有效谐波数据点进行选择，/>的值即为补偿值。
S4包括：
减振系统的扰振力为如下式：
；
式中，F为扰振力矩阵，K为刚度矩阵，X为扰振响应矩阵，C为阻尼矩阵，K=[，/>，/>，，/>，/>]，C=[/>]；
X=；
扰振力力矩的矩阵形式M为：，/>，。
S5包括：
将扰振力及其力矩的补偿效果，拟合为抛物面的参数，通过x，y轴方向上的向量坐标具象展示，进行补偿效果评估；
S5.1.图像是由/>旋转一个角度θ得到的，/>为x，y轴方向上的向量坐标：
；
对上式两端进行傅里叶变换：
；
为/>的傅里叶变化后的复数形式，/>为/>傅里叶变化后的复数形式 />为/>傅里叶变化后的复数形式，/>为/>傅里叶变化后的复数形式；
用极坐标表示为：
；
ρ为线段长度，为变化后的角度；
S5.2.采用改进算法亚像素拟合算法，在峰值坐标点及其周围 8 个邻域处，用抛物面进行拟合，抛物面方程为：
；
为抛物面方程的互相关函数，指r与r+1两点的相关函数；
求解抛物面方程求得抛物面方程式的系数：
；
，/>，B=/>，A为系数矩阵，/>为待定系数矩阵，a，b，c，d，e，f为待定系数，B为峰值的8个领域点的相位相关值矩阵；
将抛物面方程分别对α，β求偏导并令其为0：
；
；
是各邻域点拟合后的抛物面方程；
至此完成亚像素拟合，将与单位像素进行对比，评估补偿效果。
相对比现有技术，本发明具有以下有益效果：针对随机像移及振动像移的补偿性能有限提出耦合特性分析，进行等效刚度系数与等效阻尼系数寻优算法，对等效刚度系数与等效阻尼系数通过寻找与两个参数密切相关的响应数据，使参考值与真实值之间的误差最小，采取最优化求解方法来求解真实耦合特性参数值尽可能改变机载平台扰振所致成像像偏移值；采用亚像素抛物面拟合算法得到的相关峰峰值坐标点及其周围 8 个邻域处，用抛物面进行拟合，最终减小图像的偏移量。
附图说明
图1是本发明的技术流程图；
图2是机械补偿流程图；
图3是电子补偿流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
像移补偿参数优化分析方法，包括：
S1.将机载光电设备航空相机安装在机载平台上，计算航空相机的载机作用在减振器上的六个不同激励；
S2.进行成像位移估值计算，形成补偿后的像移数据估值；
S3.通过参数估计优化函数，基于耦合特性参数进行补偿值计算；
S4.计算像移补偿后的航空相机的减振系统x、y、z三个方向的扰振力及其力矩；
S5.分析补偿效果。
S1包括：
S1.1.获得航空相机的载机作用在减振器上的六个不同激励；
S1.1.1.计算等效刚度系数；
六自由度减振系统包括六个自由度，其中/>为x方向的平动，/>为y方向的平动，/>为z方向的平动，/>为x方向的转动，/>为y方向的转动，/>为z方向的转动，六自由度减振系统给六个自由度的弹性势能V如下式：
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S1.1.2.计算等效阻尼系数，获得航空相机的载机作用在减振器上的六个不同激励；
航空相机与减振系统安装系统的阻尼耗能如下式：
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式中，分别为减振器在六个自由度上的等效阻尼系数；
S1.1.3.将等效刚度系数和等效阻尼系数代入六自由度减振系统的动力学方程，如下式所示：
；
式中，m 为机载光电设备的质量，表示加速度，I为机载光电设备的转动惯量，表示六个自由度上施力点和轴心的长度，/>，/>，/>，/>，/>，/>分别为六个减振器的刚度值，/>分别为六个减振器的阻尼值，分别为航空相机的载机作用在减振器上的六个不同激励，六个不同激励对机载光电设备的冲击，使机载光电设备形成一个倾斜角度为/>。
S2包括：
