航空相机纵向像移补偿性能检测

李英杰++李开端

摘要：

像移补偿机构是航空相机的关键组件。通过建立航空相机纵向像移量、像移速度模型，分析研究纵向像移补偿机构对像移补偿残差的影响特征，提出了运用像移补偿残差做为纵向像移补偿机构故障检测的新方法。经过对实际图像像移残差的实验分析，验证了该方法的有效性，可以实现工作状态下对航空相机的便捷随检。

关键词：

航空相机； 像移补偿； 像移残差

中图分类号： V 556文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.05.002

引言

航空相机在成像过程中，会受到各种外部环境的影响，如：温度、气压、载机平台运动、气流扰动等，这些因素严重影响相机动态分辨率的提高。特别是由于飞行运动、俯仰、横滚和偏流等姿态运动，这种造成图像像点运动模糊的现象称为像移。为消除像移，相机系统有各种像移补偿措施，如旋转双光楔补偿、移动焦面补偿、摆动反光镜补偿、TDICCD电子补偿、稳定平台等。相机像移补偿机构的性能严重影响成像质量，因此在设计、验收和使用的各个阶段对这类机构性能的检测尤为重要。目前的检测方法多应用在研制设计、验收阶段，在实验室采用特定仪器或靶标进行测试。如王智儒等研究设计了航空相机像移补偿板的检测仪器；李岷等提出了一种动态靶标方案对机载光电稳定平台的静态、动态参数进行测试。本文通过对成像图像中像移残差的分析，提出利用像移残差估计做为相机纵向像移补偿机构性能检测的新方法。

3纵向像移补偿机构性能检测分析

由纵向像移速度公式（7）可以看出，像移速度由三项叠加组成，第一项为速高比影响，所占比重较大，

第二、三项分别为俯仰角速度、偏流角速度引起的纵向像移，各项像移速度的方向分别与飞行方向、角速度方向相同。表2给出了几种飞行状态下的像移量。

相机纵向像移补偿机构的性能要求像移补偿残差ΔS应满足不大于1/3像元的要求。像移残差过大将造成成像质量下降。表2中的数据给出了不同飞行状态下的像移量情况，综合分析表2中数据，可以看出像移补偿残差能准确反映反射镜像移补偿机构的工作情况。下面从反馈通道、姿态角速度陀螺、余弦电位计、速高比DA转换、前向控制通道5种情况进行分析。

（1） 反馈通道

当补偿电机负反馈通道出现故障，如反射镜速度陀螺故障，引起控制系统的负反馈信号缺失，造成较大的过度补偿，使得剩余像移量较大，且像移方向与原有像移方向相反，一般情况下与飞行方向相反。同时由于受到扰动的影响，补偿的稳定性很差，造成多帧图像对比分析时像移残差的一致性很差。因此根据此类特点，可以判定速度反馈通道故障。

（2） 姿态角速度陀螺

姿态角速度陀螺是感测载机平台的俯仰角速度、偏流角速度以及扫描角速度数据，消除俯仰角速度、偏流角速度引起的纵向像移。对不同扫描角的多帧图像对比，一般随着扫描角增加纵向像移量减小。但当载机平台的偏流角速度ψ′较大时，根据表2第5行数据分析可知，姿态角速度引起的纵向像移量随着扫描角增加而增加。因此当缺少姿态角速度陀螺信号时，像移残差大小取决于θ′、ψ′造成的像移量，当偏流角速度ψ′较大时，具有纵向像移量随着扫描角增大的特点。

（3） 余弦电位计

相机摆扫成像时，余弦电位计随动旋转提供（v/H）·cosα的补偿信号。当余弦电位计故障时，会出现给定的速高比补偿数据固定不变的问题，表现为不同扫描角下的图像像移残差不同。因此通过分析同次照相的不同帧图像，如果出现纵向像移残差不同的现象，可以判定余弦电位计故障。另外根据像移残差数值大小还可进一步分析，若残差过大且接近v/H引起的纵向像移量，这是由于电位计上端引入v/H的电压信号断路引起；若扫描角为0°时残差很小，而大扫描角的帧图像像移残差略大，是由于电位计下接地端出现断路引起。

（4） v/H信号DA转换

相机反射镜补偿控制器输出v/H数字信号，经DA转换后做为余弦电位计供电电压，从而产生包含扫描角信息的v/H补偿控制信号。当DA转换模块故障时，使得反射镜补偿控制不能随飞行速度、高度的变化准确补偿，反映在成像图像中，会出现较大的图像纵向补偿残差，且残差值不随v/H条件改变而改变。

（5） 前向控制通道

反射镜补偿控制系统的前向控制通道包括直流电机、PWM功率放大环节、以及超前滞后校正控制环节等组成，与补偿速度给定环节（v/H、θ′、ψ′信号）以及反馈通道一起构成纵向像移补偿的速度闭环控制系统。如果前向控制通道性能出现问题，使得反射镜补偿角速度不能准确反映补偿速度的给定值，出现图像的像移残差超标。因此，当载机平台在不同v/H、俯仰角速度θ′及偏流角速度ψ′时，都会出现较大的像移残差问题，可以作为前向控制通道性能故障的判断依据。

4实验分析

当纵向像移补偿机构不正常时，航空成像时的像移补偿残差会造成图像运动模糊，运用图像运动模

糊估计技术可以检测到像移残差的大小，从而实现对相机补偿机构性能参数、故障点的确定。图4中（a）、（b）、（c）的三帧图像为某次航空摄影中同次摆扫成像所得，对应的扫描角分别为0°、20°、35°，通过相机工作条件数据可以理论分析出三帧图像的理论纵向像移量（见表3）。对图4中三帧图像在频域内进行Radon变换[89]，求得沿运动模糊方向上的Radon变换曲线，分别为图4中的（d）、（e）、（f）所示，可以计算出三帧图像的像移残差分别为74.1 μm、97.5 μm、118.3 μm。检测值与像移量理论值的θ′、ψ′合计项相近，且随扫描角增加而增加，因此可以判断相机的纵向像移补偿机构中姿态速度陀螺出现故障。

5结语

像移是影响航空相机成像的重要因素，像移补偿机构是航空相机工作的关键组件，在设备使用中是定期检修的重要部分。纵向像移补偿机构各组成部件的工作性能影响了补偿精度，最终成像图像会产生不同的像移补偿残差。本文提出了利用图像补偿残差检测纵向像移补偿机构性能的新方法，避免了常规检测时对检测仪器的依赖和设备拆解等繁琐操作，实现了在工作状态下的随检，具有好的推广应用价值。

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（编辑：张磊）