（机械电子工程专业论文）无人机面阵ccd相机的研制及其成像质量与振动关系的研究.pdf

摘要 摘要 随着社会和科技的发展，遥感技术发展迅速并得到越来越广泛的应用。航 空遥感是主要的遥感手段之一，它具有分辨率高，周期短，机动灵活等特点， 遥感仪器也从胶片成像发展到了数字式成像。以无人机作为平台的航空遥感在 这方面的特点更加突出，而且成本低廉。许多国家都在积极发展无人机遥感系 统，而国内可用于无人机平台的高分辨率面阵相机却较少，尤其缺乏适用于低 空轻小型无人机平台的小型高分辨率面阵c c d 相机。 针对这种情况，我国在无人机遥感的研究开发上加大了投入。本课题属于 上海市2 0 0 3 年度科技攻关计划项目，依托单位是中国科学院上海技术物理研究 所。上海技术物理研究所是专业从事遥感技术研究开发的单位，科研实力雄厚， 有先进的设备条件，保证了本课题的j , i 哽n 实施。 本课题通过光机电硬件的集成，以先进性和实用性为目标，设计了一套高 分辨率的面阵c c d 相机，体积小，重量轻，功耗低，达到了无人机或其他轻小 型平台应用的要求，填补了国内无人机遥感系统小型高分辨率面阵c c d 相机的 空白，提高了国内无人机遥感成像的分辨率水平。 在此基础上，为保证面阵c c d 相机的高分辨率，本文重点研究了振动和成 像质量的关系。通过在a d a m s 软件中建立相机的分析模型，编写m a t l a b 程序求 解光学传递函数对成像质量进行评价，建立了一个完整的可以定量分析和评价 振动与成像质量关系的系统。通过这样的方法为面阵c c d 相机系统的设计，如 振动的抑制，曝光时间的控制等提供了依据，从而保证相机高分辨率的实现。 最后，在进行上述分析的基础上，本文设计了特殊的减振装置。此减振装 置通过直线轴承把角振动转化为线振动，在减振的同时抑制振动的耦合，经试 验分析达到了良好的控制效果。 关键训：无人机，遥感，面阵c c d 相机，振动，成像质量 a b s t r a c t a b s t r a c t t h er e m o t es e n s i n gt e c h n o l o g yi sn o ww i d e l yu s e dw i t ht h e d e v e l o p m e n to f s c i e n c ea n d s o c i e t y a i r b o r n er e m o t es e n s i n gi so n eo ft h em a i nm e a n so f i t i ts h o w s g r e a ta d v a n t a g eo fh i g hr e s o l u t i o n ，s h o r tp e r i o d ，a n dg r e a tf l e x i b i l i t y ，e s p e c i a l l yt h o s e m o u n t e do nu m n a n n e da i r c r a f tw i t hl o wc o s t t h es e n s o r sh a v eb e e ni m p r o v e df r o m f i l m i m a g i n gt oe l e c t r i c a li m a g i n g m a n yc o u n t d e sa r en o wd e v e l o p i n gu n m a n n e d a i r b o r n er e m o t es e n s i n gs y s t e m s ，w h i l eo u rc o u n t r yi ss t i l ll a c ko fd i g i t a lf r a m e c a m e r aw i t hh i g hr e s o l u t i o nu s e d0 1 3u n m a n n e d a i r c r a f t ，e s p e c i a l l yt h o s em i n i a t u r i z e d o n e sm o u n t e do nu n m a n n e da i r c r a f tw i t hs m a l ls i z e o u rc o u n t r yi si n c r e a s i n gt h ei n v e s t m e n ti nu n m a n n e da i r b o r n er e m o t e s e n s i n g t o s o l v et h i s p r o b l e m t h i sp r o j e c ti s o n eo fs h a r l g h a i2 0 0 3t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t p r o j e c t s s h a n g h a i i n s t i t u t eo ft e c h n i c a l p h y s i c s ，c h