全景式航空相机拍照信号的控制方法

专利名称：全景式航空相机拍照信号的控制方法
技术领域：
全景式航空相机拍照信号的控制方法，属于航空相机测量与成像技术领域， 尤其针对全景式航空相机成像。
背景技术：
全景式航空相机采用镜筒摆扫式的工作方式。相机在拍照时，对地面上指
定的一个条带区域成像；回程时，不成像。航空相机扫描角越大，地面覆盖宽 度越宽，拍照周期就越长，相邻两条图像间有可能出现拉缝，导致图像信息量 的丢失。因此，为了使拍出的图像连续无缝，要求相邻两次成像的条带区域保 持一定的指标重叠率。目前，全景式航空相机是通过拍照信号来控制相机拍照 和返程时间，从而保证相机拍照的指标重叠率。拍照信号由位置/速度信号和 摄影脉冲信号组成，这两个信号主要是依据镜筒的位置信息来判断的。但是， 由于相机在拍照过程中受到飞机横滚角速度的干扰和飞机窗口尺寸的限制，依 据镜筒位置信息来控制位置/速度信号和摄影脉冲信号很难保证满足指标重叠 率的要求。本文针对上述情况设计了一种新的拍照信号的控制方法，该方法满 足指标重叠率的要求。

发明内容
发明目的
本发明设计了一种全景式航空相机拍照信号的控制方法，拍照信号包括位置/速度信号和摄影脉冲信号。该方法能够保证全景式航空相机相邻两条图像 间满足指标重叠率的要求。 技术方案
全景式航空相机工作方式分为左倾斜摆扫成像和右倾斜摆扫成像，相邻两 条图像重叠的地方称为重叠率，如图1所示。在离飞机最近的地方，重叠率最 小；离飞机最远的地方，重叠率最大。本发明设计的全景式航空相机拍照信号 控制方法是保证两条图像重叠率最小的地方满足指标重叠率的要求。
相机横向扫描角2-公式为
2~,^^ (1) / 77. sin 6
其中p—指标重叠率； "一速高比；
镜筒扫描速度，即镜筒相对于地面的扫描速度；
时间比例系数；
像元长度； ^一相机扫描角； /一相机焦距。
相机控制器系统根据公式(1)计算出相机横向扫描角2/ ，在考虑目标倾斜 角和当前飞机横滚角的情况下，确定镜筒扫描初始位置、扫描开始位置和扫描 结束位置，作为工作参数发送给镜筒系统。传统的拍照信号就是根据镜筒扫描 初始位置、扫描开始位置和扫描结束位置这三个位置信息作为判据，传统的拍 照时序图如图2所示。
从图2中可以看出，当镜筒到达扫描初始位置时，镜筒系统发送位置/速度信号低电平，选择速度控制回路，镜筒速度从零加速到恒定的镜筒扫描速度。 当镜筒以恒定镜筒扫描速度到达扫描开始位置时，镜筒系统发送摄影脉冲信号 低电平，相机开始拍照。当镜筒到达扫描结束位置时，镜筒系统发送摄影脉冲 信号高电平和位置/速度信号高电平，相机拍照结束，镜筒由速度控制切换到 位置控制，进入返程阶段，返回到扫描初始位置，准备下一次拍照。 (1)横滚角速度对实际重叠率影响
相机控制器系统发送的镜筒扫描初始位置、扫描开始位置和扫描结束位置 其实是镜筒相对于惯性系地面目标位置而言的。但由于镜筒系统是采用电位计 或者编码器作为位置反馈元件，它反馈的是镜筒相对于飞机的转动角度，而不 是相对于惯性系大地的转动角度。如果在拍照过程中，飞机的横滚角速度 "&=0，说明飞机在拍照期间没有产生横滚角，镜筒相对于地面的转角和镜筒
相对于飞机的转角一致，实际重叠率不发生改变；如果在拍照过程中飞机的横 滚角速度Ag^0，随着拍照时间积累会引起飞机横滚角度的变化，造成镜筒相
对于飞机的转角和镜筒相对于地面的转角不一致，因此实际重叠率发生变化。 当镜筒扫描速度为^=20°/"飞机横滚角速度 2±3°"，指标重叠率
p = 10%，
则实际重叠率/9'和飞机横滚角速度 关系如表1所示。
由表l可以看到，当横滚角速度气和镜筒扫描速度反向时，实际重叠率p 较指标重叠率p增大；当横滚角速度^g和镜筒扫描速度同向时，实际重叠率/9
较指标重叠率户减小，且当 22。"时，实际重叠率;9、0，出现负数，说明图
像之间没有重叠，出现拉缝现象，导致图像信息量的丢失。
