前向像移补偿下航空测绘相机畸变的纠正方法

为了提高航空测绘相机的制图精度,研究了前向像移补偿过程中测绘相机畸变的纠正方法。根据光学像差理论对畸变的影响因素进行了分析,得到了前向像移补偿过程中影响畸变的关键参数。考察了主点、主距等参数变化对畸变的影响规律,在此基础上提出前向像移补偿下畸变的计算模型。依据提出的模型对前向像移补偿下的航空测绘相机进行了数学仿真及外场飞行实验。结果表明,提出的算法稳定、有效,可以有效地纠正前向像移补偿时航空测绘相机的畸变,平面位置中误差较传统纠正方法可提高1.38倍。     

一种彩色面阵CCD测绘相机前向像移的补偿方法

 为了实现对前向像移的补偿,提出一种通过合理调整快门曝光时间和飞机速高比之间的关系来补偿前向像移的方法,对前向像移产生的原因进行研究。介绍彩色面阵CCD工作原理、相机工作原理,从光学系统成像原理的角度分析产生前向像移的原因,还分析了速高比和曝光时间误差。实验结果表明：速高比误差和曝光时间误差均可控制在合理误差范围内,满足前向像移量小于1.5个像元尺寸的补偿要求,达到了测绘相机的精度指标。     

TDI-CCD全景航空相机的像移速度场计算模型研究

针对扫描反射镜和电荷耦合器件(CCD)时间延迟积分(TDI)无法完全补偿前向像移和摆扫像移的问题,提出了TDI-CCD全景航空相机像移速度场的计算模型。根据相机结构和像移补偿原理,用坐标变换和共线方程建立了成像几何模型,在此基础上利用微分法推导出像移速度场的解析式。数值分析表明,像点位置越接近CCD靶面的后边缘,扫描角和前向补偿角越大,像移速度越大。对于TDI级数为100、CCD像元数为14000的全景航空相机,当扫描角小于-1.5°、前向补偿角小于4.16°时,可满足最大像移补偿残差小于1pixel的要求。实验结果验证了模型的有效性,该模型可作为定量分析TDI-CCD全景航空相机像移补偿误差的理论依据。     

基于倾斜刃边法航空相机像移的调制传递函数测量

由于航空相机拍照时存在像移,会导致成像质量下降,因此在航空相机中必须有像移补偿机构。目前一般采用主观判据,即通过人眼判别是否存在像移以及像移量的大小,来评价像移补偿系统的性能是否达到设计要求。主观判据受人的主观性影响较大,而且只能定性评价。为了建立航空相机成像质量与像移补偿系统其他指标之间的直接关系,提出使用倾斜刃边法测量航空相机像移的调制传递函数(MTF)。设计了相应的实验,实验中通过转台的转动模拟航空相机的扫描像移,分别通过倾斜刃边法测量像移的MTF和通过理论模型计算像移的MTF。实验结果表明,在空间频率为0.10cycle/pixel时,转台以3、5、8°/s转动时,两种方法得到的MTF之间的误差百分比分别为0.77%、1.15%、4.91%,进而证明了该方法的有效性。     

基于线阵CCD空间滤波效应的航空相机像移速度测量方法

基于空间滤波测速原理,提出了利用线阵CCD空间滤波效应进行航空相机像移速度测量的新方法。对线阵CCD输出图像进行隔行采样,模拟了多狭缝的空间滤波特性,实现了对航空相机像移速度的光学非接触测量。通过研究空间滤波器的功率谱密度函数,对影响线阵CCD空间滤波特性的关键因素进行了特性分析,并在实验上验证了利用线阵CCD推扫图像模拟多狭缝空间滤波器测量像移速度的可行性。结果表明,对于5～53.2 mm/s范围内的像移速度,测量误差导致的像移量误差不大于1/3 pixel,能够满足航空相机像移补偿精度的要求。     

快速反射镜在像移补偿中的应用

本文提出了一种基于快速反射镜的像移补偿方法用于解决航空成像中的像移问题。首先通过计算航空相机在曝光时间内的像移速度证明了像移补偿的必要性;针对快速反射镜存在伺服模型不确定性的问题,设计了模型参考自适应控制器;最后通过实验验证了该算法的性能,结果显示:采用本算法后,快速反射镜的阶跃响应稳定时间降低了50%以上,在振动情况下快速反射镜的稳定精度都可以达到10μrad,精度比传统控制方案提升10倍以上。最终的像移补偿成像实验成功验证了基于快速反射镜的像移补偿方案有较高的工程应用价值。     

