一种航测相机定点拍摄预测控制方法

摘要

本发明公开了一种航测相机定点拍摄预测控制方法，属于航测相机技术领域。航测相机主控计算机依据机载POS系统输出的位置随时间变化的信息，采用滑窗最小二乘多项式拟合方法计算载体航迹，进而得到航迹上距离目标拍摄点最近的点以及到达时刻的预测值。相机时序控制FPGA依据POS系统输出的时间同步信号建立系统时间基准，根据主控计算机计算的拍摄时刻预测值，控制相机像移补偿机构、机械式快门、CCD协调工作，完成该目标拍摄点的曝光过程。本方法解决了航测相机在定点拍摄工作方式下实际拍摄点的计算，拍摄时刻预测以及各功能模块同步控制问题。

权利要求

1.一种航测相机定点拍摄预测控制方法，其特征在于：该控制方法利用的航测相机同步控制系统包括机载位置和姿态测量系统POS、主控计算机、单片机、时序控制FPGA、数字信号处理器DSP、CCD相机、快门及像移补偿机构，POS连接主控计算机，输出测量信息；主控计算机连接单片机，输出控制指令及工作参数；单片机作为中转，将指令及参数分别转发到DSP及时序控制FPGA；DSP控制像移补偿机构运动；时序FPGA连接DSP、CCD相机、快门和POS，发出同步控制信号；所述的航测相机定点拍摄预测控制方法具体实现过程如下：(1)机载位置和姿态测量系统提供航测相机载体当前的经纬度位置、速度、姿态信息，同时还输出同步时间信号以及对应的时刻信息；

(2)主控计算机收到与同步时间信号对应的时刻信息，经由单片机转发到时序控制FPGA；

(3)主控计算机收到带时间戳的相机载体位置信息，以此为依据拟合计算相机载体的运动轨迹，并根据定点拍摄中设定的拍摄点预测下一个拍摄时刻以及像移补偿速度；

(4)主控计算机将预测结果发送到单片机，单片机将时间相关参数发送到时序控制FPGA，将像移补偿速度参数发送到DSP；

(5)FPGA收到同步时间信号以及对应的时刻信息，建立航测相机同步控制系统时间基准；

(6)FPGA根据接收到的拍摄时刻参数，参照时间基准在指定时刻发出外同步脉冲，触发相移补偿机构、CCD相机、快门同步工作，完成一次拍照；

步骤(5)中，时序控制FPGA收到低精度的同步时间信号和对应的时刻信息，所述的低精度为秒级，通过内部高精度时钟进行细分，得到高精度的时间基准，所述的高精度为微秒级，以满足定点拍摄控制精度要求；

步骤(3)中，主控计算机根据当前以及过去一段时间内相机载体位置随时间变化的趋势，采用基于“滑窗最小二乘”的多项式拟合的方法，得到载体的位置随时间变化的函数；

步骤(3)中，根据设定的拍摄位置，计算“位置-时间”函数上距离设定拍摄位置最近的点以及对应的时刻，作为该位置的拍摄时刻的预测值；

步骤(6)中，时序控制FPGA根据拍摄时刻预测值，协调拍摄过程中相移补偿机构、快门、CCD相机的拍摄时序，确保在CCD相机曝光过程中快门保持开启，像移补偿机构进入有效工作区间。

说明书

一种航测相机定点拍摄预测控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及航空测绘相机中实现定点拍摄预测和控制的方法，特别涉及对航测相机目标拍摄点的拍摄时刻进行预测计算、对相机各功能模块进行同步控制的方法，属于航空测绘相机技术领域。

背景技术

[0002] 随着航空技术的迅速发展，航测相机的应用领域不断扩宽，对航测相机的功能提出了新的要求。航测相机传统的工作方式是只设定拍摄航线和航向重叠率，对拍摄点不作要求，由航测相机在满足重叠率的前提下自行控制相机曝光。在该工作方式下，相机实际的拍摄位置具有随机性且不可重复，不便于进行数据管理和事后的图像处理。

[0003] 为了弥补传统工作方式的不足，在新一代航测相机的研制中提出了定点拍摄的工作方式。定点拍摄工作方式是根据航测相机载体的飞行高度和速度，结合相机的视场角、最大拍摄帧频率等参数，并考虑拍摄的航向重叠率要求，预先设定一系列拍摄点(经纬度坐标)，形成作业文件。在实际工作中，航测相机依据作业文件，当载体运动到达设定的拍摄点时触发CCD曝光成像。

