一種航測相機定點拍攝預測控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及航空測繪相機中實現(xiàn)定點拍攝預測和控制的方法，特別涉及對航測相 機目標拍攝點的拍攝時刻進行預測計算、對相機各功能模塊進行同步控制的方法，屬于航 空測繪相機技術領域。
【背景技術】
[0002] 隨著航空技術的迅速發(fā)展，航測相機的應用領域不斷擴寬，對航測相機的功能提 出了新的要求。航測相機傳統(tǒng)的工作方式是只設定拍攝航線和航向重疊率，對拍攝點不作 要求，由航測相機在滿足重疊率的前提下自行控制相機曝光。在該工作方式下，相機實際的 拍攝位置具有隨機性且不可重復，不便于進行數(shù)據(jù)管理和事后的圖像處理。
[0003] 為了彌補傳統(tǒng)工作方式的不足，在新一代航測相機的研制中提出了定點拍攝的工 作方式。定點拍攝工作方式是根據(jù)航測相機載體的飛行高度和速度，結合相機的視場角、最 大拍攝幀頻率等參數(shù)，并考慮拍攝的航向重疊率要求，預先設定一系列拍攝點（經(jīng)煒度坐 標），形成作業(yè)文件。在實際工作中，航測相機依據(jù)作業(yè)文件，當載體運動到達設定的拍攝點 時觸發(fā)CCD曝光成像。
[0004] 相對于航測相機傳統(tǒng)的工作方式，定點拍攝方式的優(yōu)點包括：預先對整個拍攝過 程進行了詳細的規(guī)劃，便于對作業(yè)過程進行管理和控制；由于拍攝點預先設定，相鄰航帶上 的拍攝點位置關系是確定的，便于后期進行圖像拼接；同時拍攝的圖像幀數(shù)也是確定的，便 于進行圖像數(shù)據(jù)管理；由于拍攝點確定，任意航帶的拍攝過程是可重復的，方便進行補拍； 通過對拍攝點的靈活設定，可滿足航測相機在不同應用領域的功能需求，有利于擴展航測 相機的應用范圍。
[0005] 航測相機定點拍攝工作方式的實現(xiàn)要解決以下兩個主要問題：1.航測相機載體 的實際運動軌跡無法嚴格遵循設定的航線，當設定的目標拍攝點無法達到時需要選擇與目 標拍攝點最接近的點作為實際拍攝點；2.航測相機系統(tǒng)中的機械式快門和相移補償機構 需要提前啟動工作，才能保證在CCD曝光的時刻快門完全開啟，相移補償機構進入有效工 作區(qū)間，因此要對到達拍攝點的時刻進行預測。

【發(fā)明內容】

[0006] 為了解決航測相機定點拍攝工作方式下實際拍攝點的計算，拍攝時刻預測以及各 功能模塊同步控制問題，本發(fā)明設計了一種基于載體航跡擬合的航測相機定點拍攝預測控 制方法。
[0007] 本發(fā)明采用的技術方案如下：一種航測相機定點拍攝預測控制方法，其特征在于： 該控制方法利用的航測相機同步控制系統(tǒng)包括機載位置和姿態(tài)測量系統(tǒng)（即POS)、主控計 算機、單片機、時序控制FPGA、數(shù)字信號處理器（即DSP)、CCD相機、快門及像移補償機構， POS連接主控計算機，輸出測量信息；主控計算機連接單片機，輸出控制指令及工作參數(shù)； 單片機作為中轉，將指令及參數(shù)分別轉發(fā)到DSP及時序控制FPGA;DSP控制像移補償機構運 動；時序FPGA連接DSP、CCD相機、快門和POS，發(fā)出同步控制信號；所述的航測相機定點拍 攝預測控制方法具體實現(xiàn)過程如下：
[0008] (1)機載位置和姿態(tài)測量系統(tǒng)提供航測相機載體當前的經(jīng)煒度位置、速度、姿態(tài)信 息，同時還輸出同步時間信號以及對應的時刻信息；
[0009] (2)主控計算機收到與同步時間信號對應的時刻信息，經(jīng)由單片機轉發(fā)到時序控 制FPGA;
[0010] (3)主控計算機收到帶時間戳的相機載體位置信息，以此為依據(jù)擬合計算相機載 體的運動軌跡，并根據(jù)定點拍攝中設定的拍攝點預測下一個拍攝時刻以及像移補償速度；
[0011] (4)主控計算機將預測結果發(fā)送到單片機，單片機將時間相關參數(shù)發(fā)送到時序控 制FPGA，將像移補償速度參數(shù)發(fā)送到DSP;
