臨近空間機載對地實時成像系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種地面實時成像系統(tǒng)，特別是一種高分辨率成像系統(tǒng)，該成像系統(tǒng) 搭載到臨近空間的無人機上，該系統(tǒng)包括光學相機陣列、機載數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和實時傳輸?shù)?圖像傳輸設(shè)備。在所述成像系統(tǒng)的外殼頂部安裝有可展開及閉合的遮光罩面罩，遮光罩對 日隨動以遮擋太陽雜散光。所述的光學相機陣列由四個鏡頭組成，每個鏡頭采用線陣CCD， 其中四個線陣CCD探測器分別錯開半個像元，隨著無人機的飛行實現(xiàn)對地物目標的掃描， 從而得到四幅不同空間位置的圖像，機載數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對每個相機得到的圖像進行拼接處 理，得到大視場范圍的高分辨率圖像，這樣就可以在不增加焦平面陣列探測器探測像素總 數(shù)的情況下，提高成像系統(tǒng)的分辨率，消除探測器因填充因子帶來的探測盲區(qū)。實時傳輸?shù)?圖像傳輸設(shè)備采用壓縮編碼對圖像進行壓縮將相機得到的圖像通過發(fā)射機發(fā)射到地面接 收系統(tǒng)，對圖像進行處理后并傳輸?shù)接脩?，最終實現(xiàn)地面目標的實時監(jiān)控。
【背景技術(shù)】
[0002] 所述臨近空間，是指位于20km~100km的高度，貫穿平流層、中間大氣層和電離層 的空間范圍。由于臨近空間平臺可在臨近空間長時間、持續(xù)飛行，且具有長時間滯空定點工 作、針對性強、偵察范圍廣、較航天平臺靠近地面等特點，能夠與預(yù)警飛機和偵察衛(wèi)星構(gòu)成 全維一體的偵察體系，發(fā)揮情報搜集的整體優(yōu)勢，實現(xiàn)對動目標連續(xù)監(jiān)視以及區(qū)域成像，因 此近幾年來得到了快速的發(fā)展。
[0003] 臨近空間飛行器包括平流層飛艇、浮空氣球和高空無人機等。隨著近年來人們對 臨近空間的重視，臨近空間飛行器技術(shù)逐漸成熟，臨近空間無線通信也越來越多地被人們 所關(guān)注。與航空平臺相比，它提供的覆蓋范圍更大，可以長時間的駐留，生存能力強，與衛(wèi)星 相比，其軌道較低，可進行高分辨率針對特定地區(qū)的長期連續(xù)定點目標探測或跟蹤，可作為 預(yù)警、戰(zhàn)區(qū)和熱點地區(qū)觀測平臺。
[0004] 目前機載高分辨率光電系統(tǒng)都具有小視場角，同等飛行高度下覆蓋的地面范圍相 對較小，這是光電系統(tǒng)使用的一個限制因素。隨著軍事偵察、國土資源勘查等軍民應(yīng)用領(lǐng) 域?qū)Ω叻直媛蔬b感圖像需求的不斷增加，低成本獲取高分辨率圖像成為當前遙感領(lǐng)域的研 究熱點。目前，為獲取高分辨率圖像的方法主要有增大相機光學焦距、降低載具飛行高度或 者減小探測器單個像元尺寸。但是，增大相機的焦距會使成像系統(tǒng)體積變大，而且光學零件 的加工難度也會增大，成本提高；而隨著載具飛行高度的降低，覆蓋的地面范圍也會隨之減 小；采用小像元尺寸的探測器可以充分發(fā)揮光學系統(tǒng)的成像潛力，但是目前的工藝水平已 經(jīng)使像元尺寸達到了它的極小值，隨著探測器像元尺寸減少，散粒噪聲也將會增大，像元接 收到的最小光照度減小，靈敏度降低。此外，這些方法均需要對硬件主系統(tǒng)進行升級改造， 成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決臨近空間機載成像系統(tǒng)高分辨率的問題，本專利提供一種新型地面實時 成像系統(tǒng)，搭載于臨近空間無人機上，通過改變探測器的采樣模式實現(xiàn)提高成像系統(tǒng)地面 像元分辨率，并將得到的圖像資料實時傳回到地面處理系統(tǒng)，從而達到實時監(jiān)控地面目標 的目的。優(yōu)選的，本發(fā)明所述的臨近空間機載地面實時傳輸成像系統(tǒng)視場角為6°，掃描幅 寬為2.lkm(飛行高度為20km)區(qū)域的圖像，可實現(xiàn)地面目標的實時監(jiān)控。
[0006] 本發(fā)明所述的成像系統(tǒng)由三部分組成：光學相機陣列、機載數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和實時 圖像無線傳輸系統(tǒng)。所述的光學相機陣列由四個相同的鏡頭組成，每個鏡頭采用線陣CCD， 由此形成四個CCD探測器，所述的四個CCD探測器分別錯開半個像元，從而得到不同空間位 置的圖像，整個成像系統(tǒng)前端配置遮光罩，在中央控制模塊及微型驅(qū)動電機的驅(qū)動下，實現(xiàn) 對日隨動，遮擋太陽雜散光。
