CN202994152U - 超高分辨率多角度航空照相机系统 - Google Patents

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舒嵘
卜弘毅
王光
许琦
姜紫庆
刘军
李飞
贺运东
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Abstract

本实用新型公开了一种超高分辨率航空多角度照相机系统，包括：飞行稳定平台、设置在该飞行稳定平台上的姿态测量装置和至少包括三台超大面阵画幅式航空照相机的传感器头部、以及与该传感器头部连接的飞行控制系统和分布式控制和数据存储系统。本实用新型具有分辨率高，兼容性强，使用方便的特点，可以在1000米航高时实现10cm地面分辨率，所获得数据可以用于地面三维模型的直接反演；兼容多种姿态测量装置，兼容多种飞行稳定平台和飞行控制系统；其传感器头部可实现升降，在飞机起飞时收进机舱，在起飞后伸出机舱进行工作。

Description

超高分辨率多角度航空照相机系统
技术领域：
本实用新型属于光电仪器技术领域，具体指一种超高分辨率多角度航空照相机系统。
背景技术：
随着数字地球、数字城市概念的不断推进，建立基于真实坐标的三维城市模型具有重要意义，对于城市规划、城市导航、虚拟漫游等具有重要的应用价值。
传统的城市三维模型的建立，主要依靠航拍图像进行大量的后期处理得到。由于传统的航空摄影测量，只能获取建筑物单一的垂直方向的影像，而无法获取侧面纹理，侧面纹理只有通过后期人工对建筑物进行地面拍摄，并通过大量的图像处理方法，人工软件贴图获得。该方法，工作量大，费时费力，而且受到客观因素影响，如拍照距离和拍照角度等。而且所获得的城市三维影像，并不是基于真实的三维坐标。多角度航空摄影测量，采用多台相机在不同角度同时曝光，同一时刻获取地面景物在不同角度的图像，可以通过后期的软件处理，获得城市基于真实坐标的三维影像，大大提高了城市三维建模的效率。
由于受制于各种条件，现有的航空多角度摄影测量系统，一般采用非航空用途的相机，分辨率不够高，航空适应性不强，直接影响后期图像的效果。
实用新型内容：
本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种超高分辨率航空多角度照相机系统，实现最高分辨率的航空多角度摄影测量，并具有分辨率高、兼容性强、使用方面的特点。
本实用新型的技术解决方案如下：
一种超高分辨率航空多角度照相机系统，特点征在于其构成包括：飞行稳定平台、设置在该飞行稳定平台上的姿态测量装置和至少包括三台超大面阵画幅式航空照相机的传感器头部、以及与该传感器头部连接的飞行控制系统和分布式控制和数据存储系统。
所述的姿态测量装置与所述的传感器头部刚性连接。
所述的传感器头部包括一基座，在基座上设置有五台8000万像素超高分辨率航空照相机，一台航空照相机的摄像头垂直向下，另外四台航空照相机的摄像头分别指向垂直、前视、后视、左视、右视五个角度，航空照相机视轴中心与基座垂直方向夹角为42°～45°。其中，垂直方向提供地面景物的正射影像，其它四个角度分别提供景物在四个不同方向的侧面影像。
在所述的传感器头部下方连接有升降机构。
所述的升降机构包括旋转手柄、丝杠螺母、丝杠和升降架；
所述的丝杠螺母固定在升降架上，所述丝杠的一端与旋转手柄连接，丝杠螺母拧在该丝杠上，通过旋转手柄带动丝杠旋转，使得丝杠螺母实现升降，进而带动升降架升降。
在所述的丝杠附近还设置有直线导轨，提高升降架的直线运动精度，增加机构刚度，保证升降稳定。
传感器头部在飞机起飞时收进机舱，在起飞后伸出机舱进行工作。
航拍的方案预先在飞行控制系统中进行设置，在飞机飞抵预定目标上方时，飞行控制系统给出一个曝光触发脉冲，提供给航空照相机，五台航空照相机外触发信号进行级联，以实现同步曝光，同时航空照相机在曝光时刻向外输出一个曝光信号，输出给姿态测量装置，以记录曝光时刻相机的位置和姿态数据。姿态测量装置的主要部件惯性测量单元（IMU）与传感器头部刚性连接，以保证测量的准确性。
飞行稳定平台，用于保证超高分辨率航空多角度照相机系统在航拍过程中的姿态稳定性。
所述的分布式控制和数据存储系统由六台小型工业控制计算机通过网络连接，其中五台计算机分别用于控制五台照相机，并进行数据传输和存储，另外一台计算机用于显示人机界面。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
（1）实现最高分辨率的航空多角度摄影测量，并具有分辨率高、兼容性强、使用方面的特点。
（2）实现在1000米航高时10cm地面分辨率，所获得数据可以用于地面三维模型的直接反演。
（3）兼容多种飞机、兼容多种姿态测量装置，兼容多种飞行稳定平台和飞行控制系统。
（4）传感器头部可实现升降，在飞机起飞时收进机舱，在起飞后伸出机舱进行工作。
（5）广泛适用于航空摄影测量领域，以实现超高分辨率、多角度、高效率的航空摄影测量。
附图说明：
图1是本实用新型超高分辨率航空多角度照相机系统的组成框图。
图2是本实用新型中传感器头部的安装示意图。
图3a是本实用新型中传感器头部收缩的状态图。
图3b是本实用新型中传感器头部伸长的状态图。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本实用新型技术方案做详细的说明，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
请先参阅图1和图2，图1是本实用新型超高分辨率航空多角度照相机系统的组成框图，图2是本实用新型中传感器头部的安装示意图，如图所示，一种超高分辨率航空多角度照相机系统，包括：飞行稳定平台4、设置在该飞行稳定平台4上的姿态测量装置2和至少包括三台超大面阵画幅式航空照相机的传感器头部1、以及与该传感器头部1连接的飞行控制系统3和分布式控制和数据存储系统5。
