一种基于实时视轴跟踪的像移补偿结构的像移补偿方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种像移补偿方法，具体涉及一种基于实时视轴跟踪的像移补偿结构 的像移补偿方法。
【背景技术】
[0002] 在CCD方法迅速发展的今天，依靠亿元级探测器可以实现机载大视场高分辨率可 见光遥感成像。但国内中长波红外探测器仍然停留在十万元级，在有高地面分辨率要求的 前提下，很难依靠固定红外成像系统实现大视场（超过30° )成像。
[0003] 为满足高分辨率大视场机载遥感成像，需要对红外成像系统在翼展方向进行扫描 成像，利用时间上的多次成像组合成空间上的高分辨率宽幅成像。面阵成像系统单幅成像 过程需要一定的曝光时间，在该时间内成像系统位置变化会造成成像图像的运动模糊，即 像移。曝光时间越长，系统位置变化越快，引起的模糊越严重，像移也越大。因此在扫描成 像过程中，不采用像移补偿方法会造成图像产生像移。
[0004] 在成像系统曝光过程中，飞机姿态的变化也会造成图像产生像移。在成像曝光过 程中，同样需要对这种原因造成的像移进行补偿。
[0005] 大多数补偿方法控制扫描机构以某一速度V1-速扫描，控制补偿镜在曝光时间内 以1/2 X ^速度反向匀速运动转动，从而达到实时像移补偿功能。此方法成功的前提是保证 成像区域内摆扫的匀速性，若匀速性控制得不好，补偿镜仍按照事先计算的速度进行补偿， 则必然导致补偿效果欠佳。尤其是针对面阵扫描的机载红外成像系统，扫描机构的转动惯 量较大、动平衡很难配平造成匀速控制难、控制精度低。
[0006] 部分扫描机构采用步进方式进行大视场扫描：在扫描过程中需要曝光成像时，机 构停止扫描并保持稳定后开始曝光；曝光完成后，扫描机构继续进行扫描。这种控制方案 从根本上消除了曝光时刻的扫描运动，不再产生像移。但由于需要对扫描机构反复进行 "启-停"控制，状态转换过程需要较长时间进行机构稳定，不利于成像系统进行高帧频成 像。
[0007] 此外上述补偿方法不能对飞机姿态变化进行修正，需外加稳定平台，增加了系统 成本和机械机构。
【发明内容】
[0008] 综上所述，如何对面阵扫描的机载红外成像系统在曝光时间内进行高精度高帧频 的像移补偿和姿态稳定是本发明所要解决的方法问题。
[0009] 该发明所涉及的像移补偿结构包括红外面阵相机1、补偿镜机构2、扫描机构3、姿 态测量仪4;补偿镜机构2包括补偿镜、补偿镜电机、补偿轴、角度传感器以及固定联接结构 组成；扫描机构3由扫描安装框架3-2、扫描电机3-1、扫描轴3-3、角度传感器以及固定联 接结构组成；红外面阵相机1和补偿镜机构2安装在扫描安装框架3-2上；扫描机构3的扫 描轴3-3与扫描电机3-1安装在支撑架上，由扫描电机3-1带动扫描安装框架3-2围绕扫 描轴3-3进行转动；姿态测量仪5安装固定在支撑架上。
[0010] 高速实时获取成像系统的扫描角度和姿态信息，利用控制领域经典的PID三环 (位置环、速度环、电流环）控制算法（图1)，驱动补偿电机电机带动刚性连接的补偿镜实 现像移补偿和姿态稳定，像移补偿方法具体步骤如下：
[0011] 1)成像系统进行飞机翼展扫描成像。
[0012] 2)通过姿态传感器实时输出成像系统姿态信息，即成像系统所在平面与地平面夹 角。通过角度传感器实时输出视轴在大视场扫描过程中相对于成像系统所在平面的夹角；
[0013] 3)利用步骤1)获取的数据计算出视轴相对地平面的夹角；
[0014] 4)在某一帧曝光起始时刻，记录视轴初始位置；
[0015] 5)曝光持续过程中，实时计算视轴当前位置与初始位置的角位置增量
[0016] 6)将卸/2作为补偿电机的位置环PID命令输入，控制补偿镜反向转动到轉72 角位置，保证补偿后探测器视轴对应物点始终稳定在初始视轴对应物点，实现翼展摆扫像 移的实时补偿和系统姿态的实时稳定；
[0017] 7)曝光结束后，像移补偿电机返回初始零位，完成一个补偿周期。并等待下一个曝 光过程。
[0018] 本发明的优点在于：
[0019] (1)本发明控制方式简单，控制精度高。
[0020] 本发明不再要求对转动惯量大，动平衡差的面阵扫描机构进行匀速控制；而是加 强对转动惯量小，动平衡好的补偿镜进行控制，使其实现对扫描机构和飞机姿态变化的反 向跟踪补偿。控制方案由大惯量系统匀速控制和小惯量系统匀速控制更改为控制小惯量系 统追踪大惯量系统运动，在同样的运动控制算法（经典PID)下，减轻了控制难度，并可以达 到更高的控制精度，获得更好的像移补偿和姿态补偿效果。
