無人機(jī)載多光譜相機(jī)設(shè)計(jì)＊

李江南

（陸軍軍官學(xué)院 合肥 230031）

1 引言

研究本文的目的在于分析了無人機(jī)成本低、效率高、執(zhí)行任務(wù)多樣等特點(diǎn)。結(jié)合多光譜照相技術(shù)對特定目標(biāo)偵察、識別的能力，將二者技術(shù)特點(diǎn)整合為一種適用于未來戰(zhàn)場情報獲取領(lǐng)域的重要手段之一，為無人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域方面提供新方法和新思路。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

我國上世紀(jì)90年代在航空遙感技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，它主要表現(xiàn)在機(jī)載傳感器的研制方面如國家863計(jì)劃308主題陸續(xù)推出先進(jìn)機(jī)載對地觀測系統(tǒng)（AEOS），AEOS包括五個先進(jìn)傳感器：實(shí)用型模塊化成像光譜儀（OMIS）；寬視場面陣CCD超光譜成像儀；高分辨率CCD面陣數(shù)字機(jī)載相機(jī)；三維成像儀和L－SAR實(shí)用系統(tǒng)。其中有兩個傳感器與機(jī)載航測有關(guān)。

目前，無人機(jī)載多光譜技術(shù)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用呈現(xiàn)出了全面發(fā)展的趨勢，主要體現(xiàn)在兩個方面：一是從事相關(guān)技術(shù)研究和系統(tǒng)研制的單位越來越多。最早從事無人機(jī)研究的只有南航、北航、西北工業(yè)大學(xué)等幾家單位，而目前具有一定規(guī)模的無人機(jī)系統(tǒng)研制單位就有20多家，從事無人機(jī)相關(guān)技術(shù)和部分設(shè)備研制的單位則接近100家，民用無人機(jī)受重視程度可見一斑；二是無人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。目前無人機(jī)載多光譜技術(shù)已廣泛應(yīng)用于資源勘探、森林消防、森林普查、水源檢測、電力巡線、航拍航攝、災(zāi)害評估、人員搜救等各個領(lǐng)域，經(jīng)過多次實(shí)踐檢驗(yàn)，其應(yīng)用效果受到廣泛贊譽(yù)［1］。

3 無人機(jī)載多光譜相機(jī)設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)載多光譜相機(jī)的基本參數(shù)

針對不同的任務(wù)，要調(diào)整不同的任務(wù)設(shè)備參數(shù)，比如鏡頭焦距、像元的大小、航空高度、空間分辨率、快門的速度、視場角、濾光片等，各個參數(shù)之間是互相關(guān)聯(lián)的，調(diào)整這些參數(shù)時就必須從整體進(jìn)行考慮［2］。

假定使用的是面陣傳感器，尺寸x×y，像元數(shù)m×n，像元形狀為正方形，尺寸為r×r，則它們之間的關(guān)系為

設(shè)鏡頭焦距為f，在兩個方向上的視場角（FOV）分別為?和β，則：

設(shè)航空高度為h，在理想的情況下，面陣傳感器與地面平行，對應(yīng)的地面覆蓋為邊長p×q的長方形，則；

對于面陣成像方式，每個像元對應(yīng)的IFOV都互相不相等，但在面陣傳感器與地面平行時，每個像元的大小相等，所以每個像元對應(yīng)的地面分別率都等于s。飛機(jī)作業(yè)中照相機(jī)快門的速度選定以后，在曝光期間圖像將出現(xiàn)拖影，景象移動按下述公式計(jì)算：

舉例計(jì)算，若f＝35mm，v＝50m／s，h＝1000m，t＝1／1000s，則b＝1.75μm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一般的CCD像元的大小。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)影像拖影小于1／2像元大小時，可不必進(jìn)行前向運(yùn)動補(bǔ)償。目前的CCD傳感器一般靈敏度較高，電子快門速度可以非常高，影響拖影可以忽略，當(dāng)時在使用濾光片時，外部光能衰減很大，一定要注意既要保證充分的曝光，又要保證快門速度，把運(yùn)動模糊控制在1／2像元以內(nèi)。對于某個特定的無人機(jī)載多光譜照相系統(tǒng)而言，有些參數(shù)是不可以調(diào)整的，如CCD傳感器已經(jīng)確定：對某次任務(wù)飛行而言，已經(jīng)設(shè)定飛機(jī)的航空高度和航空速度，這時，需要通過調(diào)整相機(jī)的鏡頭焦距來控制視場角和地面分辨率。增大視場角和提高地面分辨率是相互矛盾的，我們一方面去增大視場角來增加地面覆蓋度，提高飛行任務(wù)效率，一方面又想提高地面分辨率，而它們的關(guān)系為

