專利名稱：全景式航空相機(jī)拍照信號的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
全景式航空相機(jī)拍照信號的控制方法，屬于航空相機(jī)測量與成像技術(shù)領(lǐng)域， 尤其針對全景式航空相機(jī)成像。
背景技術(shù)：
全景式航空相機(jī)采用鏡筒擺掃式的工作方式。相機(jī)在拍照時(shí)，對地面上指
定的一個(gè)條帶區(qū)域成像；回程時(shí)，不成像。航空相機(jī)掃描角越大，地面覆蓋寬 度越寬，拍照周期就越長，相鄰兩條圖像間有可能出現(xiàn)拉縫，導(dǎo)致圖像信息量 的丟失。因此，為了使拍出的圖像連續(xù)無縫，要求相鄰兩次成像的條帶區(qū)域保 持一定的指標(biāo)重疊率。目前，全景式航空相機(jī)是通過拍照信號來控制相機(jī)拍照 和返程時(shí)間，從而保證相機(jī)拍照的指標(biāo)重疊率。拍照信號由位置/速度信號和 攝影脈沖信號組成，這兩個(gè)信號主要是依據(jù)鏡筒的位置信息來判斷的。但是， 由于相機(jī)在拍照過程中受到飛機(jī)橫滾角速度的干擾和飛機(jī)窗口尺寸的限制，依 據(jù)鏡筒位置信息來控制位置/速度信號和攝影脈沖信號很難保證滿足指標(biāo)重疊 率的要求。本文針對上述情況設(shè)計(jì)了一種新的拍照信號的控制方法，該方法滿 足指標(biāo)重疊率的要求。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的
本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種全景式航空相機(jī)拍照信號的控制方法，拍照信號包括位置/速度信號和攝影脈沖信號。該方法能夠保證全景式航空相機(jī)相鄰兩條圖像 間滿足指標(biāo)重疊率的要求。 技術(shù)方案
全景式航空相機(jī)工作方式分為左傾斜擺掃成像和右傾斜擺掃成像，相鄰兩 條圖像重疊的地方稱為重疊率，如圖1所示。在離飛機(jī)最近的地方，重疊率最 ??；離飛機(jī)最遠(yuǎn)的地方，重疊率最大。本發(fā)明設(shè)計(jì)的全景式航空相機(jī)拍照信號 控制方法是保證兩條圖像重疊率最小的地方滿足指標(biāo)重疊率的要求。
相機(jī)橫向掃描角2-公式為
2~,^^ (1) / 77. sin 6
其中p—指標(biāo)重疊率； "一速高比；
鏡筒掃描速度，即鏡筒相對于地面的掃描速度；
時(shí)間比例系數(shù)；
像元長度； ^一相機(jī)掃描角； /一相機(jī)焦距。
相機(jī)控制器系統(tǒng)根據(jù)公式(1)計(jì)算出相機(jī)橫向掃描角2/ ，在考慮目標(biāo)傾斜 角和當(dāng)前飛機(jī)橫滾角的情況下，確定鏡筒掃描初始位置、掃描開始位置和掃描 結(jié)束位置，作為工作參數(shù)發(fā)送給鏡筒系統(tǒng)。傳統(tǒng)的拍照信號就是根據(jù)鏡筒掃描 初始位置、掃描開始位置和掃描結(jié)束位置這三個(gè)位置信息作為判據(jù)，傳統(tǒng)的拍 照時(shí)序圖如圖2所示。
從圖2中可以看出，當(dāng)鏡筒到達(dá)掃描初始位置時(shí)，鏡筒系統(tǒng)發(fā)送位置/速度信號低電平，選擇速度控制回路，鏡筒速度從零加速到恒定的鏡筒掃描速度。 當(dāng)鏡筒以恒定鏡筒掃描速度到達(dá)掃描開始位置時(shí)，鏡筒系統(tǒng)發(fā)送攝影脈沖信號 低電平，相機(jī)開始拍照。當(dāng)鏡筒到達(dá)掃描結(jié)束位置時(shí)，鏡筒系統(tǒng)發(fā)送攝影脈沖 信號高電平和位置/速度信號高電平，相機(jī)拍照結(jié)束，鏡筒由速度控制切換到 位置控制，進(jìn)入返程階段，返回到掃描初始位置，準(zhǔn)備下一次拍照。 (1)橫滾角速度對實(shí)際重疊率影響
