基于實時視軸跟蹤的像移補償結構制造技術

本專利公開了一種基于實時視軸跟蹤的像移補償結構，結構包括紅外面陣相機、掃描機構、補償鏡機構、姿態測量儀。紅外面陣相機和補償鏡機構安裝在掃描安裝框架上；掃描機構的掃描軸與掃描電機安裝在支撐架上，由掃描電機帶動掃描機構圍繞掃描軸進行轉動；姿態測量儀安裝固定在支撐架上。本專利的優點在于能夠利用小紅外面陣相機實現大視場成像。

【技術實現步驟摘要】

本專利涉及像移補償結構，具體涉及一種基于實時視軸跟蹤的像移補償結構。
技術介紹
在CCD方法迅速發展的今天，依靠億元級探測器可以實現機載大視場高分辨率可 見光遙感成像。但國內中長波紅外探測器仍然停留在十萬元級，在有高地面分辨率要求的 前提下，很難依靠固定紅外成像系統實現大視場（超過30°)成像。為滿足高分辨率大視場機載遙感成像，需要對紅外成像系統在翼展方向進行掃描 成像，利用時間上的多次成像組合成空間上的高分辨率寬幅成像。面陣成像系統單幅成像 過程需要一定的曝光時間，在該時間內成像系統位置變化會造成成像圖像的運動模糊，即 像移。曝光時間越長，系統位置變化越快，引起的模糊越嚴重，像移也越大。因此在掃描成 像過程中，不采用像移補償方法會造成圖像產生像移。在成像系統曝光過程中，飛機姿態的變化也會造成圖像產生像移。在成像曝光過 程中，同樣需要對這種原因造成的像移進行補償。大多數補償方法控制掃描機構以某一速度V1-速掃描，控制補償鏡在曝光時間內 以1/2X￥1速度反向勻速運動轉動，從而達到實時像移補償功能。此方法成功的前提是保證 成像區域內擺掃的勻速性，若勻速性控制得不好，補償鏡仍按照事先計算的速度進行補償， 則必然導致補償效果欠佳。尤其是針對面陣掃描的機載紅外成像系統，掃描機構的轉動慣 量較大、動平衡很難配平造成勻速控制難、控制精度低。部分掃描機構采用步進方式進行大視場掃描：在掃描過程中需要曝光成像時，機 構停止掃描并保持穩定后開始曝光；曝光完成后，掃描機構繼續進行掃描。這種控制方案 從根本上消除了曝光時刻的掃描運動，不再產生像移。但由于需要對掃描機構反復進行 "啟-停"控制，狀態轉換過程需要較長時間進行機構穩定，不利于成像系統進行高幀頻成 像。此外上述補償方法不能對飛機姿態變化進行修正，需外加穩定平臺，增加了系統 成本和機械機構。
技術實現思路
綜上所述，如何對面陣掃描的機載紅外成像系統在曝光時間內進行高精度高幀頻 的像移補償和姿態穩定是本專利技術所要解決的方法問題。本專利的結構包括紅外面陣相機1、補償鏡機構2、掃描機構3、姿態測量儀4;補償 鏡機構2包括補償鏡、補償鏡電機、補償軸、角度傳感器以及固定聯接結構組成；掃描機構3 由掃描安裝框架3-2、掃描電機3-1、掃描軸3-3、角度傳感器以及固定聯接結構組成；紅外 面陣相機1和補償鏡機構2安裝在掃描安裝框架3-2上；掃描機構3的掃描軸3-3與掃描 電機3-1安裝在支撐架上，由掃描電機3-1帶動掃描安裝框架3-2圍繞掃描軸3-3進行轉 動；姿態測量儀4安裝固定在支撐架上。 高速實時獲取成像系統的掃描角度和姿態信息，利用控制領域經典的PID三環 (位置環、速度環、電流環）控制算法（圖1)，驅動補償電機電機帶動剛性連接的補償鏡實 現像移補償和姿態穩定，像移補償方法具體步驟如下： 1)成像系統進行飛機翼展掃描成像。 2)通過姿態傳感器實時輸出成像系統姿態信息，即成像系統所在平面與地平面夾 角。通過角度傳感器實時輸出視軸在大視場掃描過程中相對于成像系統所在平面的夾角； 3)利用1)獲取的數據計算出視軸相對地平面的夾角； 4)在某一幀曝光起始時刻，記錄視軸初始位置； 5)曝光持續過程中，實時計算視軸當前位置與初始位置的角位置增量; 6)將A#/2作為補償電機的位置環PID命令輸入，控制補償鏡反向轉動到Xe? 2 角位置，保證補償后探測器視軸對應物點始終穩定在初始視軸對應物點，實現翼展擺掃像 移的實時補償和系統姿態的實時穩定； 7)曝光結束后，像移補償電機返回初始零位，完成一個補償周期。并等待下一個曝 光過程。 本專利的優點在于： (1)本專利控制方式簡單，控制精度高。 本專利不再要求對轉動慣量大，動平衡差的面陣掃描機構進行勻速控制；而是加 強對轉動慣量小，動平衡好的補償鏡進行控制，使其實現對掃描機構和飛機姿態變化的反 向跟蹤補償。