從式（5）看到，提高分辨率則s變小，兩個方向的視場角?和β也隨著變小，視場角和分辨率不能同時兼顧，所以在制定飛行計(jì)劃時，要對視場角和分辨率作出科學(xué)合理的折中處理。另外，需要注意到就是光圈值，相對孔徑是指鏡頭有效口徑D與f之比，即A＝D／f。鏡頭的相對孔徑可以通過鏡頭光圈進(jìn)行調(diào)整。一般的，在飛行作業(yè)時，盡量把光圈調(diào)小，這樣做有兩方面的優(yōu)點(diǎn)：一方面是增加了景深，縮小像差，提高圖像質(zhì)量；另一方面可以減少“漸暈”，“漸暈”是光學(xué)系統(tǒng)特有的現(xiàn)象。在圖像上表現(xiàn)為圖像亮度從圖像中心區(qū)域到圖像邊緣逐漸降低。理想無像差光學(xué)鏡頭的分辨率定義：

對于CCD照相機(jī)來說，光學(xué)鏡頭的分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于CCD采樣分辨率，所以只要鏡頭的相對孔徑不小于1／20，減小光圈不會影響成像質(zhì)量。光學(xué)鏡頭的光圈和照相機(jī)的快門速度是互相矛盾的，光圈縮小可以提高圖像質(zhì)量并減少漸暈，同時減少了入射光的量，要增加曝光的時間，降低快門速度來保證充分曝光，增加曝光時間可能會引起運(yùn)動模糊。所以需要在應(yīng)用中控制光圈和快門速度的關(guān)系［3］。

3.2 基于大面陣COMS像面分割技術(shù)的雙光譜相機(jī)研制

本文基于大面陣COMS像面分割技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合無人機(jī)載荷方面的要求，采用模塊化思想，提出一種多光譜、成像分辨率高、小型無人機(jī)成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，從微體積、微功耗、微噪聲設(shè)計(jì)角度，實(shí)現(xiàn)雙光譜成像系統(tǒng)的無人機(jī)載小型化設(shè)計(jì)，總體方案如圖1所示。

圖1 雙光譜相機(jī)方案

系統(tǒng)以按照其內(nèi)在功能劃分為多譜段鏡頭模塊、面陣CMOS模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、姿態(tài)位置傳感模塊、數(shù)據(jù)存儲／傳輸模塊、指令控制和系統(tǒng)供電模塊等七大部分。無人機(jī)多光譜成像系統(tǒng)基本功能有：

1）可以根據(jù)目標(biāo)特征匹配置相應(yīng)譜段的濾光片，濾光片波段范圍覆蓋400～1050nm，可滿足部分紫外、可見光波段、近紅外波段成像需求，也可以配置0°、45°、90°偏振濾光片，提供目標(biāo)多維信息；

2）三軸姿態(tài)，三維位置數(shù)據(jù)的同步采集、處理與記錄；

3）大容量的圖像數(shù)據(jù)的存儲／傳輸；

4）外部控制指令輸入與識別；

5）抗震及故障隔離與恢復(fù)。

CMOS的畫面分割技術(shù)就是將一個CMOS像面分成多個接收單元來使用，這樣可以利用一個CMOS實(shí)現(xiàn)對多波段同步的測量。為解決多光譜成像系統(tǒng)同步獲取多光譜圖像這個問題，課題擬引入COMS像面分割技術(shù)。如圖1所示，利用一片大尺寸CMOS成像芯片作為成像傳感器，在成像傳感器敏感面上劃分為左右兩個部分，用兩套相同成像系統(tǒng)經(jīng)配準(zhǔn)后同時對同一目標(biāo)場景成像，每套成像系統(tǒng)含有一片對應(yīng)所需探測波段的特定濾光片，對目標(biāo)進(jìn)行觀測成像時，目標(biāo)光線分別來到各自的相應(yīng)帶通濾光片，通過濾光片后，進(jìn)入兩個獨(dú)立的光路通道，將目標(biāo)圖像傳遞到并同時成像在一片成像傳感器上，同時曝光，從而實(shí)現(xiàn)同一觀測場景在不同譜段上的單片CMOS多光譜同步成像。觀測目標(biāo)的成像譜段取決于前端的帶通濾光片的透射波段。只有濾光片透過波段的光能量才能透過濾光片，并經(jīng)由后端傳輸成像到各相應(yīng)的成像傳感器分割區(qū)域［4］。