相機(jī)控制器系統(tǒng)發(fā)送的鏡筒掃描初始位置、掃描開始位置和掃描結(jié)束位置 其實(shí)是鏡筒相對于慣性系地面目標(biāo)位置而言的。但由于鏡筒系統(tǒng)是采用電位計(jì) 或者編碼器作為位置反饋元件，它反饋的是鏡筒相對于飛機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，而不 是相對于慣性系大地的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。如果在拍照過程中，飛機(jī)的橫滾角速度 "&=0，說明飛機(jī)在拍照期間沒有產(chǎn)生橫滾角，鏡筒相對于地面的轉(zhuǎn)角和鏡筒
相對于飛機(jī)的轉(zhuǎn)角一致，實(shí)際重疊率不發(fā)生改變；如果在拍照過程中飛機(jī)的橫 滾角速度Ag^0，隨著拍照時(shí)間積累會(huì)引起飛機(jī)橫滾角度的變化，造成鏡筒相
對于飛機(jī)的轉(zhuǎn)角和鏡筒相對于地面的轉(zhuǎn)角不一致，因此實(shí)際重疊率發(fā)生變化。 當(dāng)鏡筒掃描速度為^=20°/"飛機(jī)橫滾角速度 2±3°"，指標(biāo)重疊率
p = 10%，
則實(shí)際重疊率/9'和飛機(jī)橫滾角速度 關(guān)系如表1所示。
由表l可以看到，當(dāng)橫滾角速度氣和鏡筒掃描速度反向時(shí)，實(shí)際重疊率p 較指標(biāo)重疊率p增大；當(dāng)橫滾角速度^g和鏡筒掃描速度同向時(shí)，實(shí)際重疊率/9
較指標(biāo)重疊率戶減小，且當(dāng) 22。"時(shí)，實(shí)際重疊率;9、0，出現(xiàn)負(fù)數(shù)，說明圖
像之間沒有重疊，出現(xiàn)拉縫現(xiàn)象，導(dǎo)致圖像信息量的丟失。
上面的分析證明，如果以鏡筒掃描開始位置和掃描結(jié)束位置作為攝影脈沖的判斷依據(jù)，會(huì)對實(shí)際重疊率p帶來影響。由于在拍照過程中，鏡筒掃描速度 ^為恒定值，鏡筒擺掃路程即為相機(jī)橫向掃描角2/ 。當(dāng)速高比;;一定時(shí)，相機(jī) 橫向掃描角2/ 由公式(l)可求，因此，相機(jī)拍照時(shí)間^表達(dá)式為
f拍j ② 吣
其中2-—相機(jī)橫向掃描角；
鏡筒掃描速度，即鏡筒相對于地面的掃描速度。
當(dāng)鏡筒到達(dá)掃描開始位置時(shí)，鏡筒系統(tǒng)發(fā)送攝影脈沖信號低電平，相機(jī)開 始拍照，此時(shí)以拍照時(shí)間^做一個(gè)定時(shí)2，定時(shí)2時(shí)間到鏡筒系統(tǒng)發(fā)送攝影信
號高電平，拍照結(jié)束，鏡筒開始返程，這樣保證了即使在拍照期間飛機(jī)有橫滾 角速度，但實(shí)際重疊率p不受影響。 (2)速高比對實(shí)際重疊率影響
由公式(l)可知，對于全景式航空相機(jī)，相機(jī)的橫向掃描角2^隨著速高比 7的減小而變大。但是考慮到飛機(jī)窗口尺寸要求，相機(jī)橫向掃描角2-限制在一 定范圍內(nèi)，B卩2〃 S 2y9max 。設(shè)速高比//。為相機(jī)橫向掃描角剛等于2lx時(shí)的速高比， 770 = 0.05，速高比范圍為;;e
。根據(jù)設(shè)計(jì)要求指標(biāo)重疊率= 10% ，相機(jī) 實(shí)際重疊率p'和速高比;/關(guān)系如表2所示。
從表2中可以看出，當(dāng)速高比/^/7。 = 0.05時(shí)，相機(jī)實(shí)際重疊率/y等于指標(biāo)