上面的分析证明，如果以镜筒扫描开始位置和扫描结束位置作为摄影脉冲的判断依据，会对实际重叠率p带来影响。由于在拍照过程中，镜筒扫描速度 ^为恒定值，镜筒摆扫路程即为相机横向扫描角2/ 。当速高比;;一定时，相机 横向扫描角2/ 由公式(l)可求，因此，相机拍照时间^表达式为
f拍j ② 吣
其中2-—相机横向扫描角；
镜筒扫描速度，即镜筒相对于地面的扫描速度。
当镜筒到达扫描开始位置时，镜筒系统发送摄影脉冲信号低电平，相机开 始拍照，此时以拍照时间^做一个定时2，定时2时间到镜筒系统发送摄影信
号高电平，拍照结束，镜筒开始返程，这样保证了即使在拍照期间飞机有横滚 角速度，但实际重叠率p不受影响。 (2)速高比对实际重叠率影响
由公式(l)可知，对于全景式航空相机，相机的横向扫描角2^随着速高比 7的减小而变大。但是考虑到飞机窗口尺寸要求，相机横向扫描角2-限制在一 定范围内，B卩2〃 S 2y9max 。设速高比//。为相机横向扫描角刚等于2lx时的速高比， 770 = 0.05，速高比范围为;;e
。根据设计要求指标重叠率= 10% ，相机 实际重叠率p'和速高比;/关系如表2所示。
从表2中可以看出，当速高比/^/7。 = 0.05时，相机实际重叠率/y等于指标
重叠率p40y。；当速高比;7<;7。=0.05时，随着速高比;;变小，相机实际重叠率p 变大。当速高比// = 0.01时，实际重叠率p'-82。/。。
上面的分析说明，如果仍然以镜筒返程到镜筒扫描初始位置作为发送位置 /速度信号低电平的依据，当速高比;;<;7。的时候，实际重叠率^变大。 相机拍照周期r的表达式为<formula>formula see original document page 7</formula>
式中/ 一指标重叠率； 7—速高比； 像元长度； 0—相机扫描角； /一相机焦距。
从公式(3)可知，拍照周期r与速高比;;成反比。当速高比77变大时，拍 照周期r变小；当速高比;;变小时，拍照周期r变大。而且当速高比7<;;。时， 虽然相机横向扫描角2^z2^^不变，但是拍照周期r随之变大。因此，我们根
据相机拍照周期r作为位置/速度信号的判断依据，改进后的相机拍照时序图 如图3所示。
图3中，镜筒系统接到拍照指令后，发送位置/速度信号低电平，镜筒由 速度回路控制，并以拍照周期r做一个定时l。当镜筒到达扫描开始位置时， 发送摄影脉冲信号低电平，相机开始拍照，此时以拍照时间^做一个定时2。 ftt 定时2时间到镜筒系统发送摄影脉冲信号高电平和位置/速度信号高电平，拍
照结束，镜筒由位置回路控制，返回到扫描初始位置。当镜筒到达扫描初始位
置时，判断r的定时l，若r定时l时间到，则镜筒系统发送位置/速度信号低 电平，开始新的一次拍照；若r定时l时间未到，镜筒继续在扫描初始位置等 待，以上就是全景式航空相机拍照信号的控制方法。
对于全景式航空相机，电控系统组成结构为相机控制器系统、镜筒系统、 反射镜系统、调焦系统、调光系统以及横滚系统。电控系统结构图如图4所示。 首先，相机控制器系统根据飞机当前时刻的速高比、指标重叠率、目标倾斜角和横滚角度计算出镜筒扫描初始位置、扫描开始位置、扫描结束位置、拍照时 间^和拍照周期r，并作为工作参数发送给镜筒系统。其次，镜筒系统在扫描
初始位置按照图3的拍照信号控制时序发送位置/速度信号和摄影脉冲信号给 反射镜系统、调焦系统、调光系统和横滚系统。最后，接收到镜筒系统发送的 位置/速度信号和摄影脉冲信号后，反射镜系统进行像移补偿，调焦系统进行 自动调焦，调光系统进行自动调光，横滚系统进行横滚补偿，实现在拍照期间 各系统完成功能时序的一致性，并且保证了相机满足指标重叠率的要求。
本发明的有益效果控制全景式航空相机拍出的图像连续无缝，要求相邻 两次成像的条带区域满足指标重叠率。避免出现拉缝现象，防止图像信息量的 丢失。通过试验该控制方法稳定可靠，保证了相机满足指标重叠率的要求。


图l、图像条带重叠率示意图。
图2、传统方式相机拍照信号控制方法时序图。 图3、本发明相机拍照信号控制方法时序图。 图4、全景式航空相机电控结构原理图。 具体实施方法