S2.1.对摇摆动力学方程进行拉普拉斯变换，得到中间系数，如下式：
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式中，表示经过拉普拉斯变换后的/>，/>表示经过拉普拉斯变换后的/>，和/>为中间系数，/>，/>，s为拉普拉斯变换参数，/>和/>为耦合特性参数，/>为减振器的摇摆动力值，/>为第i个减振器的摇摆动力值，/>为当前扰振数据航空角速度；
S2.2.根据中间系数，计算耦合特性函数；
减振系统扰振径向摇摆模态特性数据幅值是耦合特性参数/>，/>以及/>的函数：/>；
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S2.3.根据耦合特性函数，计算成像像移的估值；
成像像移IM是航空相机减振系统扰振的函数，如下式：
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角速度一定的情况下，成像像移是，/>的函数，/>影响航空相机减振系统扰振输入改变成像像移值，将IM写成误差表达式为：
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S3包括：
根据成像像移的估值，计算最后的耦合特性参数，其中=/>；
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S4包括：
减振系统的扰振力为如下式：
；
式中，F为扰振力矩阵，K为刚度矩阵，X为扰振响应矩阵，C为阻尼矩阵，K=[，/>，/>，，/>，/>]，C=[/>]；
X=；
扰振力力矩的矩阵形式M为：，/>，。
S5包括：
将扰振力及其力矩的补偿效果，拟合为抛物面的参数，通过x，y轴方向上的向量坐标具象展示，进行补偿效果评估；
S5.1.图像是由/>旋转一个角度θ得到的，/>为x，y轴方向上的向量坐标：
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对上式两端进行傅里叶变换：
；
为/>的傅里叶变化后的复数形式，/>为/>傅里叶变化后的复数形式 />为/>傅里叶变化后的复数形式，/>为/>傅里叶变化后的复数形式；
用极坐标表示为：
；
ρ为线段长度，为变化后的角度；
S5.2.采用改进算法亚像素拟合算法，在峰值坐标点及其周围 8 个邻域处，用抛物面进行拟合，抛物面方程为：
；
为抛物面方程的互相关函数，指r与r+1两点的相关函数；
求解抛物面方程求得抛物面方程式的系数：
；
，/>，B=/>，A为系数矩阵，/>为待定系数矩阵，a，b，c，d，e，f为待定系数，B为峰值的8个领域点的相位相关值矩阵；
将抛物面方程分别对α，β求偏导并令其为0：
；
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是各邻域点拟合后的抛物面方程；
至此完成亚像素拟合，将与单位像素进行对比，评估补偿效果。
本发明的具体实施过程如下：
如图2，首先进行机械补偿，将机载光电设备航空相机安装在机载平台上，当飞机飞行时，飞行姿态与机载部件的振动等会影响航空相机工作时的拍照精度与稳像，由于与稳定测量时真实值存在差异，这时候对减振器弹簧与阻尼的等效刚度系数与等效阻尼系数赋值，测量平台所测得的扰x，y，z三个方向的扰振力和扰振力矩进行精确测量，在机载平台运动期间，测量平台传感器可对飞轮扰振信号进行采集并通过连接电缆传递给信号采集与控制系统，信号采集与处理系统则可对扰振信号进行处理，将飞轮扰振信号处理为可供编辑的时域数据。无穷远处地物反射到光学系统的光经过 TDICCD 处理后可形成图像形式展示。在调整姿态角度成像过程中，航空相机运动伴随着姿控系统的调控作用同时对成像效果进行着影响。通过采集到的像移实测数据进行耦合特性参数补偿算法，对等效刚度系数与等效阻尼系数通过寻找与两 个参数密切相关的响应数据，使参考值与真实值之间的误差最小，采取最优化求解方法来求解真实耦合特性参数值尽可能改变机载平台扰振所致成像像移值。