[0012] (5)FPGA收到同步時間信號以及對應的時刻信息，建立航測相機同步控制系統(tǒng)時 間基準；
[0013] (6)FPGA根據(jù)接收到的拍攝時刻參數(shù)，參照時間基準在指定時刻發(fā)出外同步脈沖， 觸發(fā)相移補償機構、CCD相機、快門同步工作，完成一次拍照。
[0014] 進一步的，步驟（5)中，時序控制FPGA收到低精度的同步時間信號和對應的時刻 信息，所述的低精度為秒級，通過內部高精度時鐘進行細分，所述的高精度為微秒級，得到 高精度的時間基準，以滿足定點拍攝控制精度要求。
[0015] 進一步的，步驟（3)中，主控計算機根據(jù)當前以及過去一段時間內相機載體位置 隨時間變化的趨勢，采用基于"滑窗最小二乘"的多項式擬合的方法，得到載體的位置隨時 間變化的函數(shù)。
[0016] 進一步的，步驟（3)中，根據(jù)設定的拍攝位置，計算"位置-時間"函數(shù)上距離設定 拍攝位置最近的點以及對應的時刻，作為該位置的拍攝時刻的預測值。
[0017] 進一步的，步驟（6)中，時序控制FPGA根據(jù)拍攝時刻預測值，協(xié)調拍攝過程中相移 補償機構、快門、CCD相機的拍攝時序，確保在CCD相機曝光過程中快門保持開啟，像移補償 機構進入有效工作區(qū)間。
[0018] 本發(fā)明的原理在于：
[0019] 系統(tǒng)組成及各部分功能：
[0020] 航測相機同步控制系統(tǒng)由機載位置和姿態(tài)測量系統(tǒng)（POS)、主控計算機、單片機、 時序控制FPGA、數(shù)字信號處理器（DSP)、C⑶相機、快門及像移補償機構組成。
[0021] POS系統(tǒng)輸出的內容包括兩部分：1.同步時間信號和對應的時刻信息，2.包含時 間信息的載體位置、姿態(tài)、速度的實時測量結果。
[0022] 同步時間信號直接連入時序控制FPGA作為外同步時鐘，對應的時刻信息經(jīng)過主 控計算機處理和單片機轉發(fā)后進入FPGA，用于對同步時間信號進行標識，進而建立起整個 系統(tǒng)的時間基準。由于POS輸出的時間信號頻率較低，一般為秒級，在FPGA內部需要對同 步時間信號進一步細分，得到高精度的系統(tǒng)時鐘，一般為微秒級。
[0023] 包含時間信息的載體位置、姿態(tài)、速度的實時測量結果輸入到主控計算機，主控計 算機依據(jù)載體的位置隨時間的變化關系，進行航跡擬合計算，得到載體的"位置-時間"曲 線表達式，進而計算曲線上距離目標拍攝點最近的點作為實際拍攝點，并得到載體到達該 點的時刻的預測值。
[0024] 主控計算機將預測的拍攝時刻以及相移補償速度等信息發(fā)送到單片機。單片機將 像移補償速度參數(shù)發(fā)送到數(shù)字信號處理器（DSP)用于像移補償機構的控制，將預測的拍攝 時刻發(fā)送到時序控制FPGA。FPGA依據(jù)本地系統(tǒng)時鐘對各個模塊協(xié)調控制，在預測的拍攝時 刻之前開啟機械快門并啟動的像移補償機構工作，在預測的拍攝時刻觸發(fā)CCD曝光成像， 完成一次定點拍攝過程。
[0025] 航跡擬合及拍攝時刻預測算法：
[0026] 綜合考慮算法的可靠性，實現(xiàn)的復雜程度以及航測相機實際工作條件等因素，選 擇滑窗（限定記憶）最小二乘多項式擬合算法進行載體航跡擬合計算。基本思想是：采用 多項式描述載體位置隨時間變化關系曲線，多項式的系數(shù)采用最小二乘的方法計算，依據(jù) 的是過去一段時間內的載體位置隨時間變化數(shù)據(jù)。
[0027] 假設主控計算機收到POS發(fā)送的最近的p個時刻的GPS位置隨時間變化的數(shù)據(jù) 表示為：(X1,Y1,h), (x2,y2,t2), . . .，（xp,yp,tp)。其中Xpyptj別表示經(jīng)度、煒度和時刻， W--Ktp0
[0028] 根據(jù)逼近原理：任意區(qū)間上的連續(xù)函數(shù)都可以用一個多項式去逼近。建立載體飛 行軌跡的運動模型，采用多項式逼近，分別在X和y方向上可以得到：
【主權項】
