航空相機縱向像移補償性能檢測

李英杰++李開端

摘要：

像移補償機構(gòu)是航空相機的關(guān)鍵組件。通過建立航空相機縱向像移量、像移速度模型，分析研究縱向像移補償機構(gòu)對像移補償殘差的影響特征，提出了運用像移補償殘差做為縱向像移補償機構(gòu)故障檢測的新方法。經(jīng)過對實際圖像像移殘差的實驗分析，驗證了該方法的有效性，可以實現(xiàn)工作狀態(tài)下對航空相機的便捷隨檢。

關(guān)鍵詞：

航空相機； 像移補償； 像移殘差

中圖分類號： V 556文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.05.002

引言

航空相機在成像過程中，會受到各種外部環(huán)境的影響，如：溫度、氣壓、載機平臺運動、氣流擾動等，這些因素嚴重影響相機動態(tài)分辨率的提高。特別是由于飛行運動、俯仰、橫滾和偏流等姿態(tài)運動，這種造成圖像像點運動模糊的現(xiàn)象稱為像移。為消除像移，相機系統(tǒng)有各種像移補償措施，如旋轉(zhuǎn)雙光楔補償、移動焦面補償、擺動反光鏡補償、TDICCD電子補償、穩(wěn)定平臺等。相機像移補償機構(gòu)的性能嚴重影響成像質(zhì)量，因此在設(shè)計、驗收和使用的各個階段對這類機構(gòu)性能的檢測尤為重要。目前的檢測方法多應(yīng)用在研制設(shè)計、驗收階段，在實驗室采用特定儀器或靶標進行測試。如王智儒等研究設(shè)計了航空相機像移補償板的檢測儀器；李岷等提出了一種動態(tài)靶標方案對機載光電穩(wěn)定平臺的靜態(tài)、動態(tài)參數(shù)進行測試。本文通過對成像圖像中像移殘差的分析，提出利用像移殘差估計做為相機縱向像移補償機構(gòu)性能檢測的新方法。

3縱向像移補償機構(gòu)性能檢測分析

由縱向像移速度公式（7）可以看出，像移速度由三項疊加組成，第一項為速高比影響，所占比重較大，

第二、三項分別為俯仰角速度、偏流角速度引起的縱向像移，各項像移速度的方向分別與飛行方向、角速度方向相同。表2給出了幾種飛行狀態(tài)下的像移量。

相機縱向像移補償機構(gòu)的性能要求像移補償殘差ΔS應(yīng)滿足不大于1/3像元的要求。像移殘差過大將造成成像質(zhì)量下降。表2中的數(shù)據(jù)給出了不同飛行狀態(tài)下的像移量情況，綜合分析表2中數(shù)據(jù)，可以看出像移補償殘差能準確反映反射鏡像移補償機構(gòu)的工作情況。下面從反饋通道、姿態(tài)角速度陀螺、余弦電位計、速高比DA轉(zhuǎn)換、前向控制通道5種情況進行分析。

（1） 反饋通道

當補償電機負反饋通道出現(xiàn)故障，如反射鏡速度陀螺故障，引起控制系統(tǒng)的負反饋信號缺失，造成較大的過度補償，使得剩余像移量較大，且像移方向與原有像移方向相反，一般情況下與飛行方向相反。同時由于受到擾動的影響，補償?shù)姆€(wěn)定性很差，造成多幀圖像對比分析時像移殘差的一致性很差。因此根據(jù)此類特點，可以判定速度反饋通道故障。

（2） 姿態(tài)角速度陀螺

姿態(tài)角速度陀螺是感測載機平臺的俯仰角速度、偏流角速度以及掃描角速度數(shù)據(jù)，消除俯仰角速度、偏流角速度引起的縱向像移。對不同掃描角的多幀圖像對比，一般隨著掃描角增加縱向像移量減小。但當載機平臺的偏流角速度ψ′較大時，根據(jù)表2第5行數(shù)據(jù)分析可知，姿態(tài)角速度引起的縱向像移量隨著掃描角增加而增加。因此當缺少姿態(tài)角速度陀螺信號時，像移殘差大小取決于θ′、ψ′造成的像移量，當偏流角速度ψ′較大時，具有縱向像移量隨著掃描角增大的特點。