圖2 多光譜相機(jī)示意圖

圖3 雙光譜鏡頭3D示意圖

圖4 像面分割示意圖

本文采用的畫面分割多光譜成像技術(shù)基于一塊大面陣CMOS進(jìn)行的，該CMOS的像元數(shù)為5184（H）×3456（V），有效像素約為1800萬，像元尺寸為22.3×14.9mm，最大幀率為25幀／秒。經(jīng)畫面分割后單通道畫面像元約為2592（H）×3456（V），仍足以滿足無人機(jī)遙感光譜成像提供高質(zhì)量圖片。畫面風(fēng)格技術(shù)雖然損失了單幅像面的分辨率，但經(jīng)分割處理后的像面包含兩個個譜段的特定光圈圖像，對比分明，且成像同步，消除了一般光譜成像儀無法真正同步的缺點(diǎn)，圖像畸變較小，方便后期的多光譜圖像融合處理［6］。

本文選擇用雙高斯鏡頭的結(jié)構(gòu)形式來設(shè)計(jì)光譜儀單個通道鏡頭。初始結(jié)構(gòu)參數(shù)一般可參考國內(nèi)外技術(shù)條件相同或接近的結(jié)構(gòu)參數(shù)，縮放到我們所要求的值［8］。用初級象差理論確定它的初始結(jié)構(gòu)。再考慮高級象差，解初始結(jié)構(gòu)參數(shù)方法。雙高斯鏡頭是一種對稱型結(jié)構(gòu)，只需要考慮校正半部系統(tǒng)的球差、象散、場曲、位置色差這四類軸向象差，全對稱合成后，其垂軸象差自動取消，單通道物鏡鏡頭光路如圖5所示。

圖5 單通道物鏡鏡頭光路圖

圖6 相機(jī)物鏡鏡頭的MTF傳遞函數(shù)圖

軸代表空間波數(shù)（單位是線／mm），縱軸代表調(diào)制傳遞函數(shù)。從設(shè)計(jì)結(jié)果來看，在波數(shù)20l.／mm以內(nèi)，曲線值達(dá)到0.2以上即可滿足要求。

3.3 光譜相機(jī)機(jī)身改造

基于無人機(jī)遙感平臺的多光譜成像工作原理是基于不同地面目標(biāo)反射光譜隨波長變化規(guī)律來實(shí)現(xiàn)的，濾光片的選擇是依據(jù)目標(biāo)反射光譜特征來確定的。由于CCD／CMOS成像芯片能感應(yīng)包括可見光，紫外和近紅外波段以內(nèi)的光線，只不過各個波長的光線敏感的程度不同，圖7是某型COMS成像芯片的感光曲線［9］。

由圖7可以看出，成像芯片感光波段范圍涵蓋400～1000nm之間紫外一部分、可見光全波段和近紅外一部分。波長小于350nm紫外線、大于1000nm以上的紅外線成像芯片敏感度低，曝光時間很長，基本已經(jīng)失去應(yīng)用意義。因此地物反射波段范圍可以確定在400～1000nm之間，濾光鏡分別安裝于光譜儀鏡頭前部，方便更換，具體波段范圍可根據(jù)成像對象特征確定。

圖7 成像芯片的感光曲線

普通攝影確為避免紫外、紅外線的干擾，需要盡可能多的隔離紫外、紅外線，普通民用相機(jī)在CCD／CMOS之前安裝了紅外截止／低通濾鏡復(fù)合鏡片，紅外截止鏡片。

圖8 普通相機(jī)光學(xué)結(jié)構(gòu)圖

式中，v為航速；t為快門時間；f為相機(jī)焦距；h為飛行高度。

無人機(jī)載光譜相機(jī)對圖像質(zhì)量要求較高，因此必須減少拖影對圖像的影響，要求拖影小于0.5像元。設(shè)定無人機(jī)速度33m／s，高度500m，相機(jī)焦距約50mm，可以計(jì)算出相機(jī)的曝光時間為1／733s，所以我們選用相機(jī)的最高快門應(yīng)在1／1000s以上。

