輕小型面陣擺掃熱紅外成像系統(tǒng)研究

王義坤，亓洪興，韓貴丞，劉 敏，王雨曦，葛明鋒

(中國科學院上海技術(shù)物理研究所空間主動光電技術(shù)重點實驗室，上海200083)

1 引言

近年來，隨著輕小型無人機應用的普及和小面陣熱紅外探測器的日趨成熟，高分辨率的無人機載熱成像技術(shù)被廣泛應用于海事救援、災害預警與應急響應、以及環(huán)境熱輻射監(jiān)測等領域［1－5］。然而受限于器件規(guī)模，面陣熱紅外探測器的單幀成像視場很小，無法滿足日益增長的寬視場應用需求。采用小面陣探測器、在翼展方向進行整機擺掃可以實現(xiàn)寬視場、高分辨率成像，但是這種成像機制的光機結(jié)構(gòu)笨重復雜，不適用于輕小型無人機［6－8］。利用多個小面陣探測器進行視場拼接在實現(xiàn)寬視場高分辨率成像的同時，難免增加儀器重量，所以拼接方案對載重敏感的輕小型無人機而言也是不適用的［9］。

針對現(xiàn)有寬視場、高分辨率成像機制在輕小型無人機熱紅外遙感上應用受限的問題，本文研制了一套輕小型面陣擺掃熱紅外成像系統(tǒng)，利用面陣相機實現(xiàn)高分辨率成像，基于光學系統(tǒng)自身元件獲取寬視場，同時對面陣擺掃寬視場成像過程中無人機橫滾姿態(tài)擾動導致的視場偏移進行了糾正。本文研制的輕小型熱成像系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)視場無偏移的寬視場高分辨率成像，由于采用小轉(zhuǎn)動慣量的光學元件實現(xiàn)寬視場成像，不僅控制難度降低，而且光機結(jié)構(gòu)簡單，體積、重量優(yōu)勢明顯，非常適用于輕小型無人機熱紅外遙感。

2 系統(tǒng)描述

輕小型面陣擺掃熱紅外成像系統(tǒng)的光機結(jié)構(gòu)如圖1所示，面陣熱紅外相機水平安裝，實現(xiàn)高分辨率成像;固定反射鏡相對于熱紅外相機靜止不動，負責光路折轉(zhuǎn);擺掃反射鏡可以繞擺掃軸轉(zhuǎn)動，沿翼展方向掃描實現(xiàn)寬視場成像;負責對地成像的45°指向鏡可繞俯仰軸轉(zhuǎn)動，配合翼展擺掃作景物跟蹤運動，保證擺掃一行獲取的圖像垂直于飛行方向;橫滾環(huán)架可繞橫滾軸轉(zhuǎn)動，反向補償糾正無人機橫滾姿態(tài)擾動導致的視場偏移。

圖1 系統(tǒng)光機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Optical－mechanical structure of the system

3 成像原理

圖2(a)為視場無偏移的理想狀況下，基于反射鏡的面陣擺掃寬視場成像原理示意圖?？刂茢[掃反射鏡繞擺掃軸轉(zhuǎn)動，沿翼展方向進行物方掃描，實現(xiàn)寬視場成像。擺掃一行時，熱紅外相機進行多次曝光成像實現(xiàn)翼展方向的寬視場覆蓋。

圖2 成像原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of imagingprinciple

實際飛行作業(yè)時，由于空中氣流和自身因素的影響，無人機作為載體平臺難以保持自身姿態(tài)的平穩(wěn)，其橫滾姿態(tài)擾動會導致翼展擺掃成像視場出現(xiàn)偏移，如圖2(b)所示。這種視場偏移會增加地物漏掃風險，降低作業(yè)效率，需要一定的技術(shù)手段進行糾正。假設面陣擺掃寬視場成像過程中無人機產(chǎn)生γ角橫滾姿態(tài)擾動，利用POS實時感測此擾動，然后將－γ作為視場偏移糾正命令，控制橫滾環(huán)架帶動熱成像系統(tǒng)反向轉(zhuǎn)動γ角，糾正橫滾擾動導致的視場偏移，實現(xiàn)視場無偏移的寬視場高分辨率成像。

4 實現(xiàn)方案

圖3為實驗室內(nèi)利用六自由度平臺和大反射鏡搭建的飛行模擬試驗系統(tǒng)，用以模擬無人機載面陣擺掃熱紅外成像。其中，面陣熱紅外相機用相同技術(shù)指標的可見光相機代替，進行功能驗證。將成像系統(tǒng)放置在六自由度運動平臺上，六自由度運動平臺繞其橫滾軸的轉(zhuǎn)動用于模擬無人機橫滾姿態(tài)擾動。大反射鏡繞自身鏡面內(nèi)垂直于熱成像系統(tǒng)橫滾軸的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，模擬無人機飛行并實現(xiàn)室內(nèi)對外成像:鏡面軸向?qū)碚箶[掃方向，成像視場的豎直方向?qū)獰o人機飛行方向。此飛行模擬試驗系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)指標如表1所示。