[0007] 機載數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對每個相機得到的圖像進行拼接，從而得到大視場范圍的高分 辨率圖像，這樣就可以在不增加焦平面陣列探測器探測像素總數(shù)的情況下，系統(tǒng)的分辨率 最大可提高一倍，從而消除探測器因填充因子帶來的探測盲區(qū)。
[0008] 實時圖像無線傳輸系統(tǒng)包括機載微型發(fā)射機、直流電源、便捷式一體接收機。發(fā)射 機與成像系統(tǒng)連接，無線傳輸方式為遠程微波圖像傳輸方式，可無線同步傳輸數(shù)據(jù)信號和 圖像信號，所獲得的圖像實時、連續(xù)、無失真；所得的數(shù)據(jù)準確、可靠。傳輸距離遠（l〇km~ 100km)、覆蓋范圍大、可擴展性強，從而可實現(xiàn)實時高分辨率圖像的傳輸。
[0009] 本發(fā)明專利和現(xiàn)有的成像系統(tǒng)相比，具有如下優(yōu)點：
[0010] (1)可搭載于鄰近空間無人機上，具有時效性強、準確度高、范圍廣、機動靈活、針 對性強等特點；
[0011] ⑵配置對日隨動的遮光罩，以避免雜散光對相機陣列成像的影響；
[0012] (3)采用相機陣列，通過機載數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將相機獲得的進行圖像拼接獲得高分 辨率圖像；
[0013] (4)具有圖像無線發(fā)射機和地面接收機，可將機上獲得的圖像實時傳輸?shù)降孛娼?收系統(tǒng)，實現(xiàn)對地面目標的實時監(jiān)控。
【附圖說明】
[0014] 圖1是臨近空間機載地面實時成像系統(tǒng)組成示意圖。
[0015] 圖2是臨近空間機載地面實時成像系統(tǒng)剖面圖，圖中1表示卡環(huán)，2表示光學窗口， 3表7K光學相機，4表7K成像系統(tǒng)外殼，5表7K穩(wěn)定轉(zhuǎn)臺，6表7K光學相機的光學鏡片組，7表 不濾光片，8表τκ光學相機中的線陣CCD探測器，9表τκ光學相機中的鏡筒。
[0016] 圖3是卡環(huán)結(jié)構(gòu)圖，卡環(huán)用于將窗口玻璃固定在系統(tǒng)外殼中，卡環(huán)非常薄，所以對 通光孔徑只有微小的影響。圖中10表示圓形橡膠密封圈，橡膠密封圈作用有兩個：一是用 于封閉光學系統(tǒng)，二是保護光學窗口玻璃，圖中山表示卡環(huán)的厚度，山=20mm，d2 = 16mm, 山與d2之間的厚度為卡槽的厚度，圖中R!表示卡環(huán)的外徑，R! = 210mm, R2 = 206mm, R3 = 202mm其中札和R2之間的距離為螺紋的深度，R2和R3之間為卡槽，用于輔助卡環(huán)的安裝， 卡環(huán)的內(nèi)徑R4=200mm。
[0017] 圖4是遮光罩結(jié)構(gòu)原理圖，11表示在遮光罩與光學相機連接平面處，用于驅(qū)動遮 光罩主體對日隨動的微型電機安裝艙。12表τκ用于驅(qū)動遮光罩面罩的微型驅(qū)動電機安裝 艙。13表τκ遮光罩底部與驅(qū)動微型驅(qū)動電機相咬合的齒輪。圖中14表τκ遮光罩面罩，齒 輪13與安裝于遮光罩底部微型驅(qū)動電機的齒輪相咬合，實現(xiàn)由微型電機驅(qū)動遮光罩對日 360°隨動。15表τκ在遮光罩面罩背面安裝驅(qū)動電機與遮光罩面罩連接部件的安裝艙。
[0018] 圖5是遮光罩面罩結(jié)構(gòu)圖，圖中14表7K遮光罩面罩，15表7K在遮光罩面罩背面安 裝驅(qū)動電機與遮光罩面罩連接部件的安裝艙。
[0019]圖6是遮光罩遮光原理圖，4表7K成像系統(tǒng)外殼，14表7K遮光罩面罩，16表7K太陽 光線。當出現(xiàn)光學載荷與太陽夾角較小時，面罩可以根據(jù)計算得到的角度閉合，實現(xiàn)在一定 觀測視場內(nèi)目標的探測。
[0020] 圖7是C⑶排布方案示意圖，圖中17表示與光學相機陣列配套的(XD探測器1，18 表示與光學相機陣列配套的CCD探測器2,19表示與光學相機陣列配套的CCD探測器3, 20 表示與光學相機陣列配套的CCD探測器4,其中探測器17-20的像元大小皆為PXP，探測器 1與探測器3之間間隔η個像元且橫向錯開半個像元，探測器1與2在同一水平線上，之間 間隔至少為220_，為光學相機的安裝流出余量，探測器2與探測器4之間間隔η+1個像元 且橫向錯開半個像元，探測器3與4也在同一水平線上，之間間隔至少為220mm。
[0021] 圖8是光學相機采樣示意圖。
[0022] 圖9是圖像拼接過程，由光學相機陣列獲得的四幅低分辨率圖像拼接成一幅高分 辨率圖像的過程。
[0023] 圖10是數(shù)據(jù)的無線傳輸過程。
【具體實施方式】
[0024] 下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步說明，但