重疊率p40y。；當(dāng)速高比;7<;7。=0.05時(shí)，隨著速高比;;變小，相機(jī)實(shí)際重疊率p 變大。當(dāng)速高比// = 0.01時(shí)，實(shí)際重疊率p'-82。/。。
上面的分析說明，如果仍然以鏡筒返程到鏡筒掃描初始位置作為發(fā)送位置 /速度信號低電平的依據(jù)，當(dāng)速高比;;<;7。的時(shí)候，實(shí)際重疊率^變大。 相機(jī)拍照周期r的表達(dá)式為<formula>formula see original document page 7</formula>
式中/ 一指標(biāo)重疊率； 7—速高比； 像元長度； 0—相機(jī)掃描角； /一相機(jī)焦距。
從公式(3)可知，拍照周期r與速高比;;成反比。當(dāng)速高比77變大時(shí)，拍 照周期r變??；當(dāng)速高比;;變小時(shí)，拍照周期r變大。而且當(dāng)速高比7<;;。時(shí)， 雖然相機(jī)橫向掃描角2^z2^^不變，但是拍照周期r隨之變大。因此，我們根
據(jù)相機(jī)拍照周期r作為位置/速度信號的判斷依據(jù)，改進(jìn)后的相機(jī)拍照時(shí)序圖 如圖3所示。
圖3中，鏡筒系統(tǒng)接到拍照指令后，發(fā)送位置/速度信號低電平，鏡筒由 速度回路控制，并以拍照周期r做一個(gè)定時(shí)l。當(dāng)鏡筒到達(dá)掃描開始位置時(shí)， 發(fā)送攝影脈沖信號低電平，相機(jī)開始拍照，此時(shí)以拍照時(shí)間^做一個(gè)定時(shí)2。 ftt 定時(shí)2時(shí)間到鏡筒系統(tǒng)發(fā)送攝影脈沖信號高電平和位置/速度信號高電平，拍
照結(jié)束，鏡筒由位置回路控制，返回到掃描初始位置。當(dāng)鏡筒到達(dá)掃描初始位
置時(shí)，判斷r的定時(shí)l，若r定時(shí)l時(shí)間到，則鏡筒系統(tǒng)發(fā)送位置/速度信號低 電平，開始新的一次拍照；若r定時(shí)l時(shí)間未到，鏡筒繼續(xù)在掃描初始位置等 待，以上就是全景式航空相機(jī)拍照信號的控制方法。
對于全景式航空相機(jī)，電控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)為相機(jī)控制器系統(tǒng)、鏡筒系統(tǒng)、 反射鏡系統(tǒng)、調(diào)焦系統(tǒng)、調(diào)光系統(tǒng)以及橫滾系統(tǒng)。電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。 首先，相機(jī)控制器系統(tǒng)根據(jù)飛機(jī)當(dāng)前時(shí)刻的速高比、指標(biāo)重疊率、目標(biāo)傾斜角和橫滾角度計(jì)算出鏡筒掃描初始位置、掃描開始位置、掃描結(jié)束位置、拍照時(shí) 間^和拍照周期r，并作為工作參數(shù)發(fā)送給鏡筒系統(tǒng)。其次，鏡筒系統(tǒng)在掃描
初始位置按照圖3的拍照信號控制時(shí)序發(fā)送位置/速度信號和攝影脈沖信號給 反射鏡系統(tǒng)、調(diào)焦系統(tǒng)、調(diào)光系統(tǒng)和橫滾系統(tǒng)。最后，接收到鏡筒系統(tǒng)發(fā)送的 位置/速度信號和攝影脈沖信號后，反射鏡系統(tǒng)進(jìn)行像移補(bǔ)償，調(diào)焦系統(tǒng)進(jìn)行 自動(dòng)調(diào)焦，調(diào)光系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)光，橫滾系統(tǒng)進(jìn)行橫滾補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)在拍照期間 各系統(tǒng)完成功能時(shí)序的一致性，并且保證了相機(jī)滿足指標(biāo)重疊率的要求。