i n aa c a d e m i co fs c i e n c e ， i m p l e m e n t si t s h a h i g h a ii n s t i t u t eo f t e c h n i c a lp h y s i c si sa d e p a r t m e n t t h a te n g a g e di n t h ed e v e l o p m e n to fr e m o t e s e n s i n gt e c h n o l o g y w i t hs t r o n gr & d a b i l i t ya n da d v a n c e d e q u i p m e n t s ，w h i c h c a ne n s u r et h e i m p l e m e n t a t i o no f t h i sp r o j e c t a c c o r d i n g t ot h es i t u a t i o n ，as e to f d i g i t a lf r a n l ec c d c a m e r ai sd e s i g n e dt h r o u g h i n t e g r a t i o no fo p t i c a l ，m e c h a n i c a l ，a n de l e c t r i c a lh a r d w a r e t or e a c ht h er e q u i r e m e n to f g o o dp e r f o r m a n c ea n dp r a c t i c a b i l i t y t h e c a m e r aj sp r o v e dt ob ee f f e c t i v et or e a c ht h e r e q u i r e m e n to f u n m a n n e da i r c r a f tw i t hs m a l ls i z e ，l o ww e i g h t ，h i g hp e r f o r m a n c e ，a n d l i t t l ep o w e r c o n s u m p t i o n i na d d i t i o n ，t h ea u t h o ra n a l y z e dt h ee f f e c to fv i b r a t i o no ni m a g eq u a l i t yt oe n s u r e t h eh i 曲r e s o l u t i o no ft h ec c dc a m e r a a ni n t e g r a t e dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i ss y s t e mi s b u i l t b yb u i l d i n gt h ea n a l y s i sm o d e li n a d a m sa n de v a l u a t i n gt h ei m a g eq u a l i t y t h r o u g ho p t i c a lt r a n s f e rf u n c t i o nc a l c u l a t e di nm a t l a bp r o g r a m i n s t r u c t i o n st h e nc a n b eg i v e ni nt h ep r o c e s so fd e s i g n i n g ，s u c ha st h er e s t r a i no fv i b r a t i o na n dt h ec o n t r o l o f t i m eo fe x p o s u r e b a s e d0 1 1t h ea n a l y s i s ，as p e c i a lv i b r a t i o ni s o l a t o ri sd e s i g n e dt ot r a n s f o r mt h e a n g u l a rm o t i o nt ol i n e rm o t i o na n dt h e na v o i dt h ec o u p l i n g o fv i b r a t i o n i ti sp r o v e d a b s t r a c t e f f e c t i v et h r o u g he x p e r i m e n t k e y w o r d s ：u n m a n n e da i r c r a f t ，r e m o t es e n s i n g ，d i g i t a lf r a m ec c d c a m e r a ， v i b r a t i o n ，i m a g eq u a l i t y 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月曰 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的e r l l ；l j 本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 第1 章绪论 1 1 遥感的概念与发展 第1 章绪论 遥感是从远处探测，感知物体，也就是从远处通过探测仪器接受来自目标 地物的电磁波信息，经过对信息的处理，识别地物，这种技术称为遥感技术“3 。 