1、相机控制器系统选用美国德州仪器公司(TI)最新数字信号处 (TMS320F2812)作为主控制器，它具有高速运算能力，其特点为50腿z工作 频率、32位数据线、18kRAM、 128kFLASH、 16通道P丽、3个定时器、2个全 双工SCI串口 。相机控制器系统与镜筒系统之间通过RS-422串口交换数据， 选用DS26C31和DS26C32作为RS-422串行通讯接口芯片。
2、相机控制器系统根据当前相机速高比、指标重叠率按照公式(l)计算出相机横向扫描角2/ ，再根据目标倾斜角和飞机横滚角确定镜筒扫描初始位
置、扫描开始位置和扫描结束位置，镜筒拍照时间^和镜筒拍照周期r。相
机控制器系统将这五个工作参数通过串口实时发送给镜筒系统。
3、 镜筒系统同样选用美国德州仪器公司(TI)的TMS320F2812作为主控
制器。选用DS26C31和DS26C32作为RS-422串行通讯接口芯片，与相机控制
器系统进行串口通讯。镜筒系统收到相机控制器系统发送的工作参数后，采 用Tl和T2两个定时器给镜筒拍照周期r和镜筒拍照时间^定时。采用两个
I/O 口发送位置/速度信号和摄影脉冲信号。
4、 反射镜系统、调焦系统、调光系统和横滚系统分别选用美国德州仪器 公司(TI)的TMS320F2812作为主控制器，同样分别采用两个I/O 口接收由 镜筒系统发送的位置/速度信号和摄影脉冲信号。
5、接收到镜筒系统发送的位置/速度信号和摄影脉冲信号后，反射镜系统 进行像移补偿，调焦系统进行自动调焦，调光系统进行自动调光，横滚系统 进行横滚补偿。拍照期间各系统完成功能时序的一致性，并且保证了相机满 足指标重叠率的要求。
权利要求
1、全景式航空相机拍照信号的控制方法，其特征在于具体控制方法是1)相机控制器系统根据飞机当前时刻的速高比、指标重叠率、目标倾斜角和横滚角度计算出镜筒扫描初始位置、扫描开始位置、扫描结束位置、拍照时间t拍和拍照周期T，这五个工作参数通过串口实时发送给镜筒系统；2)镜筒系统接到拍照指令后，在扫描初始位置发送位置/速度信号低电平，镜筒由速度回路控制，并以拍照周期T做一个定时1；3)当镜筒到达扫描开始位置时，镜筒系统发送摄影脉冲信号低电平，相机开始拍照，此时以拍照时间t拍做一个定时2；4)t拍定时2时间到镜筒系统发送摄影脉冲信号高电平和位置/速度信号高电平，拍照结束，镜筒由位置回路控制，返回到扫描初始位置；5)当镜筒到达扫描初始位置时，判断T的定时1，若T定时1时间到，则镜筒系统发送位置/速度信号低电平，开始新的一次拍照；若T定时1时间未到，镜筒继续在扫描初始位置等待，以上就是全景式航空相机拍照信号的控制方法。
2、 根据权利要求1所述的全景式航空相机拍照信号的控制方法，其特征 在于采用Tl和T2两个定时器给镜筒拍照周期r和镜筒拍照时间^定时。
3、 根据权利要求1所述的全景式航空相机拍照信号的控制方法，其特征 在于采用两个I/O 口发送并接收位置/速度信号和摄影脉冲信号。
全文摘要
全景式航空相机拍照信号的控制方法，属于航空相机测量与成像技术控制领域。相机控制器系统根据飞机当前时刻的速高比、指标重叠率、目标倾斜角和横滚角度计算出镜筒扫描初始位置、扫描开始位置、扫描结束位置、拍照时间t_拍和拍照周期T，并作为工作参数发送给镜筒系统。镜筒系统在扫描初始位置按照拍照信号控制时序发送位置/速度信号和摄影脉冲信号。最后，接收到镜筒系统发送的位置/速度信号和摄影脉冲信号后，反射镜系统进行像移补偿，调焦系统进行自动调焦，调光系统进行自动调光，横滚系统进行横滚补偿，实现在拍照期间各系统完成功能时序的一致性，并且保证了相机满足指标重叠率的要求。
文档编号H04N5/238GK101635798SQ20091006748
公开日2010年1月27日 申请日期2009年9月2日 优先权日2009年9月2日
发明者刘志明, 匡海鹏, 张雪菲, 王德江, 陈志超 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所