[0004] 相对于航测相机传统的工作方式，定点拍摄方式的优点包括：预先对整个拍摄过程进行了详细的规划，便于对作业过程进行管理和控制；由于拍摄点预先设定，相邻航带上的拍摄点位置关系是确定的，便于后期进行图像拼接；同时拍摄的图像帧数也是确定的，便于进行图像数据管理；由于拍摄点确定，任意航带的拍摄过程是可重复的，方便进行补拍；通过对拍摄点的灵活设定，可满足航测相机在不同应用领域的功能需求，有利于扩展航测相机的应用范围。

[0005] 航测相机定点拍摄工作方式的实现要解决以下两个主要问题：1.航测相机载体的实际运动轨迹无法严格遵循设定的航线，当设定的目标拍摄点无法达到时需要选择与目标拍摄点最接近的点作为实际拍摄点；2.航测相机系统中的机械式快门和相移补偿机构需要提前启动工作，才能保证在CCD曝光的时刻快门完全开启，相移补偿机构进入有效工作区间，因此要对到达拍摄点的时刻进行预测。

发明内容

[0006] 为了解决航测相机定点拍摄工作方式下实际拍摄点的计算，拍摄时刻预测以及各功能模块同步控制问题，本发明设计了一种基于载体航迹拟合的航测相机定点拍摄预测控制方法。

[0007] 本发明采用的技术方案如下：一种航测相机定点拍摄预测控制方法，其特征在于：该控制方法利用的航测相机同步控制系统包括机载位置和姿态测量系统(即POS)、主控计算机、单片机、时序控制FPGA、数字信号处理器(即DSP)、CCD相机、快门及像移补偿机构，POS连接主控计算机，输出测量信息；主控计算机连接单片机，输出控制指令及工作参数；单片机作为中转，将指令及参数分别转发到DSP及时序控制FPGA；DSP控制像移补偿机构运动；时序FPGA连接DSP、CCD相机、快门和POS，发出同步控制信号；所述的航测相机定点拍摄预测控制方法具体实现过程如下：

[0008] (1)机载位置和姿态测量系统提供航测相机载体当前的经纬度位置、速度、姿态信息，同时还输出同步时间信号以及对应的时刻信息；

[0009] (2)主控计算机收到与同步时间信号对应的时刻信息，经由单片机转发到时序控制FPGA；

[0010] (3)主控计算机收到带时间戳的相机载体位置信息，以此为依据拟合计算相机载体的运动轨迹，并根据定点拍摄中设定的拍摄点预测下一个拍摄时刻以及像移补偿速度；

[0011] (4)主控计算机将预测结果发送到单片机，单片机将时间相关参数发送到时序控制FPGA，将像移补偿速度参数发送到DSP；

[0012] (5)FPGA收到同步时间信号以及对应的时刻信息，建立航测相机同步控制系统时间基准；

[0013] (6)FPGA根据接收到的拍摄时刻参数，参照时间基准在指定时刻发出外同步脉冲，触发相移补偿机构、CCD相机、快门同步工作，完成一次拍照。

[0014] 进一步的，步骤(5)中，时序控制FPGA收到低精度的同步时间信号和对应的时刻信息，所述的低精度为秒级，通过内部高精度时钟进行细分，所述的高精度为微秒级，得到高精度的时间基准，以满足定点拍摄控制精度要求。

[0015] 进一步的，步骤(3)中，主控计算机根据当前以及过去一段时间内相机载体位置随时间变化的趋势，采用基于“滑窗最小二乘”的多项式拟合的方法，得到载体的位置随时间变化的函数。

[0016] 进一步的，步骤(3)中，根据设定的拍摄位置，计算“位置-时间”函数上距离设定拍摄位置最近的点以及对应的时刻，作为该位置的拍摄时刻的预测值。

[0017] 进一步的，步骤(6)中，时序控制FPGA根据拍摄时刻预测值，协调拍摄过程中相移补偿机构、快门、CCD相机的拍摄时序，确保在CCD相机曝光过程中快门保持开启，像移补偿机构进入有效工作区间。

[0018] 本发明的原理在于：

[0019] 系统组成及各部分功能：

[0020] 航测相机同步控制系统由机载位置和姿态测量系统(POS)、主控计算机、单片机、时序控制FPGA、数字信号处理器(DSP)、CCD相机、快门及像移补偿机构组成。

[0021] POS系统输出的内容包括两部分：1.同步时间信号和对应的时刻信息，2.包含时间信息的载体位置、姿态、速度的实时测量结果。

[0022] 同步时间信号直接连入时序控制FPGA作为外同步时钟，对应的时刻信息经过主控计算机处理和单片机转发后进入FPGA，用于对同步时间信号进行标识，进而建立起整个系统的时间基准。由于POS输出的时间信号频率较低，一般为秒级，在FPGA内部需要对同步时间信号进一步细分，得到高精度的系统时钟，一般为微秒级。

