航空相機縱向像移補償性能檢測

李英杰++李開端

摘要：

像移補償機構是航空相機的關鍵組件。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故障檢測的新方法。經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，可以實現工作狀態下對航空相機的便捷隨檢。

關鍵詞：

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、橫滾和偏流等姿態運動，這種造成圖像像點運動模糊的現象稱為像移。為消除像移，相機系統有各種像移補償措施，如旋轉雙光楔補償、移動焦面補償、擺動反光鏡補償、TDICCD電子補償、穩定平臺等。相機像移補償機構的性能嚴重影響成像質量，因此在設計、驗收和使用的各個階段對這類機構性能的檢測尤為重要。目前的檢測方法多應用在研制設計、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靶標方案對機載光電穩定平臺的靜態、動態參數進行測試。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性能檢測的新方法。

3縱向像移補償機構性能檢測分析

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下的像移量。

相機縱向像移補償機構的性能要求像移補償殘差ΔS應滿足不大于1/3像元的要求。像移殘差過大將造成成像質量下降。表2中的數據給出了不同飛行狀態下的像移量情況，綜合分析表2中數據，可以看出像移補償殘差能準確反映反射鏡像移補償機構的工作情況。下面從反饋通道、姿態角速度陀螺、余弦電位計、速高比DA轉換、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故障，如反射鏡速度陀螺故障，引起控制系統的負反饋信號缺失，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，補償的穩定性很差，造成多幀圖像對比分析時像移殘差的一致性很差。因此根據此類特點，可以判定速度反饋通道故障。

（2） 姿態角速度陀螺

姿態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據，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，根據表2第5行數據分析可知，姿態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提供（v/H）·cosα的補償信號。當余弦電位計故障時，會出現給定的速高比補償數據固定不變的問題，表現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，如果出現縱向像移殘差不同的現象，可以判定余弦電位計故障。另外根據像移殘差數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斷路引起。

（4） v/H信號DA轉換

相機反射鏡補償控制器輸出v/H數字信號，經DA轉換后做為余弦電位計供電電壓，從而產生包含掃描角信息的v/H補償控制信號。當DA轉換模塊故障時，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的前向控制通道包括直流電機、PWM功率放大環節、以及超前滯后校正控制環節等組成，與補償速度給定環節（v/H、θ′、ψ′信號）以及反饋通道一起構成縱向像移補償的速度閉環控制系統。如果前向控制通道性能出現問題，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。

4實驗分析

當縱向像移補償機構不正常時，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

糊估計技術可以檢測到像移殘差的大小，從而實現對相機補償機構性能參數、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，對應的掃描角分別為0°、20°、35°，通過相機工作條件數據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中姿態速度陀螺出現故障。

5結語

像移是影響航空相機成像的重要因素，像移補償機構是航空相機工作的關鍵組件，在設備使用中是定期檢修的重要部分。縱向像移補償機構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性能的新方法，避免了常規檢測時對檢測儀器的依賴和設備拆解等繁瑣操作，實現了在工作狀態下的隨檢，具有好的推廣應用價值。

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（編輯：張磊）