然后进行电子补偿，如图3，当机载平台稳定运行时，航空相机所受扰振可以忽略时，航空相机拍摄的图像基于傅里叶变换的平移性质图像在空间域产生平移，在频域中频谱大小不会发生改变，但相位会相应的产生线性变化。利用这一原理通过一系列的处理以及频域变化，提取图像相关峰峰值坐标点及其周围 8 个邻域处，用抛物面公式进行拟合，最终实现图像亚像素级稳像精度获得亚像元的像移量。结合图2和图3的过程即形成图1的发明流程图。
为验证本发明所提出方法的有效性，根据无人机平台振动频率固有频率小于2000HZ，得到航空相机扰振谐波数据如下：
表1 航空相机扰振谐波数据；
。
扰振谐波的强弱用扰振幅值表示，表1中是初始的扰振幅值，由于扰振的存在，航空相机的图像数据也会发生偏移，从而得到像移谐波数据，像移谐波数据随着扰振谐波数据的变化而变化，与扰振谐波数据比值约为1.37倍，得到表2。
表2 航空相机像移谐波数据；
。
对初始等效刚度系数与等效阻尼系数赋值为=1000N/m，=0.3N/（m·s），基
于等效刚度系数与等效阻尼系数补偿值算法，经过迭代使误差均方根最小，从而寻找到最
优等效刚度系数与等效阻尼系数，拟合结果最优等效刚度系数与等效阻尼系数为=
910N/m，=0.55N/（m·s），并应用到像移补偿中。
经过像移补偿后，重新测算了扰振的幅值，如表3所示，发现扰振有明显改善。
表3 像移补偿后的幅值；
。
对本发明提出的基于耦合特性参数补偿方法与亚像素图像拟合方法，于2023年4月7日上午利用无人机升空对某社区进行航拍验证其实验性能，应用了一套相应的试验验证系统。基于该系统开展了像移测量补偿试验，并利用获得的像移数据对像移数据进行曲面拟合，结果表明。基于亚像素补偿的的像移补偿方法实现了较高的测量精度，与传统的像移补偿方法相比，相对误差不超过0.15像元；可明显提升成像品质，图像的x，y方向偏移像移量可减少至原图的1.35～1.5倍，获得的像移数据还可以反馈给航空相机。有效提升机载航空相机图像品质。该方法具有测量精度高、速度快、不受地面光照条件影响、可全天时工作的优点，可用于其它具有视轴抖动高精度测量需求的场合。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (5)
1.像移补偿参数优化分析方法，其特征在于，包括：
S1.将机载光电设备航空相机安装在机载平台上，计算航空相机的载机作用在减振器上的六个不同激励；
S2.进行成像位移估值计算，形成补偿后的像移数据估值；
S3.通过参数估计优化函数，基于耦合特性参数进行补偿值计算；
根据成像像移的估值，计算最后的耦合特性参数，其中=/>；
参数估计优化函数如下式：
；
式中λ为实测像移谐波数据点当前表示数，为所寻找的像移谐波数据点总个数，/>为扰振向当前表示数，/>为实测像移谐波数据点幅值与预估像移谐波数据点幅值误差均方根，/>为第/>个方向上频率为/>，角速度/>处第/>个原扰振谐波数据点幅值；/>为第/>个方向上传递函数；/> 为频率/>、角速度/>处第/>个实测像移谐波数据点幅值，对应关系依据谐波因子和测量转速，定位于数据矩阵位置；/>为像移谐波数据点频率；/>、/>为所选实测像移谐波数据点最低频率和最高频率，依据像移有效谐波数据点进行选择，的值即为补偿值；
S4.计算像移补偿后的航空相机的减振系统x、y、z三个方向的扰振力及其力矩；
S5.分析补偿效果。
2.根据权利要求1所述的像移补偿参数优化分析方法，其特征在于，S1包括：
S1.1.获得航空相机的载机作用在减振器上的六个不同激励；