1. 一種航測相機定點拍攝預測控制方法，其特征在于：該控制方法利用的航測相機同 步控制系統(tǒng)包括機載位置和姿態(tài)測量系統(tǒng)POS、主控計算機、單片機、時序控制FPGA、數(shù)字 信號處理器DSPXCD相機、快門及像移補償機構，POS連接主控計算機，輸出測量信息；主控 計算機連接單片機，輸出控制指令及工作參數(shù)；單片機作為中轉，將指令及參數(shù)分別轉發(fā)到 DSP及時序控制FPGA;DSP控制像移補償機構運動；時序FPGA連接DSP、CXD相機、快門和 P0S，發(fā)出同步控制信號；所述的航測相機定點拍攝預測控制方法具體實現(xiàn)過程如下： (1) 機載位置和姿態(tài)測量系統(tǒng)提供航測相機載體當前的經(jīng)煒度位置、速度、姿態(tài)信息， 同時還輸出同步時間信號以及對應的時刻信息； (2) 主控計算機收到與同步時間信號對應的時刻信息，經(jīng)由單片機轉發(fā)到時序控制 FPGA； (3) 主控計算機收到帶時間戳的相機載體位置信息，以此為依據(jù)擬合計算相機載體的 運動軌跡，并根據(jù)定點拍攝中設定的拍攝點預測下一個拍攝時刻以及像移補償速度； (4) 主控計算機將預測結果發(fā)送到單片機，單片機將時間相關參數(shù)發(fā)送到時序控制 FPGA，將像移補償速度參數(shù)發(fā)送到DSP; (5)FPGA收到同步時間信號以及對應的時刻信息，建立航測相機同步控制系統(tǒng)時間基 準； (6)FPGA根據(jù)接收到的拍攝時刻參數(shù)，參照時間基準在指定時刻發(fā)出外同步脈沖，觸發(fā) 相移補償機構、CCD相機、快門同步工作，完成一次拍照。
2. 根據(jù)權利要求1所述的航測相機定點拍攝預測控制方法，其特征在于：步驟（5)中， 時序控制FPGA收到低精度的同步時間信號和對應的時刻信息，所述的低精度為秒級，通過 內部高精度時鐘進行細分，得到高精度的時間基準，所述的高精度為微秒級，以滿足定點拍 攝控制精度要求。
3. 根據(jù)權利要求1所述的航測相機定點拍攝預測控制方法，其特征在于：步驟（3)中， 主控計算機根據(jù)當前以及過去一段時間內相機載體位置隨時間變化的趨勢，采用基于"滑 窗最小二乘"的多項式擬合的方法，得到載體的位置隨時間變化的函數(shù)。
4. 根據(jù)權利要求1所述的航測相機定點拍攝預測控制方法，其特征在于：步驟（3)中， 根據(jù)設定的拍攝位置，計算"位置_時間"函數(shù)上距離設定拍攝位置最近的點以及對應的時 亥IJ，作為該位置的拍攝時刻的預測值。
5. 根據(jù)權利要求1所述的航測相機定點拍攝預測控制方法，其特征在于：步驟（6)中， 時序控制FPGA根據(jù)拍攝時刻預測值，協(xié)調拍攝過程中相移補償機構、快門、CCD相機的拍攝 時序，確保在CCD相機曝光過程中快門保持開啟，像移補償機構進入有效工作區(qū)間。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種航測相機定點拍攝預測控制方法，屬于航測相機技術領域。航測相機主控計算機依據(jù)機載POS系統(tǒng)輸出的位置隨時間變化的信息，采用滑窗最小二乘多項式擬合方法計算載體航跡，進而得到航跡上距離目標拍攝點最近的點以及到達時刻的預測值。相機時序控制FPGA依據(jù)POS系統(tǒng)輸出的時間同步信號建立系統(tǒng)時間基準，根據(jù)主控計算機計算的拍攝時刻預測值，控制相機像移補償機構、機械式快門、CCD協(xié)調工作，完成該目標拍攝點的曝光過程。本方法解決了航測相機在定點拍攝工作方式下實際拍攝點的計算，拍攝時刻預測以及各功能模塊同步控制問題。
【IPC分類】G03B15-00, G05B19-042
【公開號】CN104765224
【申請?zhí)枴緾N201510197360
【發(fā)明人】周黎, 劉光林
【申請人】中國科學院光電技術研究所
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2015年4月23日