传感器头部1包括一基座，在基座上设置有五台8000万像素超高分辨率航空照相机，其中一台航空照相机的摄像头垂直向下，另外四台航空照相机倾斜，航空照相机视轴中心与基座垂直方向夹角为42°～45°。五台航空照相机分别实现垂直、前视、后视、左视、右视五个角度的图像采集。姿态测量装置2与传感器头部1刚性连接，保证姿态测量装置2与传感器头部1的姿态完全一致，以测量传感器头部1的空间三维坐标和三轴姿态。
飞行控制系统3，用于航拍的路径规划，及航拍时的曝光触发，在飞机飞抵预定区域后，飞行控制系统发出触发脉冲给相机阵列1，触发传感器头部中5台超高分辨率航空相机同时曝光。
传感器头部1与姿态测量装置2的组合体置于飞行稳定平台4之上，飞行稳定平台可以提供俯仰、横滚、偏航三轴的姿态校正，用于保证航拍的姿态稳定。
分布式控制和数据存储系统5，由六台小型工业控制计算机组成局域网络，其中五台工业控制计算机分别对应控制五台超高分辨率航空照相机，以实现曝光控制、数据传输和数据存储，另一台工业控制计算机用于向操作员提供人机界面。
本实用新型超高分辨率航空多角度照相机系统各部分的具体技术指标如下：
（1）传感器头部
传感器头部1由五台高分辨率航空照相机组成，分别实现垂直、前视、后视、左视、右视五个角度的图像采集，其结构如附图2所示。其中第一台航空照相机1-1为垂直相机，指向飞机的正下方，用于获得正射影像。四台倾斜相机，第二台航空照相机1-2指向飞机飞行的右下方，第三台航空照相机1-3指向飞机飞行的后下方，第四台航空照相机1-4指向飞机飞行的左下方，第五台航空照相机1-5指向飞机飞行的前下方。四台倾斜相机的相机视轴中心与垂直方向夹角为42°～45°可变。
1台垂直相机+4台倾斜相机
Figure BDA00002622560400052
倾斜相机光轴夹角：42°~45°
Figure BDA00002622560400053
单视场像素：10320X7752（8000万像素）
Figure BDA00002622560400054
像元分辨率：0.1m1km，0.05m500m
快门速度：1/30s~1/1600s
Figure BDA00002622560400056
传感器头部尺寸：Φ444mmx680mm
Figure BDA00002622560400057
存储容量：240GB/单台相机
最小拍照间隔：3s
兼容IMU：Applanix TYPE-21、TYPE-31、TYPE-14，AreoControlIMU-IId
Figure BDA000026225604000510
兼容稳定平台：PAV30、PAV80、GSM3000、Z/I Mount
Figure BDA00002622560400061
总功率：400W
Figure BDA00002622560400062
电源输入：28VDC
Figure BDA00002622560400063
工作温度：-10°to 40°C(14°to 104°F)
五台高分辨率航空照相机均为8000万像素，幅面为10320X7752。相机的具体型号为PhaseOne iXA180航空照相机，具体指标为：
Figure BDA00002622560400064
分辨率：10320×7752（80MP）
Figure BDA00002622560400065
动态范围：>72dB
Figure BDA00002622560400066
幅面比例：4：3
Figure BDA00002622560400067
相元尺寸：5.2um
Figure BDA00002622560400068
CCD有效尺寸：53.7×40.4mm
Figure BDA00002622560400069
ISO：35-800
Figure BDA000026225604000610
快门速度：1/4000s（焦平面快门）；1/1600s（中心快门）
Figure BDA000026225604000611
电源输入：12–30VDC
功耗：20W
Figure BDA000026225604000613
尺寸：120×114×128.5mm（W×H×D）
重量：1.6Kg
其中垂直相机可以选配相移补偿功能，以在更慢的快门速度下，保持图像清晰。
传感器头部下方连接有升降机构，实现升降，其行程为25cm，以利在不同飞机上的安装，如图3所示。丝杠螺母1-7固定在升降架上1-10。通过旋转手柄1-6带动丝杠1-8旋转，丝杠1-8旋转使得丝杠螺母1-7实现升降，进而带动升降架1-10升降。在丝杠1-8附近设有直线导轨1-9，提高升降架1-10的直线运动精度，增加机构刚度，保证升降稳定。在飞机起飞前，传感器头部处于收缩状态，飞机观察窗口舱门关闭；飞机起飞后，观察窗口舱门打开，通过摇杆实现传感器头部伸长，伸出观察窗口外，进行航拍作业。
（2）姿态测量装置
姿态测量装置采用Applanix公司POS AV系列产品或AreoControl产品，测量飞行时的位置和姿态，并进行数据记录。姿态测量装置可以兼容Applanix TYPE-21、TYPE-31、TYPE-14型号的IMU以及AreoControlIMU-IId型号的IMU。
（3）飞行控制系统
飞行控制系统可预先设置飞行测量计划，在飞行过程中，根据预先设定的曝光位置，给出曝光触发脉冲，控制传感器头部的五台相机进行同步曝光控制。
（4）分布式控制和数据存储系统
分布式控制和数据存储系统，由六台小型工控计算机通过以太网连接，其中五台计算机分别用于控制五台航空照相机，并进行数据传输和存储，另外一台计算机用于显示人机界面。每台小型工控机通过1394b接口与传感器头部的超高分辨率航空照相机进行连接，相机的设置参数通过1394b接口下传，相机拍摄的数据通过1394b接口上传至工控机。每台小型工控计算机配置两块240GB固态硬盘进行数据存储，两盘之间的数据互为备份。