[0023] 包含时间信息的载体位置、姿态、速度的实时测量结果输入到主控计算机，主控计算机依据载体的位置随时间的变化关系，进行航迹拟合计算，得到载体的“位置-时间”曲线表达式，进而计算曲线上距离目标拍摄点最近的点作为实际拍摄点，并得到载体到达该点的时刻的预测值。

[0024] 主控计算机将预测的拍摄时刻以及相移补偿速度等信息发送到单片机。单片机将像移补偿速度参数发送到数字信号处理器(DSP)用于像移补偿机构的控制，将预测的拍摄时刻发送到时序控制FPGA。FPGA依据本地系统时钟对各个模块协调控制，在预测的拍摄时刻之前开启机械快门并启动的像移补偿机构工作，在预测的拍摄时刻触发CCD曝光成像，完成一次定点拍摄过程。

[0025] 航迹拟合及拍摄时刻预测算法：

[0026] 综合考虑算法的可靠性，实现的复杂程度以及航测相机实际工作条件等因素，选择滑窗(限定记忆)最小二乘多项式拟合算法进行载体航迹拟合计算。基本思想是：采用多项式描述载体位置随时间变化关系曲线，多项式的系数采用最小二乘的方法计算，依据的是过去一段时间内的载体位置随时间变化数据。

[0027] 假设主控计算机收到POS发送的最近的p个时刻的GPS位置随时间变化的数据表示为：(x1,y1,t1),(x2,y2,t2),...,(xp,yp,tp)。其中xi、yi、ti分别表示经度、纬度和时刻，t1

[0028] 根据逼近原理：任意区间上的连续函数都可以用一个多项式去逼近。建立载体飞行轨迹的运动模型，采用多项式逼近，分别在x和y方向上可以得到：

[0029]

[0030] 最小二乘法，求解到以上p个点的距离平方和最小的轨迹的函数。以x方向为例，距离平方和的表达式为：

[0031]

[0032] 使I值最小的多项式系数ai应满足的必要条件为：

[0033]

[0034] 式中i＝0,1,…,n，整理后得到求解多项式系数a0,a1,…,an的方程组，用矩阵表示为：

[0035]

[0036] 求解该方程组，则得到了拟合的航迹多项式系数。

[0037] 要计算航迹距离定点拍摄的目标点最近的位置以及到达时刻，设目标点的坐标为：(xT,yT)，轨迹上的点(x,y)到目标点的距离为：

[0038]

[0039] 令L2最小的t值，应满足必要条件：

[0040]

[0041] 根据(6)式可得到关于t的方程，求解即可得到载体到达距离目标点最近的位置的时刻的预测值。

[0042] 在航测相机的工作过程中，载体一般沿设定航带保持平飞。在固定的较短时间区间内，可以认为载体具有较为平稳的运动状态，无剧烈的速度和加速度变化，因此，选择一阶或二阶多项式即可较好逼近载体航迹，得到满足精度要求的预测结果。

[0043] 本发明的积极效果：

[0044] 本发明设计了一种航测相机定点拍摄工作模式的实现方法。该方法通过POS测量航测相机载体运动位置随时间的变化，采用滑窗最小二乘多项式拟合算法得到载体运动的“位置-时间”函数，进而求解距离设定拍摄点最近的位置以及到达时刻，解决了通常情况下设定目标点无法达到时实际拍摄点以及拍摄时刻的预测问题。该方法利用POS的同步时间信号输出建立高精度的系统时间基准，将拍摄位置控制转换为拍摄时刻控制，利用时序控制FPGA协调航测相机各部分的工作时序，确保在预测时刻航测相机完成曝光成像。本发明解决了航测相机定点拍摄预测及同步控制问题，实现简单，稳定可靠，应用前景广阔。

附图说明

[0045] 图1为航测相机同步控制系统组成示意图；

[0046] 图2为航测相机定点拍摄时刻预测计算流程图；

[0047] 图3为载体航迹一阶多项式拟合及拍摄点预测计算示意图；

[0048] 图4为航测相机同步控制时序图。

具体实施方式

[0049] 下面结合附图和具体实施例，对本发明进一步说明。

[0050] 如图1所示，航测相机的同步控制系统由POS、主控计算机、单片机、时序控制FPGA、数字信号处理器(DSP)、CCD相机、机械快门及像移补偿机构组成。