遥感的特性： a ) 空间特性一视域范围大，具有宏观特性； b ) 光谱特性一探测波段可从可见光向两侧延伸，扩大了对地物的研究； c ) 时相特性一能够周期成像，利于动态监测和研究 遥感的分类： 遥感 if 宽频单波段摄蚪曩星羹耄 ll 光学摄影 。 u 陋叫嚣耋凳糍 成像方式1lf 对像扫描c 电视摄像， lr 燃k 叫淼 i 主动式一雷达，微波雷达 随着社会信息化程度的提高，空间信息已成为重要的经济资源。国家权益 维护、资源管理、防灾减灾以及经济和生态化建设诸多涉及国计民生的项目都 需要高分辨率空间信息的支持，遥感数据获耿技术成为空间信息技术的重中之 第1 章绪论 重。 遥感是一门对地观测综合性技术。遥感技术系统主要由遥感平台，传感器 以及遥感信息的接收和处理三部分组成“1 。 遥感平台是指装载传感器的运载工具，按高度主要可分为航空平台，航天 平台。 航空平台有飞机，气球等，具有分辨率高，不受地面条件限制，调查周期 短，测量精度高等特点。同时机动灵活，适用于局部地区的资源和环境监测， 尤其是小型无人机平台，这方面的优势更加明显。 航天平台有探测火箭，人造地球卫星，飞船和航天飞机等，突出的特点是 可以对地球进行宏观，综合，动态以及快速的观察，极大的开阔人们的视界。 传感器是记录地物反射或发射电磁波能量的装置，是用来探测目标物特性 的仪器设备，是遥感技术系统的核心部分。根据工作方式，记录方式，接收方 式的不同可分为很多种类。如各种雷达，摄影机，扫掐仪，辐射计等。 在摄影方式的传感器中，摄影机，或者叫相机，是遥感技术中使用历史最 久，较为完善的一种传感器。摄影得到的像片具有信息量大，分辨率高等特点。 它不仅可以获取地物的形状，还可以获得地物从可见光到近红外各个波段的光 谱辐射。 相机按照接收器件的不同，主要有两类，一类是传统的照相技术，也就是 使用胶片作为记录和保存图像的介质的成像方法；另一类是所谓电子图像的获 取，即电子成像技术”1 。两者在各自的图像捕获，存储，使用和显示方面有许多 的不同。 电子成像技术有很多的优点，如拍摄方便，易于保存，修改，传送，可实 时显示，成本较低，而且其分辨能力越来越高，拍摄效果已可与传统胶片相媲 美。电子成像系统因其廉价，高效，高质量，快速的特点，应用越来越广泛， 已成功应用于遥感作业的各个领域“1 。 电荷耦合器件( c c d ) 是主要的用于获取电子图像的成像元件。电荷耦合 器件( c c d ) 的光敏面是由硅二极管阵列组成的，安装在快门和光学系统的后 面。每个硅二极管都与集成电路m o s ( 金属一氧化物一半导体) 器件阵列中对 应的电荷存储器相连接。每当阵列中某个硅二极管受到光照射时，该硅二极管 就会产生与照射光成j 下比的电荷量( 或电流) ，并输送给该硅极管后面的电 荷存储器存储。这样由电荷存储器组成的电子移位寄存器，按照顺序依次读出 第1 章绪论 电荷存储器的电荷( 或电流值) 。即电子由能量高处流向能量低处，电荷( 或 电流) 依次从硅表层层内一点迁移到另一点。把输出信号和移位脉冲联系起来， 然后就可以再现影像。因此，电荷耦合器件的分辨率取决于它成像面的硅二极 管数量，即所谓的像元数量，像元数越多，成的像越精细“1 。 c c d 数字相机分为线阵和词阵两种。线阵c c d 数字相机通常采用推帚式采 集图像，优点在于价廉，探测元件可精确定位，低功耗、灵敏度高、光学部件轻 巧，结构简单，并且多个线阵可拼接成几千像元的大线阵，但精度不是很高， 需后期进行纠正。面阵c c d 相机工作与框幅式胶片航摄相机类似，8 0 年代初 c c d ，面阵只有1 0 0 1 0 0 像元，9 0 年代则飞速发展“1 。国内由中国测绘科学研 究院研制开发的u a v r s 型无人机低空遥感监测系统选用高分辨率面阵c c d 相 机，像素为3 0 0 8 2 0 0 0 像元，具有对地实时快速调查监测能力，在国土资源调 查管理上显示了重要的应用价值”1 。本文要研制的是4 0 0 0 x4 0 0 0 像元的大面阵高 分辨率c c d 相机，由于电子成像器件的快速发展和日益成熟，分辨率比前者有 了大幅的提高， 1 2 无人机遥感的发展概况及选题背景 随着经济的突飞猛进，资源调查和环境监测任务的周期越来越短，空间信 息的需求日趋增多，常规卫星和航空遥感手段己难以满足应用所需，特别是许 多分辨率要求高、时间要求快的应急动态监测缺乏有效的手段。无人机系统为 这种特殊需求提供了新的技术途径，并将成为众多小范围、危险地区遥感监测 任务的最佳选择。 