航空相机镜间快门对像移的影响分析（英文）

为了提高航空遥感相机的摄影分辨率,获得高分辨率的航空图像,除了采用具有高传递函数的光学系统和高质量成像介质外,还要正确控制快门的曝光时间,以保证探测器能够获得合适的像移量。本文基于一种航空测绘相机镜间快门的结构形式及工作原理,以笛卡尔理论为基础,通过坐标变换方法,建立地面目标和影像之间的矩阵关系,从而确定快门曝光时间和像移量的关系,接着,结合相机速高比、像元尺寸等参数,对像移量及像移残差进行分析。根据相机的不同安装方式,以像移残差为1/3像元尺寸为标准,判定成像系统是否加入像移补偿机构,为相机设计提供理论依据。通过静态测试及飞行试验对分析进行验证。试验结果表明,相机分辨力达到36.8 lp/mm,航拍图像良好,满足指标要求。     

全景式TDICCD摆扫航空相机像面旋转的高精度补偿

摆扫式相机在扫描成像过程中,必须保证扫描机构与像面探测器之间摆扫运动的同步性,如果二者之间出现角度偏差或速度偏差,就会引起像旋转现象,使图像模糊,造成图像质量的下降。以全景式时间延迟积分(TDI)CCD摆扫航空相机为例,利用坐标变换方法建立了像旋分析的数学模型,分析了位置同步误差与速度同步误差对成像质量的影响,提出了基于干扰观测器的同步补偿方法,保证了两个机构之间位置及速度的同步性,实现了调速控制器与同步控制器的独立设计,有利于实际应用。通过实验室静态分辨率成像实验及对外成像实验,对理论分析结果进行验证。实验结果表明基于本方法的位置及速度同步误差分别小于0.0043°、0.0695°/s,均满足补偿精度要求,在成像过程中图像的旋转及失真现象得到了明显的抑制,图像质量获得了大幅提高。     

航空相机像旋动态调制传递函数分析与研究

航空相机在采用旋转扫描反射镜成像过程中存在像面旋转,会导致图像模糊,成像质量下降,必须采用像旋补偿机构进行补偿。目前,通过人眼观察图像模糊程度和电机同步控制精度评价像旋补偿精度,都不能客观准确评价系统成像质量。为建立航空相机成像质量与像旋补偿系统其他指标之间的直接关系,提出基于极坐标系的动态调制传递函数(MTF),并提出基于倾斜刃边法与模糊路径法相结合的方法测量航空相机旋转像移动态MTF。设计扇形靶标旋转动态成像实验,利用旋转动态MTF和倾斜刃边法得到图像动态MTF计算值,并基于图像模糊路径测量转台转动时图像动态MTF测量值。实验结果表明,转台以20~300(°)/s匀速转动时,空间频率在旋转动态MTF到达第一个零点频率前,动态MTF计算值和测量值曲线近似重合,验证了旋转动态MTF的正确性;空间频率在小于0.7零点频率范围内,两动态MTF曲线相对误差最大值和均值分别小于6%,2%,进而证明了测量方法的准确性。     

基于后推式航空数字相机像移补偿试验及效果评价

分析了航空数字相机像移的产生机理,提出了一种后推式像移补偿方法。搭建了航空数字相机的航拍仿真试验台,通过微米电机控制相机镜头反向运动的补偿速度和补偿量,实现后推式像移补偿。利用图像清晰度评价补偿前后的图像效果,补偿后像移残差值低于1/3像素。最后给出了后推式补偿方法与软件补偿方法的对比,结果表明,后推式补偿方法在补偿精度方面优于软件补偿方法,说明了该方法的可行性。     

复杂CCD航空相机光学系统快速消热差设计

提出利用变焦系统设计思想来快速实现复杂航空相机光学系统消热差设计的新方法,基于光学式补偿基础,建立了变焦设计与消热差设计的对应关系模型。设计常温下满足成像质量要求的消色差的良好光学系统;建立多个变焦位置,分别对应于不同的工作温度状态;通过优化设计快速发现材料组合,满足宽工作温度范围内像质均良好的要求。利用该方法设计了一工作于0.45～0.70 m波段,焦距650 mm,F数为5.6,视场为5.5的航空CCD相机光学系统,结果表明系统在-40～60 ℃之间成像均保持良好,调制传递函数下降5%。     

相机自热引起像点漂移的实验分析与温度补偿模型研究

为减小摄影测量中温度对测量精度的影响,基于物理实验,对相机自热引起的像点漂移影响机理进行研究,提出一种针对相机自热致像点漂移补偿方法.通过摄像测量技术对不动标志点进行长期连续监测,发现测量系统温度变化确实会引起像点漂移测量误差,其中水平漂移测量误差可达1.11Pixel,竖向漂移测量误差可达2.22Pixel.基于试验...     