[0051] POS采用的是Applanix公司生产的Position and Orientation System for Airborne Vehicles(POS AV)，配置为10Hz的频率输出位置姿态周期测量数据帧。POS输出一个PPS信号，其下降沿与GPS时间的秒一致，与之对应的输出一帧时间信息用于时间恢复。POS接收一个EVNT事件触发信号，在EVNT脉冲上升沿时刻将当前测量数据打包形成EVNT数据帧输出，以获取事件触发时刻的系统状态。

[0052] 主控计算机采用通用PC平台，运行航测相机主控软件，接收POS输出的各类数据帧。主控软件将同步时间信息处理为UTC秒数，经单片机转发到时序控制FPGA。主控软件保存最近一段时间之内的周期测量数据帧中的位置和时刻信息用于航迹拟合和拍摄点、拍摄时刻预测计算，所有数据帧中的时间信息以及预测的定点拍摄时刻均处理为UTC秒数，以保证与时序控制FPGA中的时间基准一致。航测相机定点拍摄时刻预测计算流程如图2所示。主控软件读取作业文件，获取下一个拍摄目标点的位置，每收到一帧周期测量数据帧完成一次预测计算，将预测的拍摄时刻tT与当前时刻t比较，若时间差小于设定的阈值TTH，如1秒，则将拍摄时刻预测结果，结合曝光时间长度、相移补偿速度参数发送到单片机。该点曝光完成后，从作业文件中获取下一个目标拍摄点。重复上述过程，直到完成航带上所有目标点的拍摄。

[0053] 航测相机载体在进入航带后基本保持匀速直线运动状态，考虑到计算量、计算速度以及可靠性等因素，选择一阶多项式拟合载体航迹，如图3所示。根据(6)式，在采用一阶多项式的情况下，预测拍摄时刻tT的计算表达式为：

[0054]

[0055] 单片机选择NXP公司的P89LPC952，主要完成数据中转，将像移补偿速度参数发送到DSP用于相移补偿机构控制，将UTC秒计数值、拍摄时刻、曝光时长等参数发送到时序控制FPGA。

[0056] DSP采用TI公司的TMS320LF2407A，用于控制像移补偿机构运动。像移补偿机构采用凸轮式结构，需要在CCD曝光之前提前启动加速，以确保在曝光期间凸轮以设定的像移补偿速度进入有效工作区间。

[0057] 时序控制FPGA选用Xilinx公司的Spartan-3系列X3S200。FPGA接收POS发出的PPS秒同步信号，结合单片机转发的UTC秒计数值，建立起系统工作的时间基准。由于秒级时间精度无法满足需求，FPGA采用本地时钟对秒计数细分，得到1微秒的计时精度。FPGA所有的时序控制都依据该时间基准进行。

[0058] 系统的工作时序如图4所示。在PPS信号的下降沿对内部秒计数器加1，微秒计数器清0。FPGA接收到的同步时钟信息经过主控软件处理之后为UTC秒数，由于同步时钟信息在传输和处理过程中的延迟，FPGA收到的UTC秒数实际上对应于上一个PPS同步信号的下降沿。因此，在FPGA进行秒计数时对UTC秒数进行加1的处理后才是实际的系统时间。在相移补偿机构的启动时刻tFMC_START，FPGA向DSP发出FMC启动信号，触发DSP启动凸轮机构的运转。tFMC_START的值由主控计算机根据预测拍摄时刻以及相移补偿速度计算得到。本航测相机使用的大面阵CCD为全帧转移型，曝光过程由机械快门与CCD触发信号共同控制。在预测的拍摄时刻到达之前，FPGA使能快门开启信号有效，触发快门打开。由于机械快门响应延迟，为保证在拍摄时刻快门完全开启，快门触发信号使能的时刻tSHUT_OPEN一般在拍摄时刻之前
20ms以上。在预测拍照的时刻tSHOOT之前100μs，FPGA使能CCD触发信号，在100μs的时间内CCD完成全帧复位，释放无效电荷，在tSHOOT时刻开始光积分，同时，FPGA向POS发送EVNT触发信号，将拍照时刻的时间、载体位置、姿态、速度等信息输出和记录用于事后图像处理。触发快门关闭的时刻tSHUT_CLOZ为CCD开始光积分的时刻加上曝光时间，减去快门的响应延迟时间一般为3ms以内。快门的反馈信号在快门开启程度为80％的时候有效，当FPGA检测到快门反馈信号无效之后，再延迟一段时间，确保快门完全关闭，再将CCD触发信号置为无效，完成CCD的光积分，并开始电荷转移输出。实际的CCD曝光时间TINT从CCD开始光积分时开始，到快门
50％关闭时结束。

[0059] 以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，凡在本发明精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。