相機(jī)最終確定使用佳能EOS 550D單反數(shù)碼照相機(jī)，這是專業(yè)攝影相機(jī)中性價比較高的一款設(shè)備，采用一塊1800萬像素的CMOS作為感光元件，整機(jī)具有像素高、重量輕、尺寸小的特點(diǎn)，比較適合安裝在狹窄的無人飛機(jī)機(jī)艙內(nèi)。支持高清視頻輸出，佳能550D還具有高速存儲功能，

多光譜相機(jī)須有較寬的波譜范圍，必須將CCD／CMOS前的紅外截止鏡片和低通濾片移除。方法是去除相機(jī)里CCD／CMOS前的低通濾鏡和紅外截止濾鏡，另用一枚口徑合適的全透鏡替換安裝在相機(jī)鏡頭前，最后還必須對相機(jī)焦距進(jìn)行專業(yè)調(diào)校，避免改裝對相機(jī)成像產(chǎn)生影響。通過改裝后的相機(jī)，波譜范圍涵蓋350～1050nm，完全可滿足本課題中對松樹部分紫外、可見光全波段、近紅外波段成像需求［10］。

目前市場上使用中高端相機(jī)機(jī)身種類繁多。為了尋求適合無人機(jī)遙感的相機(jī)機(jī)身，先分析曝光時間是否符合航攝的要求。無人機(jī)遙感作業(yè)中相機(jī)快門速度選定后，在曝光期間內(nèi)由于飛機(jī)的運(yùn)動，圖像可能出現(xiàn)拖影現(xiàn)象，影像移動量b按下面公式計(jì)算：可以快速儲存圖像并進(jìn)行第二次拍照，內(nèi)存最大可支持32GSDHC，完全滿足遙感應(yīng)用需求。

雙光譜相機(jī)實(shí)物如圖9。

軍工科研單位固定資產(chǎn)投資不是獨(dú)立存在的，是單位中長期發(fā)展規(guī)劃不可分割的有機(jī)組成［4］，對軍工科研單位的科研事業(yè)發(fā)展至關(guān)重要。因此，只有不斷地加大管理力度，提升管理水平，才能保證固定投資項(xiàng)目的建設(shè)目標(biāo)和預(yù)期效果的實(shí)現(xiàn)，提高項(xiàng)目投資的經(jīng)濟(jì)和社會效益，為科研任務(wù)的順利開展提供有力的支持。

圖9 雙光譜相機(jī)實(shí)物圖

3.4 遙感數(shù)據(jù)同步獲取

無人機(jī)多光譜遙感拍攝時，不但要求多光譜同步成像，還要求同步獲取成像時的各種云臺數(shù)據(jù)，包括三軸姿態(tài)、三維位置、速度等，為后期圖像的校正、融合、拼接提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通常這些數(shù)據(jù)由無人機(jī)飛控計(jì)算機(jī)遙測數(shù)據(jù)間接提供，由于傳感器安裝角度和連接方式的不同，飛控計(jì)算機(jī)給出的多光譜成像儀曝光時的位置與姿態(tài)等數(shù)據(jù)并不十分準(zhǔn)確，極大影響通過在多光譜成像儀上設(shè)置姿態(tài)、位置傳感器。

本文通過在多光譜成像儀上設(shè)置姿態(tài)、位置傳感器，利用ARM為核心控制處理器，在控制成像儀曝光同時，同步記錄其姿態(tài)、位置等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)圖像和數(shù)據(jù)的嚴(yán)格對應(yīng)，為后期的圖像拼接處理提供同步數(shù)據(jù)［9］。

系統(tǒng)功能：

1）用遙控接收機(jī)一個通道連接接收機(jī)，自動識別接收機(jī)遙感拍攝信號。

2）用一個開光通道連接自動駕駛儀，利用地面站通過自動駕駛儀控制航拍，距離更遠(yuǎn)。

3）用無線數(shù)傳電臺串口直接發(fā)送航拍控制信號給控制器，控制內(nèi)容包括拍攝指令、時間間隔等，控制器可利用串口自動向地面送航拍數(shù)據(jù)。

4）定控制遙感光譜相機(jī)接進(jìn)行拍攝；根據(jù)具體飛行速度和高度設(shè)定拍攝時間間隔：預(yù)設(shè)8個，分別是1／3、1／2、3／4、1、1.5、2、2.5、3s。