[0021] (2)本发明适用于高帧频成像。
[0022] 本发明不要求对大惯量扫描机构进行"启-停"控制，所有机构均进行缓变控制， 即使在曝光时刻，也保持系统的运动。这种方法减少了扫描机构"运动到停止"和"停止到 运动"的稳定时间，从而实现高帧频成像。
[0023] (3)本发明集成了翼展方向的姿态稳定。
[0024] 高分辨率机载成像系统均需要配备飞机姿态稳定装置应用于实际作业中，否则会 造成曝光时刻的像移以及图像间无法配准问题。本发明集成了翼展方向的姿态稳定功能， 可以在补偿像移的同时对飞机姿态进行部分补偿校正。如果增加俯仰镜机构可以对飞机飞 行方向姿态进行补偿校正，即可将姿态稳定基础功能嵌入该机载红外成像系统，使该系统 可以直接具有实际应用功能，有利于节省成本，减少系统尺寸与重量。
【附图说明】
[0025] 图1是基于实时视轴跟踪的像移补偿方法的控制示意图。
[0026] 图2是基于实时视轴跟踪的像移补偿方法的侧视图。包括扫描安装框架3-2、姿态 测量仪4、扫描电机3-1。
[0027] 图3是图2中虚线部分的剖面图。包括含红外面阵相机1、补偿镜机构2、扫描机 构3及其扫描轴3-3。
[0028] 图4是系统成像光路图。包括红外面阵相机1，补偿镜机构2。
【具体实施方式】
[0029] 下面结合图2、图3给出本发明的一个较好实例，主要作进一步详细说明，而非用 来限定本发明的范围：
[0030] 将本发明应用于机载红外面阵成像仪，翼展方向要求实现55°的宽视场成像。选 择平面玻璃镜设计旋转轴与扫描轴3-3同向的补偿镜，旋转轴上安装有电机和角度传感器 组成的补偿机构。根据红外面阵相机1和补偿机构2的尺寸设计扫描机构3,包含扫描安装 框架3-2、扫描电机3-1、扫描轴3-3及其角度传感器。将红外面阵相机1和补偿机构2固 定在扫描安装框架3-2上。将扫描机构3的扫描轴3-3与扫描电机3-1安装在支撑架上， 由扫描电机3-1带动扫描安装框架3-2围绕扫描轴3-3进行转动；姿态测量仪5安装固定 在支撑架上。采用控制领域经典的PID三环（位置环、速度环、电流环）控制算法，驱动扫 描电机，在翼展方向进行摆扫控制；驱动补偿镜电机带动补偿镜，补偿曝光时刻的像移。通 过以上方式即可实现在翼展方向进行55°宽视场摆扫成像以及带翼展方向像移补偿与姿 态稳定的机载红外面阵成像仪。
【主权项】
1. 一种基于实时视轴跟踪的像移补偿结构的像移补偿方法，所述的像移补偿结构包括 红外面阵相机（1)、补偿镜机构（2)、扫描机构（3)、姿态测量仪（4);其特征在于包括以下步 骤： 1) 成像系统进行飞机翼展扫描成像； 2) 通过姿态传感器实时输出成像系统姿态信息，即成像系统所在平面与地平面夹角； 通过角度传感器实时输出视轴在大视场扫描过程中相对于成像系统所在平面的夹角； 3) 利用步骤1)获取的数据计算出视轴相对地平面的夹角； 4) 在某一帧曝光起始时刻，记录视轴初始位置； 5) 曝光持续过程中，实时计算视轴当前位置与初始位置的角位置增量'aP; 6) 将△供/2'作为补偿电机的位置环PID命令输入，控制补偿镜反向转动到Ap/2角位 置，保证补偿后探测器视轴对应物点始终稳定在初始视轴对应物点，实现翼展摆扫像移的 实时补偿和系统姿态的实时稳定； 7) 曝光结束后，像移补偿电机返回初始零位，完成一个补偿周期，并等待下一个曝光过 程。
【专利摘要】本发明公开了一种基于实时视轴跟踪的像移补偿结构的像移补偿方法。所述的像移补偿结构包括红外面阵相机、扫描机构、补偿镜机构、姿态测量仪。控制方法为基于实时视轴跟踪并采用控制领域经典的PID三环控制算法，实现翼展方向的高帧频高精度像移补偿，补偿精度优于1/2像元，同时可以实现成像系统在飞机横滚方向的姿态稳定功能，从而实现大视场高分辨率成像。本发明的优点在于能够利用小红外面阵相机实现大视场成像。
【IPC分类】G05D1/10
【公开号】CN105045275
【申请号】CN201510295683
【发明人】韩贵丞, 舒嵘, 王义坤, 亓洪兴, 周潘伟, 刘敏, 姚波
【申请人】中国科学院上海技术物理研究所
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2015年6月2日