本發(fā)明的有益效果控制全景式航空相機(jī)拍出的圖像連續(xù)無縫，要求相鄰 兩次成像的條帶區(qū)域滿足指標(biāo)重疊率。避免出現(xiàn)拉縫現(xiàn)象，防止圖像信息量的 丟失。通過試驗(yàn)該控制方法穩(wěn)定可靠，保證了相機(jī)滿足指標(biāo)重疊率的要求。


圖l、圖像條帶重疊率示意圖。
圖2、傳統(tǒng)方式相機(jī)拍照信號控制方法時(shí)序圖。 圖3、本發(fā)明相機(jī)拍照信號控制方法時(shí)序圖。 圖4、全景式航空相機(jī)電控結(jié)構(gòu)原理圖。 具體實(shí)施方法
1、相機(jī)控制器系統(tǒng)選用美國德州儀器公司(TI)最新數(shù)字信號處 (TMS320F2812)作為主控制器，它具有高速運(yùn)算能力，其特點(diǎn)為50腿z工作 頻率、32位數(shù)據(jù)線、18kRAM、 128kFLASH、 16通道P麗、3個(gè)定時(shí)器、2個(gè)全 雙工SCI串口 。相機(jī)控制器系統(tǒng)與鏡筒系統(tǒng)之間通過RS-422串口交換數(shù)據(jù)， 選用DS26C31和DS26C32作為RS-422串行通訊接口芯片。
2、相機(jī)控制器系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前相機(jī)速高比、指標(biāo)重疊率按照公式(l)計(jì)算出相機(jī)橫向掃描角2/ ，再根據(jù)目標(biāo)傾斜角和飛機(jī)橫滾角確定鏡筒掃描初始位
置、掃描開始位置和掃描結(jié)束位置，鏡筒拍照時(shí)間^和鏡筒拍照周期r。相
機(jī)控制器系統(tǒng)將這五個(gè)工作參數(shù)通過串口實(shí)時(shí)發(fā)送給鏡筒系統(tǒng)。
3、 鏡筒系統(tǒng)同樣選用美國德州儀器公司(TI)的TMS320F2812作為主控
制器。選用DS26C31和DS26C32作為RS-422串行通訊接口芯片，與相機(jī)控制
器系統(tǒng)進(jìn)行串口通訊。鏡筒系統(tǒng)收到相機(jī)控制器系統(tǒng)發(fā)送的工作參數(shù)后，采 用Tl和T2兩個(gè)定時(shí)器給鏡筒拍照周期r和鏡筒拍照時(shí)間^定時(shí)。采用兩個(gè)
I/O 口發(fā)送位置/速度信號和攝影脈沖信號。
4、 反射鏡系統(tǒng)、調(diào)焦系統(tǒng)、調(diào)光系統(tǒng)和橫滾系統(tǒng)分別選用美國德州儀器 公司(TI)的TMS320F2812作為主控制器，同樣分別采用兩個(gè)I/O 口接收由 鏡筒系統(tǒng)發(fā)送的位置/速度信號和攝影脈沖信號。
5、接收到鏡筒系統(tǒng)發(fā)送的位置/速度信號和攝影脈沖信號后，反射鏡系統(tǒng) 進(jìn)行像移補(bǔ)償，調(diào)焦系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦，調(diào)光系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)光，橫滾系統(tǒng) 進(jìn)行橫滾補(bǔ)償。拍照期間各系統(tǒng)完成功能時(shí)序的一致性，并且保證了相機(jī)滿 足指標(biāo)重疊率的要求。
權(quán)利要求