控制方案由大慣量系統勻速控制和小慣量系統勻速控制更改為控制小慣量系 統追蹤大慣量系統運動，在同樣的運動控制算法（經典PID)下，減輕了控制難度，并可以達 到更高的控制精度，獲得更好的像移補償和姿態補償效果。 (2)本專利適用于高幀頻成像。 本專利不要求對大慣量掃描機構進行"啟-停"控制，所有機構均進行緩變控制， 即使在曝光時刻，也保持系統的運動。這種方法減少了掃描機構"運動到停止"和"停止到 運動"的穩定時間，從而實現高幀頻成像。 (3)本專利集成了翼展方向的姿態穩定。 高分辨率機載成像系統均需要配備飛機姿態穩定裝置應用于實際作業中，否則會 造成曝光時刻的像移以及圖像間無法配準問題。本專利技術集成了翼展方向的姿態穩定功能， 可以在補償像移的同時對飛機姿態進行部分補償校正。如果增加俯仰鏡機構可以對飛機飛 行方向姿態進行補償校正，即可將姿態穩定基礎功能嵌入該機載紅外成像系統，使該系統 可以直接具有實際應用功能，有利于節省成本，減少系統尺寸與重量。【附圖說明】 圖1是基于實時視軸跟蹤的像移補償方法的控制示意圖。 圖2是基于實時視軸跟蹤的像移補償方法的側視圖。包括掃描安裝框架3-2、姿態 測量儀4、掃描電機3-1。圖3是圖2中虛線部分的剖面圖。包括含紅外面陣相機1、補償鏡機構2、掃描機 構3及其掃描軸3-3。圖4是系統成像光路圖。包括紅外面陣相機1，補償鏡機構2。【具體實施方式】 下面結合圖2、圖3給出本專利技術的一個較好實例，主要作進一步詳細說明，而非用 來限定本專利的范圍： 將本專利應用于機載紅外面陣成像儀，翼展方向要求實現55°的寬視場成像。選 擇平面玻璃鏡設計旋轉軸與掃描軸3-3同向的補償鏡，旋轉軸上安裝有電機和角度傳感器 組成的補償機構。根據紅外面陣相機1和補償機構2的尺寸設計掃描機構3,包含掃描安裝 框架3-2、掃描電機3-1、掃描軸3-3及其角度傳感器。將紅外面陣相機1和補償機構2固 定在掃描安裝框架3-2上。將掃描機構3的掃描軸3-3與掃描電機3-1安裝在支撐架上， 由掃描電機3-1帶動掃描安裝框架3-2圍繞掃描軸3-3進行轉動；姿態測量儀4安裝固定 在支撐架上。采用控制領域經典的PID三環（位置環、速度環、電流環）控制算法，驅動掃 描電機，在翼展方向進行擺掃控制；驅動補償鏡電機帶動補償鏡，補償曝光時刻的像移。通 過以上方式即可實現在翼展方向進行55°寬視場擺掃成像以及帶翼展方向像移補償與姿 態穩定的機載紅外面陣成像儀。【主權項】1. 一種基于實時視軸跟蹤的像移補償結構，它包括紅外面陣相機（I)、補償鏡機構 (2)、掃描機構（3)、姿態測量儀（4);其特征在于： 所述的補償鏡機構（2)包括補償鏡、補償鏡電機、補償軸、角度傳感器以及固定聯接結 構；掃描機構（3)由掃描安裝框架（3-2)、掃描電機（3-1)、掃描軸（3-3)、角度傳感器以及 固定聯接結構組成；紅外面陣相機（1)和補償鏡機構（2)安裝在掃描安裝框架（3-2)上；掃 描機構⑶的掃描軸（3-3)與掃描電機（3-1)安裝在支撐架上，由掃描電機（3-1)帶動掃 描機構（3)圍繞掃描軸（3-3)進行轉動；姿態測量儀（4)安裝固定在支撐架上。【專利摘要】本專利公開了一種基于實時視軸跟蹤的像移補償結構，結構包括紅外面陣相機、掃描機構、補償鏡機構、姿態測量儀。紅外面陣相機和補本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于實時視軸跟蹤的像移補償結構，它包括紅外面陣相機(1)、補償鏡機構(2)、掃描機構(3)、姿態測量儀(4)；其特征在于：所述的補償鏡機構(2)包括補償鏡、補償鏡電機、補償軸、角度傳感器以及固定聯接結構；掃描機構(3)由掃描安裝框架(3?2)、掃描電機(3?1)、掃描軸(3?3)、角度傳感器以及固定聯接結構組成；紅外面陣相機(1)和補償鏡機構(2)安裝在掃描安裝框架(3?2)上；掃描機構(3)的掃描軸(3?3)與掃描電機(3?1)安裝在支撐架上，由掃描電機(3?1)帶動掃描機構(3)圍繞掃描軸(3?3)進行轉動；姿態測量儀(4)安裝固定在支撐架上。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：韓貴丞，舒嶸，王義坤，亓洪興，周潘偉，劉敏，姚波，
申請(專利權)人：中國科學院上海技術物理研究所，
類型：新型
國別省市：上海;31