5）器通過快門連接線和遙感光譜相機(jī)相接相連。

7）數(shù)據(jù)可利用板載存儲模塊SD卡存儲，也可利用串口直接傳輸?shù)降孛嬲尽?/p>

8）控制器姿態(tài)傳感器反饋數(shù)據(jù)控制遙感云臺、使遙感光譜相機(jī)始終處于正射狀態(tài)，為遙感應(yīng)用提供高質(zhì)量航拍和航測數(shù)據(jù)，方便后期數(shù)據(jù)處理。

3.5 無人機(jī)載小型化與電磁兼容性設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用單一大尺寸面陣COMS為圖像獲取傳感器和ARM為數(shù)據(jù)處理芯片，克服了傳統(tǒng)多光譜成像設(shè)備體積大、功耗高等缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了多光譜成像設(shè)備的機(jī)載小型化設(shè)計(jì)，同時設(shè)計(jì)中選擇功耗相對較低的元器件，降低系統(tǒng)電壓和工作頻率，軟件設(shè)計(jì)時，運(yùn)用事件中斷驅(qū)動方式，系統(tǒng)初始化以后進(jìn)入低功耗狀態(tài)，直到由外部中斷信號觸發(fā)才結(jié)束節(jié)電狀態(tài)，開始處理中斷事件，任務(wù)結(jié)束后再次進(jìn)入休眠，算法上使用宏定義對子程序的調(diào)用進(jìn)行替代，能更大限度地降低功耗［12］。

無人機(jī)機(jī)載電氣設(shè)備繁多，電磁兼容性必須在設(shè)計(jì)時加以考慮，系統(tǒng)在硬件上注重電磁兼容性設(shè)計(jì)：

1）能模塊分艙屏蔽、隔離。

2）輸入端加濾波、瞬態(tài)抑制網(wǎng)絡(luò)。

3）視頻接口采取屏蔽措施，視頻傳輸采用三同軸電纜。

4）離散量、開關(guān)量信號采用光電隔離措施。

5）電路二次穩(wěn)壓。

軟件上采用軟件濾波、加密傳輸、程序溢出管理、數(shù)據(jù)記錄存儲等方法保證程序可靠執(zhí)行。

4 結(jié)語

該多光譜相機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)果表明，其功能滿足無人機(jī)偵察要求，且具有維護(hù)簡便的特點(diǎn)，可方便實(shí)施偵察且對目標(biāo)偵查效果優(yōu)勢等特點(diǎn)，為無人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域方面提供新方法和新思路。

［1］趙凱華，鐘錫華.光學(xué)［M］.北京：北京大學(xué)出版社，1982，11：71－74.

［2］邢帥，譚兵，李建勝，等.基于小面元的多源遙感影像高精度配準(zhǔn)方法［J］.測繪學(xué)院學(xué)報，2003，（2）.

［3］孔淵，崔洪洲，周起勃.多光譜圖像配準(zhǔn)實(shí)時處理技術(shù)研究［J］.紅外技術(shù).2004，26（4）：41－44.

［4］顧聚興.多光譜光學(xué)監(jiān)視系統(tǒng)［J］.紅外，2002，（06）.

［5］黃云仙，李祥，艾未華.多光譜圖像的無損壓縮方法［J］.計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2010，（04）.

［6］敦力民，董明.一種新的遙感圖像無損壓縮算法［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2005，（S1）.

［7］楊麗萍，陳發(fā)虎，頡耀文.國內(nèi)多源遙感影像信息融合技術(shù)的新進(jìn)展 ［J］.遙感技術(shù)與應(yīng)用，2007，22（1）：116－122.

［8］Heeung Kwon Nasrabadi N.MHyperspectral anomaly detection using kernel RX－algorith socity International Symposium Piscataway，XJ，USA，IEEE.2008，4953.

［9］鄭玉泉.成像光譜儀分光技術(shù)概述［J］.遙感學(xué)報，2002，6（1）：75－80.

［10］田國良.熱紅外遙感［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

［11］浦瑞良.高光譜遙感及應(yīng)用［M］.北京：高等教育出版社，2000：48－52.

［12］許紹祖.大氣物理學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京：氣象出版社，1993：212－278.

［13］張黎寧，沈麗容，周宇.小波變換在SPOT5全色與多光譜圖像融合中的應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2009（12）.

［14］王向軍，文鵬程，張昭才，等.像面分割多光譜光學(xué)通道共像面成像技術(shù)［J］.中國專利，200810052148，4，2008.