无人机遥感是以廉价的轻小型无人驾驶飞机为平台，装载可地面遥控或自 主控制的小型传感器，对地面目标及其周围环境进行观测成像的一门新兴的综 合性科学技术。和有人驾驶的对地观测系统相比，无人机对地观测系统有如下 显著优点：系统研制周期短，成本低；无人驾驶，使用方便，安全性好；受场 地、天时、天候等因素限制较小；观测距离可大大超过操作员的可视距离；可 以做到近地观测提高分辨率：应付突发事件能力强；特别适合于区域性、专门 应用、多用途等场合”1 。因此，开发技术含量高、集成性强、市场前景好，机动 快速和低成本的小型无人机遥感监测系统将使遥感监测的应用面大大拓宽，可 有效地解决当前空间数据源不足、实效性不高的瓶颈问题，并将发展成为空间 第1 章绪论 信息技术领域的新兴产业，对于建立和完善我国多层面对地观测体系具有重要 的社会、经济和战略意义。 无人机早在7 0 多年前就已问世，但早期的无人机只是用作靶机。作为作战 侦察及民用遥感平台使用是在2 0 世纪7 0 年代之后，由于无人机在海湾战争中 的出色表现，自2 0 世纪9 0 年代起，许多国家都把无人机系统置于优先发展的 地位。如澳大利亚实现了用无人机跟踪龙卷风，再如，美国不但研制了多光谱 仪等多种传感器的无人机对地观测系统，而且在近年来还开始了一种适于“捕 食者”军用无人机的机载高光谱多传感器系统的研究，该系统能够在广阔的地 域昼夜实时地进行探测和对目标成像。它是利用一种成像型超光谱探测器探测 目标，这种探测器能在可见光、近红外、短波红外和热红外区域的近1 0 0 个谱 段上工作，或使高分辨率的全色相机对准目标，或者从高分辨率的全色成像中 挑选局部进行成像，然后将图像传送给地面站进一步分析。在民用方面，美国 n a s a 具有4 6 种携带各类传感器的无人机业务化运行系统用以观测，获得各种 科学数据。随着重量轻、体积小、探测精度高的新型传感器的面世，无人机遥 感系统的用途迅速拓展，成为2 1 世纪航空遥感的重要发展方向。 在国内，随着微电子、计算机、通信和轻型复合材料技术的发展，无人机 平台技术也日臻成熟。人们熟知的“长虹”、“长空”等固定翼无人机，z - - 2 、 m 一2 2 和“翔鸟”等旋翼无人机都是我国近一二十年来研制的新产品。通过气 动、结构、任务载荷和控制一体化设计加工出的无人驾驶飞行器可满足遥感应 用所需的载荷能力与抗风能力；高精度多功能导航控制，飞机故障自检装置及 地面监控站技术，保障了系统的可靠性；机体结构采用快装快卸技术，便于装 载和运输；起降方式采用弹射起飞、伞降滑降回收，降低了系统对起飞场地的 要求。 图1 1 民用遥感监测专用双发动机h 型尾翼无人机 第l 章绪论 图1 ，1 是青岛天骄无人机遥感技术有限公司研发的民用遥感监测专用双发 动机h 型尾翼无人机，它改变了以往单发动机飞行器在安全性方面的不足，大 大提高了飞行系统的可靠性。机型采用上单翼、双发、双垂尾正常式布局，改 善了起降性能以及飞机速度、高度使用范围。飞机采用双垂尾双发布局，保证 了任务设备视界与开伞通道顺畅。该机型是目前国内唯一的双发布局、具有增 升装置的5 0 k g 量级的小型无人机，也是目前国内唯一采用上述空气动力学布局 的小型无人机。该机型设计属国内首创，在国际上已有机型中也不多见。本文 设计的无人机c c d 数字相机将以此无人机作为平台，建立完整的轻小型遥感系 统。 先进多用途无人机对地观测系统有着非常广阔的民用和军事应用前景。在 民用方面的应用有：特殊天气观测，如龙卷风等灾害性天气的观测与跟踪；西 部干旱半干旱地区人工辅助增雨需要的对积雨云的观测与识别：中小城市的测 绘；对局部森林火灾的探测、水灾的监视、地震灾情的监测；海港、码头区域 辅助缉私；近海、山地监视；在军事与保安方面的应用主要有：地面军事目标 尤其是伪装目标的侦察与识别；对地打击效果评估；民用与军事目标的区分； 聚集部队的识别；战场监视；地雷探测；未来无人作战飞机的侦察；城市保安； 非常时期城市监视等等。其他需要如科学研究等等。目前中国遥感市场对优于 米级的高分辨率遥感数据年度需求量超过两亿人民币，各类遥感监测项目费总 额超过十个亿；监测面积在1 0 0 平方公里以下的( 几至几十平方公里) 项目极其 缺乏数据源获取手段，有些采用地面工程测量方式，年度数据采集费超过一个 亿。 根据国际无人机系统协会的市场调查与预测，民用无人机1 9 9 8 年才开始市 场运作，2 0 0 2 年全球民用无人机年产值己达到1 0 2 亿美元，预计未来的1 0 年 内，民用无人机的应用将以每年1 5 的增长率呈上升趋势，每台无人机必然要配 置有效载荷，对机载有效载荷的需求量也必然同比例增长。目前国外低空无人 机遥感系统已用于科学试验、大气监测、水体监测、防灾减灾、执法、消防、 搜救、铁路、管道电力线监测、林业、农业、测图等领域。表1 1 列出了国内 市场的需求量预测。 