Claims (8)

1.一种超高分辨率航空多角度照相机系统，特征在于其构成包括：飞行稳定平台（4）、设置在该飞行稳定平台（4）上的姿态测量装置（2）和至少包括三台超大面阵画幅式航空照相机的传感器头部（1）、以及与该传感器头部（1）连接的飞行控制系统（3）和分布式控制和数据存储系统（5）。 
2.根据权利要求1所述的超高分辨率航空多角度照相机系统，其特征在于，所述的姿态测量装置（2）与所述的传感器头部（1）刚性连接。 
3.根据权利要求1或2所述的超高分辨率航空多角度照相机系统，其特征在于，所述的传感器头部（1）包括一基座，在基座上设置有五台8000万像素超高分辨率航空照相机，其中一台航空照相机的摄像头垂直向下，另外四台航空照相机倾斜。 
4.根据权利要求3所述的超高分辨率航空多角度照相机系统，其特征在于，所述的倾斜角度为航空照相机视轴中心与基座垂直方向夹角为42°～45°。 
5.根据权利要求3所述的超高分辨率航空多角度照相机系统，其特征在于，所述的分布式控制和数据存储系统由六台小型工业控制计算机通过网络连接，其中五台计算机分别用于控制五台照相机，并进行数据传输和存储，另外一台计算机用于显示人机界面。 
6.根据权利要求1所述的超高分辨率航空多角度照相机系统，其特征在于，在所述的传感器头部下方连接有升降机构。 
7.根据权利要求6所述的超高分辨率航空多角度照相机系统，其特征在于，所述的升降机构包括旋转手柄（1-6）、丝杠螺母（1-7）、丝杠（1-8）和升降架（1-10）； 
所述的丝杠螺母固定在升降架上，所述丝杠的一端与旋转手柄连接，丝杠螺母拧在该丝杠上，通过旋转手柄带动丝杠旋转，使得丝杠螺母实现升降，进而带动升降架（1-10）升降。 
8.根据权利要求6或7所述的超高分辨率航空多角度照相机系统，其特征在于，在所述的丝杠附近还设置有直线导轨（1-9）。 
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