宽覆盖高分辨率机载相机光学系统设计

针对机载相机广域高效航拍作业需求,采用新型级联光学成像结构,设计了一种宽覆盖高分辨率机载相机光学系统。该系统由对称前置同心物镜和中继转像透镜阵列组成,对称前置同心物镜获取剩余像差均匀的宽视场曲面像,中继转像透镜阵列对该曲面像进行视场细分、剩余像差校正及中继成像。所设计的机载相机光学系统焦距为60 mm、F数为3.4、视场角可达132°。基于一阶理论和像差特性,在不同飞行高度对地观测时,研究了机载相机光学系统的成像质量与宽视场曲面像的关系,获得系统在不同飞行高度实现清晰成像的方法。通过像质评价,结果表明,优化设计的系统在低空、中空及高空进行对地观测时,像面光线追迹点列图方均根半径均优于1.6μm,在奈奎斯特频率为230 lp/mm处,调制传递函数均达0.4,系统成像性能优异且像质均匀。新型级联光学成像系统适用于不同飞行高度的机载相机。     

Error estimation in measuring strain fields with DIC on planar sheet metal specimens with a non-perpendicular camera alignment

The determination of strain fields based on displacement components obtained via 2D-DIC is subject to several errors that originate from various sources. In this contribution, we study the impact of a non-perpendicular camera alignment to a planar sheet metal specimen's surface. The errors are estimated in a numerical experiment. To this purpose, deformed images - that were obtained by imposing finite element (FE) displacement fields on an undeformed image - are numerically rotated for various Euler angles. It is shown that a 3D-DIC stereo configuration induces a substantial compensation for the introduced image-plane displacement gradients. However, higher strain accuracy and precision are obtained - up to the level of a perfect perpendicular alignment - in a proposed “rectified” 2D-DIC setup. This compensating technique gains benefit from both 2D-DIC (single camera view, basic amount of correlation runs, no cross-camera matching nor triangulation) and 3D-DIC (oblique angle compensation). Our conclusions are validated in a real experiment on SS304.     

基于激光点云多条件约束的相机检校方法

为了克服相机检校对二维/三维检校场的依赖,提出一种基于激光点云多条件约束的相机检校方法。该方法通过对相机获取的多视影像进行光束法平差获得初始相机参数;利用影像点云与其最邻近的激光点云之间的位置关系,以共线方程为基础模型,建立多条件约束的相机检校数学模型;使用不等式约束的最小二乘方法平差迭代解算相机参数。将本文方法与基于三维控制场的检校精度进行了实验对比分析,结果表明本文方法与基于三维控制场的检校精度相当,两者反投影平均误差相差小于0.1 pixel,验证了本文方法在没有传统检校场的情况下进行相机检校的可行性。     

基于多视场拼接的飞机偏心定位距精确测量

针对某型飞机飞行试验中,无法采用常规机载影像测量方法精确计算飞机滑跑过程偏心定位距的问题,设计了一套基于地面多像机视场拼接的影像测量方案。通过在跑道边多点交错布设高速像机阵列,组成高速像机测量控制网,实现飞机滑跑过程影像的全覆盖;采用多摄像机交会接力测量以及数据拼接的方式,实现飞机偏心定位距的测量。实验仿真结果表明,采用该方案偏心定位距最大测量误差不大于3 cm,满足飞行试验精度要求。     

某型机载武器投放轨迹姿态测量方法研究

某型机载武器飞行试验中,由于测试用摄像机安装位置的特殊性,导致摄像机视场交会区域较小,无法采用常规影像交会测量的方法获取武器投放过程的轨迹、姿态运动参数,针对该问题,设计了一套适用于近距离、大倾角条件下的机载武器投放试验影像测试方案。通过设计90°和120°弯折光路的特殊弯管镜头,转换摄像机安装位置,解决武器投放影像获取问题,通过建立大倾角多摄像机联合计算模型,实现了武器投放轨迹、姿态的测量。实验室仿真实验结果表明,采用该方案轨迹最大测量误差不大于2 cm,满足飞行试验精度要求。