第1 章绪论 表1 12 0 0 4 2 0 1 0 年无人机系统潜在用户及产业化前景预测 行业用户潜在用户名单应用目标需求数量 水利 黄河水利委员会，防汛、水土保持、河势变化、 1 6 长江水利委员会等水利工程 城建各省市城市规划设小城镇规划制图 】5 计院 电力各地电力勘测设计 水电工程环境勘察与施工监 1 0 院理 交通沿海1 1 个海事局、海上搜救指挥，高速公路、 1 5 各省市公路规划设计港口码头、航运管理、突发性事 院、各大高速公路指挥件监测 部 环保各省市环保局 污染源与扩散监测 5 海洋北海、南海、东海近海生态环境、海岸带、海 1 2 分局及沿海县市、极地岛资源与海洋工程监测、极地科 科学考察学考察 铁路铁路规划设计院、铁路选线勘察、工程制图、 1 0 各省市铁路设计院 工点图 林业林业调查规划设计退耕还林、森林资源、健康、 5 院、退耕还林办公室、 野生动植物、护林监测等 航空护林站等 国土测绘各省市国土测绘 土地利用调查、特殊区域大 1 2 院、测绘工程公司比例尺地形图更新 总计：l c0 套 目前国内无人机可携带的传感器在种类和功能上非常有限，大大限制了无 人机对地观测系统优势的发挥。尤其在恶劣的气象条件、复杂危险的地理环 第1 章绪论 境中，技术与时间不允许采用其它平台的对地观测技术，目前迫切需要技术密 集度高、自主工作的轻小型传感器，实现无人化的高性能对地观测。 1 3 研究目的与内容 1 3 1 课题来源 本课题属于上海市2 0 0 3 年度科技攻关计划项目( 课题号0 3 5 1 5 0 0 1 ) ，依托 单位是中国科学院上海技术物理研究所。上海技术物理研究所是专业从事遥感 技术研究开发的单位，科研实力雄厚，有先进的设备条件，保证了本课题的顺 利实施。 目前，上海技术物理研究所正与青岛天骄无人机遥感技术有限公司合作开 发低空无人机遥感系统，承担了多光谱c c d 相机的研制任务并一起进行产业化 运行。与本项目研制的高分辨率大面阵c c d 相机相比，这种相机的面阵小，空 间分辨率低，主要用来获得光谱图像。而目前企业对大面阵、高分辫率、自主 工作的轻小型c c d 相机及地面图像处理软件有更迫切的产业化需求。 1 ，3 2 研究目的与意义 本文针对无人机遥感的现状，从工程化、实用化的角度，按照轻小型、低 功耗、大视角及无人操纵的要求，建立了一套面阵c c d 相机系统。相机在尺寸、 重量、功耗、工作模式、成像质量等方面达到了中小型无人机或其他轻小型平 台应用系统要求，提高了国内无人机遥感成像的分辨率水平，弥补了国内无人 机可携带的成像传感器在种类和性能上的局限。在无人机平台上装载升空后， 可自动快速获取高分辨率遥感数据，既可发挥其独特的作用，又可与卫星遥感、 航空遥感及地面监测手段综合应用，在防洪指挥、水利工程、大比例尺制图、 水质评价方面，以及在国土、城建、交通、电力、农业、林业、环保等众多行 业的资源环境监测中发挥重要作用，同时可以为进一步建立满足区域应急动态 监测和空间信息数据快速获取与更新应用目标的低空无人机遥感系统打下基 础。 第1 章绪论 1 3 3 本文的研究内容 本课题以先进性和实用性为目标，通过光学、机械和电子学硬件模块集成， 设计满足中小型无人机或其他轻小型平台应用系统要求需求的面阵c c d 相机系 统，研制成功后的襁机具有重量轻、功耗低，自主工作能力强的特点。本文根 据系统要求进行分析计算，调查目前可投入实际应用的器件，选择其中合适成 熟的产品组建无人机面阵c c d 相机系统，主要包括无人机面阵c c d 相机头部 和自主图像采集存储系统两部分。面阵c c d 相机头部由摄影镜头，相机机身， 高分辨率大面阵c c d 成像模块组成，完成对地面物体的成像并转化成电子信号； 自主图像采集存储系统由嵌入式计算机、高速大容量硬盘、传输接口、通讯模 块等组成，用于和无人机飞行控制计算机进行通讯，自动控制相机的拍摄，并 完成遥感图像的传输和存储。 由于面阵c c d 相机分辨率很高，而无人机工作环境又比较恶劣，会对成像 质量产生较大影响。为解决在动态环境下高分辨率成像的问题，本文重点分析 研究振动与成像质量的关系，在虚拟样机软件a d a m s 中建立相机模型，施加振 动条件，模拟相机工作环境，然后把模拟的结果数据通过接口传给数值分析仿 真软件m a t l a b ，在m a t l a b 中编写光学传递函数求解程序，计算出振动造成的光 学传递函数的下降，利用光学传递函数评价相机成像质量。通过这样的分析过 程，定量的了解各个影响因素和不同的条件对相机成像质量的影响，构成一套 完整的分析方法。在此基础上本文提出减小振动对成像质量不利影响的解决方 法，设计制造一套减振装置并进行试验。本文所研究的振动对成像质量影响的 分析方法也可用于对其他成像遥感仪器成像质量的分析，为这方面的进一步研 究打下基础。 第2 章无人机面阵c c d 相机总体设计要求和总体方案 第2 章无人机面阵0 0 d 相机总体设计要求和总体方案 2 1 无人机面阵c o d 相机总体设计要求 本文设计的面阵c c d 相机应用于无人机或其他轻小型平台，总体设计要求 是轻小型、低功耗、自主工作，同时拥有高分辨率的成像质量。 从目前的遥感数据源应用来看，卫星遥感影像可满足l ：1 0 0 0 0 0 0 到l ：1 0 0 0 0 0 比例尺制图的需要，航空遥感影像可满足l ：1 0 0 0 0 比例尺左右的遥感制图需要。 面低空无人规遥感系统可为l ：1 0 0 0 0 以下比例尺规划制图提供经济、快速的数 据源。