（3） 余弦電位計

相機擺掃成像時，余弦電位計隨動旋轉(zhuǎn)提供（v/H）·cosα的補償信號。當余弦電位計故障時，會出現(xiàn)給定的速高比補償數(shù)據(jù)固定不變的問題，表現(xiàn)為不同掃描角下的圖像像移殘差不同。因此通過分析同次照相的不同幀圖像，如果出現(xiàn)縱向像移殘差不同的現(xiàn)象，可以判定余弦電位計故障。另外根據(jù)像移殘差數(shù)值大小還可進一步分析，若殘差過大且接近v/H引起的縱向像移量，這是由于電位計上端引入v/H的電壓信號斷路引起；若掃描角為0°時殘差很小，而大掃描角的幀圖像像移殘差略大，是由于電位計下接地端出現(xiàn)斷路引起。

（4） v/H信號DA轉(zhuǎn)換

相機反射鏡補償控制器輸出v/H數(shù)字信號，經(jīng)DA轉(zhuǎn)換后做為余弦電位計供電電壓，從而產(chǎn)生包含掃描角信息的v/H補償控制信號。當DA轉(zhuǎn)換模塊故障時，使得反射鏡補償控制不能隨飛行速度、高度的變化準確補償，反映在成像圖像中，會出現(xiàn)較大的圖像縱向補償殘差，且殘差值不隨v/H條件改變而改變。

（5） 前向控制通道

反射鏡補償控制系統(tǒng)的前向控制通道包括直流電機、PWM功率放大環(huán)節(jié)、以及超前滯后校正控制環(huán)節(jié)等組成，與補償速度給定環(huán)節(jié)（v/H、θ′、ψ′信號）以及反饋通道一起構(gòu)成縱向像移補償?shù)乃俣乳]環(huán)控制系統(tǒng)。如果前向控制通道性能出現(xiàn)問題，使得反射鏡補償角速度不能準確反映補償速度的給定值，出現(xiàn)圖像的像移殘差超標。因此，當載機平臺在不同v/H、俯仰角速度θ′及偏流角速度ψ′時，都會出現(xiàn)較大的像移殘差問題，可以作為前向控制通道性能故障的判斷依據(jù)。

4實驗分析

當縱向像移補償機構(gòu)不正常時，航空成像時的像移補償殘差會造成圖像運動模糊，運用圖像運動模

糊估計技術(shù)可以檢測到像移殘差的大小，從而實現(xiàn)對相機補償機構(gòu)性能參數(shù)、故障點的確定。圖4中（a）、（b）、（c）的三幀圖像為某次航空攝影中同次擺掃成像所得，對應(yīng)的掃描角分別為0°、20°、35°，通過相機工作條件數(shù)據(jù)可以理論分析出三幀圖像的理論縱向像移量（見表3）。對圖4中三幀圖像在頻域內(nèi)進行Radon變換[89]，求得沿運動模糊方向上的Radon變換曲線，分別為圖4中的（d）、（e）、（f）所示，可以計算出三幀圖像的像移殘差分別為74.1 μm、97.5 μm、118.3 μm。檢測值與像移量理論值的θ′、ψ′合計項相近，且隨掃描角增加而增加，因此可以判斷相機的縱向像移補償機構(gòu)中姿態(tài)速度陀螺出現(xiàn)故障。

5結(jié)語

像移是影響航空相機成像的重要因素，像移補償機構(gòu)是航空相機工作的關(guān)鍵組件，在設(shè)備使用中是定期檢修的重要部分?？v向像移補償機構(gòu)各組成部件的工作性能影響了補償精度，最終成像圖像會產(chǎn)生不同的像移補償殘差。本文提出了利用圖像補償殘差檢測縱向像移補償機構(gòu)性能的新方法，避免了常規(guī)檢測時對檢測儀器的依賴和設(shè)備拆解等繁瑣操作，實現(xiàn)了在工作狀態(tài)下的隨檢，具有好的推廣應(yīng)用價值。

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（編輯：張磊）