1、全景式航空相機(jī)拍照信號的控制方法，其特征在于具體控制方法是1)相機(jī)控制器系統(tǒng)根據(jù)飛機(jī)當(dāng)前時(shí)刻的速高比、指標(biāo)重疊率、目標(biāo)傾斜角和橫滾角度計(jì)算出鏡筒掃描初始位置、掃描開始位置、掃描結(jié)束位置、拍照時(shí)間t拍和拍照周期T，這五個(gè)工作參數(shù)通過串口實(shí)時(shí)發(fā)送給鏡筒系統(tǒng)；2)鏡筒系統(tǒng)接到拍照指令后，在掃描初始位置發(fā)送位置/速度信號低電平，鏡筒由速度回路控制，并以拍照周期T做一個(gè)定時(shí)1；3)當(dāng)鏡筒到達(dá)掃描開始位置時(shí)，鏡筒系統(tǒng)發(fā)送攝影脈沖信號低電平，相機(jī)開始拍照，此時(shí)以拍照時(shí)間t拍做一個(gè)定時(shí)2；4)t拍定時(shí)2時(shí)間到鏡筒系統(tǒng)發(fā)送攝影脈沖信號高電平和位置/速度信號高電平，拍照結(jié)束，鏡筒由位置回路控制，返回到掃描初始位置；5)當(dāng)鏡筒到達(dá)掃描初始位置時(shí)，判斷T的定時(shí)1，若T定時(shí)1時(shí)間到，則鏡筒系統(tǒng)發(fā)送位置/速度信號低電平，開始新的一次拍照；若T定時(shí)1時(shí)間未到，鏡筒繼續(xù)在掃描初始位置等待，以上就是全景式航空相機(jī)拍照信號的控制方法。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全景式航空相機(jī)拍照信號的控制方法，其特征 在于采用Tl和T2兩個(gè)定時(shí)器給鏡筒拍照周期r和鏡筒拍照時(shí)間^定時(shí)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全景式航空相機(jī)拍照信號的控制方法，其特征 在于采用兩個(gè)I/O 口發(fā)送并接收位置/速度信號和攝影脈沖信號。
全文摘要
全景式航空相機(jī)拍照信號的控制方法，屬于航空相機(jī)測量與成像技術(shù)控制領(lǐng)域。相機(jī)控制器系統(tǒng)根據(jù)飛機(jī)當(dāng)前時(shí)刻的速高比、指標(biāo)重疊率、目標(biāo)傾斜角和橫滾角度計(jì)算出鏡筒掃描初始位置、掃描開始位置、掃描結(jié)束位置、拍照時(shí)間t_拍和拍照周期T，并作為工作參數(shù)發(fā)送給鏡筒系統(tǒng)。鏡筒系統(tǒng)在掃描初始位置按照拍照信號控制時(shí)序發(fā)送位置/速度信號和攝影脈沖信號。最后，接收到鏡筒系統(tǒng)發(fā)送的位置/速度信號和攝影脈沖信號后，反射鏡系統(tǒng)進(jìn)行像移補(bǔ)償，調(diào)焦系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦，調(diào)光系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)光，橫滾系統(tǒng)進(jìn)行橫滾補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)在拍照期間各系統(tǒng)完成功能時(shí)序的一致性，并且保證了相機(jī)滿足指標(biāo)重疊率的要求。
文檔編號H04N5/238GK101635798SQ20091006748
公開日2010年1月27日 申請日期2009年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月2日
發(fā)明者劉志明, 匡海鵬, 張雪菲, 王德江, 陳志超 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所