图2 1 是飞机航空遥感的示意图。 图2 1 飞机遥感示意图 根据本课题使用的青岛天骄无人机遥感技术有限公司研发的民用遥感监测 专用双发动机h 型尾翼无人机技术条件，相机工作时的飞行高度( 以下称航高) 为5 0 0 到1 0 0 0 米，航速为1 2 0 公里4 , 时，系统最大重量不应超过l o 千克，功 耗低于1 0 0 瓦。 为了获得有效的地面遥感影像数据，系统的分辨率应满足一定的要求。对 于一+ 般的无人机遥感应用，以城市规划应用为例，识别地物至少应由数个像元 第2 章无人机面阵c c d 相机总体没计要求和总体方案 组成，通常建筑物、道路等宽度在4 米以上，若单个像元对应的地面分辨率为 0 2 米，则可对应2 0 个以上的像元，识别建筑物、道路等足足有余。对应5 个 左右像元也可满足识别要求，但从提高图像后处理精度和统计数据精度而言， 应采用较高的分辨率。所以本课题设计的大面阵c c d 数字相机系统地面分辨率 在0 2 米左右。 本课题开发的低空无人机遥感系统面向的主要目标是范围在几平方公里至 上百平方公里地区的快速动态监测和制图，而无人机续航时间有限( 本课题使 用的双发动机h 型尾翼无人机续航时间为6 小时) 。所以除了分辨率要求外， 系统的作业效率也是主要指标之一，在飞机续航时间内所拍摄的图像范围应能 够覆盖一百平方公里左右的地区。为得到完整的图像，保证精度和图像拼接的 要求，在飞行方向( 以下称航向) 两幅图像间保证6 0 的重叠率，两条航带间保 证3 0 的重叠率，如图2 2 所示。 “ j j t - 。 飞 行 方 向 航带1航带2 图2 2 飞机航拍时的重叠率示意图 由于航高已经确定，每幅图片对应的地面面积由相机视场角决定，如图2 1 所示。这时系统的作业效率取决于视场角，下面进行具体的分析。设视场角0 为 4 0 。，飞机作业时间t 为3 小时( 考虑到起飞降落以及返航的时间，取飞机续 航时间的一半作为作业时间) ，已知最低航高为5 0 0 米。 计算出每幅图像拍摄的地面大小m 为： m = ( 2 5 0 0 t 9 0 2 ) 2 = 3 6 4 m 3 6 4 m f 2 ，1 ) 1 0 第2 章无人机面阵c c d 相机总体设计要求和总体方案 已知飞机航速为1 2 0 公里小时( 3 3 。3 3 米秒) ，则两幅图像拍摄间隔t 为： t = 3 6 4 x ( 1 - - 0 6 ) 3 3 3 3 = 4 3 7 s( 2 2 ) 则3 小时作业时间拍摄的地面面积s 为： s = ( m t t 1 x ( 1 0 6 ) ( 1 0 3 ) = 9 2 k r a 2 ( 2 3 ) 可见，为保证系统的作业效率，相机视场角必须在4 0 9 以上。 综合上述分析，得到系统各项设计指标为： 飞行高度5 0 0 一1 0 0 0 米，航速1 2 0 公里，j 、时，地面分辨率0 2 米，视场角 大于4 0 。，总重l o 千克以下，功耗低于1 0 0 瓦。 2 2 无人机面阵c c d 相机总体设计方案 本课题是以先进性和实用化为出发点，在系统研制方面需考虑的主要问题 是如何在拥有高性能的同时，提高系统的可靠性和降低成本。因此，需采用既 先进又成熟的技术，并要求系统简化、自动化与智能化程度高、培训和操作简 便，才能满足用户需求。因此系统研制过程采用国内成熟技术或国际上公开引 进的技术，按有限目标原则进行系统功能设计( 即以保证系统的高分辨率为主 要目标) 、按系统最简化原则进行结构设计、按系统最优化原则进行技术设计、 按最可靠原则进行器件配备，以保证成果的实用化和产品化品质。 为保证上述原则，系统的各个组成部件采用成熟的经过实践检验的产品， 特别是已商业化的产品，它们具有稳定可靠的品质和较低的成本，而且具有先 进的性能。比如面阵c c d 相机的核心部件：面阵c c d 成像元件，近年来发展 迅速，已有超过一千万象素的产品问世；其他如相机镜头，机身等更是经过了 长期的发展，有丰富完善的产品可供选择；计算机控制系统也日趋小型化，模 块化，技术成熟。 所以本课题无人机面阵c c d 相机的总体设计方案是利用成熟的商业光学镜 头、相机机身，高分辨率大面阵c c d 成像模块和嵌入式计算机硬件系统，通过 光学、机械和电子学软硬件模块的集成，设计出满足需求的产品。 整个面阵c c d 相机由两大部分组成：相机头部和自主图像采集存储系统。 相机头部由摄影镜头，相机机身，高分辨率大面阵c c d 成像模块组成，完成对 地面物体的成像并转化成电子信号；自主图像采集存储系统由嵌入式计算机、 高速大容量硬盘、传输接口、通讯模块等组成，用于和无入机飞行控制计算机 第2 章无人机面阵c c d 相机总体设计要求和总体方案 进行通讯，自动控制相机的拍摄，并完成遥感图像的传输和存储。两个部分通 过高速传输接口由电缆相连接。 2 2 1 相机头部 相机头部包含了大面阵c c d 成像模块、相机机身、摄影镜头三个部分。 1 大面阵c c d 成像模块 数码相机主要有两类，一类是把可拆卸的面阵c c d 成像模块( 通常称为c c d 数码后背) 装在大中型幅面相机后部取代胶片进行数字化成像，：另一类是将 c c d 成像模块直接与机身做成一体，也就是我们常见的1 3 5 小型幅面数码相机。 