S1.1.1.计算等效刚度系数；
六自由度减振系统包括六个自由度，其中/>为x方向的平动，/>为y方向的平动，/>为z方向的平动，/>为x方向的转动，/>为y方向的转动，/>为z方向的转动，六自由度减振系统给六个自由度的弹性势能V如下式：
；
式中，，/>，/>，/>，/>，/>分别为减振器在六个自由度上的等效刚度系数；
S1.1.2.计算等效阻尼系数，获得航空相机的载机作用在减振器上的六个不同激励；
航空相机与减振系统安装系统的阻尼耗能如下式：
；
式中，分别为减振器在六个自由度上的等效阻尼系数；
S1.1.3.将等效刚度系数和等效阻尼系数代入六自由度减振系统的动力学方程，如下式所示：
；
式中，m 为机载光电设备的质量，表示加速度，I为机载光电设备的转动惯量，表示六个自由度上施力点和轴心的长度，/>，/>，/>，/>，/>，/>分别为六个减振器的刚度值，/>分别为六个减振器的阻尼值，/>分别为航空相机的载机作用在减振器上的六个不同激励，六个不同激励对机载光电设备的冲击，使机载光电设备形成一个倾斜角度为/>。
3.根据权利要求2所述的像移补偿参数优化分析方法，其特征在于，S2包括：
S2.1.对摇摆动力学方程进行拉普拉斯变换，得到中间系数，如下式：
；
式中，表示经过拉普拉斯变换后的/>，/>表示经过拉普拉斯变换后的/>，/>和为中间系数，/>，/>，s为拉普拉斯变换参数，/>和/>为耦合特性参数，/>为减振器的摇摆动力值，/>为第i个减振器的摇摆动力值，/>为当前扰振数据航空角速度；
S2.2.根据中间系数，计算耦合特性函数；
减振系统扰振径向摇摆模态特性数据幅值是耦合特性参数/>，/>以及/>的函数：/>；
为当前扰振数据频率，i为虚数单位，/>为扰振当前表示数，/>为减振系统扰振谐波数据幅值；
S2.3.根据耦合特性函数，计算成像像移的估值；
成像像移IM是航空相机减振系统扰振的函数，如下式：
；
角速度一定的情况下，成像像移是，/>的函数，/>影响航空相机减振系统扰振输入改变成像像移值，将IM写成误差表达式为：
；
式中，表示IM的预估值，/>为像移误差，/>表示/>的预估值，/>为传递函数误差，为航空相机减振系统扰振数据误差，/>表示/>的预估值。
4.根据权利要求1所述的像移补偿参数优化分析方法，其特征在于，S4包括：
减振系统的扰振力为如下式：
；
式中，F为扰振力矩阵，K为刚度矩阵，X为扰振响应矩阵，C为阻尼矩阵，K=[，/>，/>，/>，/>，/>]，C=[/>]；
X=；
扰振力力矩的矩阵形式M为：，/>，/>。
5.根据权利要求4所述的像移补偿参数优化分析方法，其特征在于，S5包括：
将扰振力及其力矩的补偿效果，拟合为抛物面的参数，通过x，y轴方向上的向量坐标具象展示，进行补偿效果评估；
S5.1.图像是由/>旋转一个角度θ得到的，/>为x，y轴方向上的向量坐标：
；
对上式两端进行傅里叶变换：
；
为/>的傅里叶变化后的复数形式，/>为/>傅里叶变化后的复数形式 />为/>傅里叶变化后的复数形式，/>为/>傅里叶变化后的复数形式；
用极坐标表示为：
；
ρ为线段长度，为变化后的角度；
S5.2.采用改进算法亚像素拟合算法，在峰值坐标点及其周围 8 个邻域处，用抛物面进行拟合，抛物面方程为：
；
为抛物面方程的互相关函数，指r与r+1两点的相关函数；
求解抛物面方程求得抛物面方程式的系数：
；
，/>，B=/>，A为系数矩阵，/>为待定系数矩阵，a，b，c，d，e，f为待定系数，B为峰值的8个领域点的相位相关值矩阵；
将抛物面方程分别对α，β求偏导并令其为0：
；
；
是各邻域点拟合后的抛物面方程；
至此完成亚像素拟合，将与单位像素进行对比，评估补偿效果。
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