圖3 無人機載熱成像飛行模擬試驗系統(tǒng)Fig.3 flight simulator test system for thermal imaging on UAV

表1 飛行模擬試驗系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)指標Tab.1 Technical specifications of the flight simulator test system

圖4 寬視場擺掃和視場糾偏控制框圖Fig.4 Control diagram of WFOV whiskbroom scanning and FOV deviation rectification

寬視場擺掃和視場偏移糾正的控制框圖見圖4，選擇控制領域經(jīng)典的位置－速度－電流三環(huán)PID算法［10］作為核心控制算法;采用動態(tài)響應快、定位精度高的音圈電機帶動擺掃反射鏡沿翼展方向擺掃實現(xiàn)寬視場成像，控制橫滾環(huán)架反向轉(zhuǎn)動糾正無人機橫滾姿態(tài)擾動導致的視場偏移。

視場無偏移的寬視場高分辨率成像的實現(xiàn)過程如下:

(1)在等時間間隔內(nèi)產(chǎn)生等角度增量的位置命令，作為寬視場擺掃命令輸入到音圈電機1的位置環(huán)PID，控制音圈電機1帶動擺掃反射鏡沿翼展方向擺掃，實現(xiàn)寬視場成像;

(2)面陣擺掃寬視場成像的同時，利用POS實時感測橫滾姿態(tài)擾動角γ;

(3)將－γ作為視場糾偏命令輸入到音圈電機2的位置環(huán)PID，控制音圈電機2帶動橫滾環(huán)架反向轉(zhuǎn)動到－γ角位置，糾正無人機橫滾姿態(tài)擾動導致的視場偏移，實現(xiàn)視場無偏移的寬視場高分辨率成像。

5 試驗結(jié)果與分析

圖5為寬視場擺掃和視場糾偏的控制效果，其中圖5(a)和圖5(b)分別為偏移糾正前后的寬視場擺掃控制曲線，圖5(c)為視場糾偏控制曲線，圖5(d)為糾偏誤差的放大曲線。如圖5(a)所示，寬視場擺掃命令在±9°范圍內(nèi)變化，視場中心為0°。無人機橫滾方向產(chǎn)生幅值3°正弦姿態(tài)擾動時，視場中心隨擾動呈幅值3°的正弦變化，擺掃視場出現(xiàn)偏移。從圖5(c)中可以看出，視場糾偏命令與橫滾姿態(tài)擾動幅值相同相位相反，與音圈電機2的位置環(huán)PID命令輸入一致，由圖5(d)得到視場偏移的糾正誤差為±0.02°。偏移糾正后的擺掃視場如圖5(b)所示，對比圖5(a)可以看出，橫滾方向幅值3°正弦姿態(tài)擾動導致的視場偏移已經(jīng)被糾正，視場中心重新歸為0°。

圖5 寬視場擺掃和視場糾偏控制效果Fig.5 Control effect of WFOV whiskbroom scanning and rectification for FOV deviation

圖6給出了飛行模擬試驗系統(tǒng)橫滾方向產(chǎn)生幅值3°的正弦姿態(tài)擾動時，沒有進行視場偏移糾正的寬視場高分辨率成像效果，其中成像視場的水平方向代表翼展方向。擺掃一行時，相機進行20次曝光成像實現(xiàn)翼展方向18°的寬視場覆蓋。從圖中還可以看出，該系統(tǒng)高分辨率成像效果良好，圖像信息豐富，目標細節(jié)特征清晰可辨。但是由于橫滾方向的正弦姿態(tài)擾動，翼展擺掃視場出現(xiàn)偏移，視場中心和寬視場拼接圖像均呈現(xiàn)S型。假若以這種狀態(tài)進行飛行，地物必然漏掃，嚴重降低飛行作業(yè)效率。

圖6 橫滾擾動時的寬視場高分辨率成像效果Fig.6 WFOV and high resolution image with rolling attitude disturbance

圖7為視場偏移糾正后的寬視場高分辨率成像效果，由于僅對圖像進行了簡單的拼接處理，圖中建筑物的幾何特征略有缺陷，但這并不影響對成像效果的判讀。對比圖6，橫滾擾動導致的視場偏移已經(jīng)被糾正，擺掃視場在翼展方向沒有偏移，視場保持穩(wěn)定。

圖7 視場無偏移的寬視場高分辨率成像效果Fig.7 WFOV and high resolution image without FOV deviation

6 結(jié)論

針對現(xiàn)有寬視場、高分辨率成像機制在輕小型無人機熱紅外遙感上應用受限的問題，本文研制了一套輕小型面陣擺掃熱紅外成像系統(tǒng)。在實驗室內(nèi)利用相同技術(shù)指標的面陣可見光相機代替熱紅外相機進行功能驗證，并進行對外成像試驗，獲取了視場無偏移的寬視場高分辨率圖像。上述熱成像系統(tǒng)具有光機結(jié)構(gòu)簡單、重量輕和體積小等優(yōu)點，在輕小型無人機熱紅外遙感領域具有一定的推廣應用價值。

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