前者通常具有很高的分辨率，一般用于室内摄影等要求分辨率很高的专业摄影 领域，而后者更强调便利性，主要用于新闻报道摄影领域。本课题的主要指标 是分辨率高，体积小，所以采用大面阵c c d 数码后背加1 2 0 中型幅面相机的方 案。目前市场上像元数最多的c c d 数码后背为4 0 9 6 x 4 0 9 6 面阵，即1 6 0 0 万有 效像元，像元大小为9 i i i i l 9 帅。本课题采用这种类型的数码后背以获得高分辨 率的图像。 2 相机机身 本课题采用与面阵c c d 数码后背相适应的1 2 0 单镜头反光式中型幅面相机 作为相机机身，选择其中体积小，重量轻，功能完善，适合航空摄影的成熟产 品与数码后背相匹配，将数码后背放置在胶片成像处获取图像。 3 摄影镜头 由于采用1 2 0 单镜头反光式相机机身，这些机身在光学上都保留了与摄影 镜头的接口，所以现有各种标准镜头都可以作为选择对象，但在选择时必须考 虑视场角大于4 0 。的要求。 2 2 2 自主图像采集存储系统 鉴于面阵c c d 相机的无人机载应用，在仪器重量、体积和可靠性上要求严 格，所以控制平台采用嵌入式计算机系统，选用p c 1 0 4 p l u s 总线结构进行模 块化设计，以满足图像采集传输存储的需要和系统小型、低功耗的要求。自主 1 2 第2 章无人机面阵c c d 相机总体设计要求和总体方案 图像采集存储系统由3 2 位嵌入式计算机、微型高速大容量硬盘、嵌入式w i n d o w s 操作系统与应用软件组成，用来接收无人机导航信息，自主判断目标区，控制 相机作业，记录存储所获取的图像数据。 自主图像采集存储系统主要完成以下功能： 1 对相机头部的控制 根据目标区的设置，在程序的监控下，完成快门控制和图像获取过程。 2 ，图像的自主采集存储 通过高速接口，接收来自相机头部的图像数据，在软件的控制下，在图像 采集间隙，与g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ，全球定位系统) 信号一起形成图像 数据流，以文件形式存储在高速大容量硬盘中。 3 6 p s 信号的接收 g p s 信号由无人机飞行控制计算机的导航系统提供，通过串行接口与自主 图像采集存储系统连接，实现自主图像采集存储系统与无人机飞行控制计算机 的通讯，获取当前的飞行参数( 位置、速度、高度) 作为存储图像的位置信息。 面阵c c d 相机结构如图2 3 所示。 图2 3 面阵c c d 相机结构 第3 章无人机而阵c c d 相机的实现 第3 章无人机面阵c o d 相机的实现 3 1 相机头部 3 1 1 相机机身 图3 1 是目前市场上使用较多的1 2 0 中型相机机身。本课题采用其中体积 小，重量轻，功能完善，可与数码后背相匹配，适合航摄的成熟产品，将数码 后背放置在胶片成像处获取图像。 康泰克斯6 4 5 a f 相机机身 哈苏5 5 5 e l d 相机机身罗莱相机机身 玛米亚6 4 5 a f d 相机机身 玛米亚r z 相机机身富士g x 6 8 0 i 相机机身 图3 1 常用的相机机身 为了寻求适合航摄的相机机身，对以上目前流行的相机进行比较分析。首 先分析是否符合航摄的要求。 飞机作业中相机快门速度选定后，在曝光期间由于飞机的运动，图像可能 出现拖影现象，影像移动量b 按公式( 3 1 ) 计算： ( 3 1 ) 第3 章无人机面阵c c d 相机的实现 其中：v 为航速，t 为快门时问。 我们对图像质量要求较高，因此要减少拖影对图像的影响。拖影必须小于 l 2 像元大小，对图像的影响才较小。我们选用的大面阵c c d 像元大小为9 帅 9 胁，假设相机焦距f = 5 0 r r m ，飞机速度v = 3 3 m s ( 1 2 0 k m h ) ，h = 5 0 0 m ， 由上面的公式可以计算出相机的曝光时间t = l 7 3 3 秒，所以我们选用相机的 最高快门应在1 1 0 0 0 秒以上。其中，c o n t a x6 4 5 a f 相机曝光时间最快可达1 4 0 0 0 秒，而且体积小，功能完善，可与多款数码后背兼容，已经成熟的应用于市场。 其他多款相机中有几款虽然以其优良成像品质和其他卓越的功能而著称，但是 曝光时间长，体积较大，无法应用于无人机遥感系统。所以本课题选用c o n t a x 6 4 5 a f 相机作为机身，其主要技术规格如表3 1 ： 表3 1c o n t a x6 4 5 a f 相机技术规格 相机类 6 4 5 c m 中画幅焦平面快门单镜头 型反光相机 快门系 电子控制焦平面快门、自动：3 2 秒 至1 4 0 0 0 秒，手动：x ，b ，t ， 统 8 - 1 4 0 0 0 秒。 自拍延 1 0 秒或2 秒 时 曝光方 光圈优先、快门优先及手动 八 电池1 节2c 1 i 56 vl i 电池 1 4 1 ( 宽) m l t i 1 3 8 3 ( 高) mx 体积 1 4 8 ( 厚) m 重量 1 5 5 0 9 3 ，1 2 大面阵g o d 成像模块( 0 1 3 0 数码后背) 在过去的几年里，数字成像技术已经有了很大的突破。从成像优良品质角 度上看，高端的专业数码后背目前在实际像素的成像质量、色彩还原，色彩深 度及影像层次、宽容度上表现很好，而且技术成熟，质量可靠。生产数码后背 的厂家很多，有m e g a v i s i o n 、i m a c o n 、k a d a k 、s i n a r 、l e a f 、p h a s e 等等。 第3 章无人机面阵c c d 相机的实现 图3 3 是几种流行的高端大面阵c c d 数码后背。 m e g a v i s i o n 数码后背柯达d c sp r ob a c kp l u s 数码后背s i n a rb a c k 5 4 数码后背 图3 2 高端大面阵c c d 数码后背 其中，m e g a v i s i o n 公司的f b 4 0 4 0 数码后背是专门以c o n t a x6 4 5 相机为主要 使用对象为科技摄影所设计的，体积紧凑，特别适用于c o n t a x6 4 5 相机。 由于系统选定的相机机身i 为c o n t a x6 4 5 a f ，为了更好的 与相机机身在机械结构和电气 上兼容，所以本课题使用 m e g a v i s i o n 公司的f b 4 0 4 0 数 码后背( 图3 3 为c o n t a x6 4 & 蟑 和f t m 0 4 0 组装在起的图 片) 。f b 4 0 4 0 面阵大小为 4 k x 4 k ，曝光时间适应相机的 范围，由i e e e l 3 9 4 接口传输数 据和供电，同时f b4 0 4 0 还提 供套软件开发工具包s d k 图3 3c 。n t a x6 4 5 a f 和f b 4 0 4 0 的组装 ( s o f t w a r ed e v e l o p m e n tk i t ) ， 软件开发包包括图像捕获驱动库和图像开发库。利用s d k 可以控制系统的自动 开关机，自动曝光的时刻，长短，以及对图像进行后处理。 f b 4 0 4 0 数码后背技术规格如表3 2 所示： 第3 章无人机面阵c c d 相机的实现 表32f b 4 0 4 0 数码后背技术规格 规格 f b4 0 4 0 c c dk o d a kk a f1 6 8 0 1 e ( 单色) c c d 、1 6 8 0 2 ( 全色) c c d 像素数l ，6 0 0 万像素4 ，0 8 0 ( h ) x 4 ，0 8 0 ( v ) 面阵 光敏面尺寸3 6 8 8 m m ( h ) 3 6 8 8 m m ( v ) 像元大小 9p m ( h ) 9 帅( v ) 方型结构 色位数单色1 6 b i t ( 4 0 9 6l e v e l s ) ，全色4 8 b i t ( b a y e rr g b ) i s o 值1 0 0 4 0 0i s o 曝光时间适应相机的范围 数据读出时 2 s p c 接口 i e e e1 3 9 4f i r e w i r e 火线接口 大小l o o m m ( w ) 8 2 m m ( h ) x4 5 v a n ( d ) 重量o 3 8 k g 电源 1 0 2 5vd c 8 0 0m a ，通过f i r e ? i r e 火线供电 盥 8b i t1 6m b y t e s 色1 6b i t3 2m b y t e s 输出图像8 大小 全b i t c o f o r 4 8 l f o y t e s 色1 6 9 6m b y t e s b it c o l o r 图3 4f b 4 0 4 0 数码后背接口 1 7 第3 章无人机面阵c c d 相机的实现 f b4 0 4 0 数码后背接口解释： 如图3 4 所示，接口分别被标为l 、2 、3 、4 ： l 为同步接口，连接相机机身，用于同步相机机身与数码后背； 2 为快门接口，连接c o n t a x6 4 5 的机身，主控计算机用它来触发相机； 3 为p c 接口，为专业摄像提供，用于相机快门和外接电子闪光同步； 4 为i e e e l 3 9 4 接口，用于和计算机相连，实现计算机控制和数据传输。 f b 4 0 4 0 数码后背的特点： 不用改装原c o n t a x 6 4 5 的机身，通过专用的适配环就可与该机身完美结 合，两者在机械结构和电气上兼容； f b 4 0 4 0 数码后背可由1 e e e1 3 9 4 f i r e w i r e 火线接口( 一种外部串行总线 标准，拥有极高的传输速度，最大可达到4 0 0 m b i t s ) 与主控计算机连 接，拍摄的图片以每秒1 0 兆字节的速度传入计算机，f b 4 0 4 0 由i e e e 1 3 9 4 接口直接供电，因此它与主控计算机只需一根电缆连接即可； f b 4 0 4 0 的辅助电源可以通过一种联机火线( i n l i n ef i t e w j r e ) 电源来提 供，这样不支持i e e e1 3 9 4 的笔记本电脑可以共用这个辅助电源适配器； f b4 0 4