面陣航偵CCD相機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其圖像拼接技術(shù)研究.pdf

1、航偵相機(jī)作為航空偵察的主要設(shè)備之一，歷來都是各國空軍研究、發(fā)展的重點(diǎn)。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，新的武器裝備和作戰(zhàn)理論不斷涌現(xiàn)，對航偵相機(jī)提出了許多新的技術(shù)要求。因此，根據(jù)現(xiàn)階段航偵任務(wù)要求研制面陣航偵CCD相機(jī)，對提高我國航空偵察能力有著重要的意義。正是在這種背景下，本文依據(jù)某研究所與哈爾濱工業(yè)大學(xué)合作的“面陣航偵CCD相機(jī)系統(tǒng)”研制任務(wù)要求，從保證相機(jī)圖像質(zhì)量，提高相機(jī)視場要求出發(fā)，在利用單CCD掃描方案設(shè)計(jì)面陣航偵CC

2、D相機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，研究了此類航偵相機(jī)中的像移、圖像重疊率波動以及圖像拼接問題。主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面：
　　首先，文中在分析比較現(xiàn)有航偵CCD相機(jī)設(shè)計(jì)方案優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過借鑒膠片式航偵相機(jī)研制經(jīng)驗(yàn)，采用臥式掃描結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款面陣航偵CCD相機(jī)；并依據(jù)相機(jī)工作原理和中心投影變換理論，在定義合適的坐標(biāo)系后，建立了相機(jī)理想成像模型，推導(dǎo)了相機(jī)成像參數(shù)與圖像重疊率的關(guān)系表達(dá)式。相機(jī)視場角計(jì)算的結(jié)果表明，這種相機(jī)方案能夠有效提高

3、相機(jī)視場，可滿足航偵任務(wù)大視場要求。
　　其次，針對影響這類航偵相機(jī)圖像質(zhì)量的像移因素，依據(jù)像移成因，利用相機(jī)成像模型，分別建立了前向像移和姿態(tài)擾動像移數(shù)學(xué)模型；并在量化分析像移與擾動量和成像傾角關(guān)系的基礎(chǔ)上，分別采用電子式和光學(xué)式補(bǔ)償方法設(shè)計(jì)了前向像移補(bǔ)償系統(tǒng)，以及滾動和俯仰方向上的姿態(tài)擾動像移補(bǔ)償系統(tǒng)。相機(jī)在某次飛行測試中獲取的一組航測圖像表明，上述像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)能夠有效抑制航偵相機(jī)像移，保證圖像質(zhì)量滿足相機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

4、>　　接著，針對這類面陣航偵CCD相機(jī)圖像重疊率受擾動因素影響的特點(diǎn)，以齊次坐標(biāo)的形式建立了圖像序列2D變換模型，研究了航向、航側(cè)圖像重疊率波動幅度與成像間隔和各擾動量之間的關(guān)系，并在綜合考慮成像參數(shù)對像移和圖像重疊率影響的基礎(chǔ)上，給出了相機(jī)掃描角間隔、時間間隔和航道數(shù)，以及利用這些參數(shù)計(jì)算得到的圖像重疊率波動幅度范圍。航測中獲取的相連3航道圖像序列表明，相機(jī)圖像序列之間都存在一定的重疊率，可滿足圖像拼接處理要求。
　　最后，針對

5、這類航偵相機(jī)圖像序列變換特性可近似為平移變換的特點(diǎn)，按圖像拼接處理步驟，在利用雙線性插值策略設(shè)計(jì)一種圖像平滑算法的基礎(chǔ)上，分別研究了基于目標(biāo)邊緣特征配準(zhǔn)，以及基于模板匹配配準(zhǔn)的圖像拼接方法。其中，前者通過 Canny算子和Hough變換提取圖像中目標(biāo)的直線邊緣特征，并取此邊緣特征的交點(diǎn)為圖像配準(zhǔn)點(diǎn)，完成圖像拼接處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)圖像序列重疊區(qū)域中存在符合條件的目標(biāo)時，該拼接方法具有配準(zhǔn)精度高、拼接效果好的優(yōu)點(diǎn)。為了彌補(bǔ)這種拼接方法在

6、航偵圖像中存在通用性不足的問題，文中又以歸一化相關(guān)系數(shù)為模板匹配測度，提出了一種基于仿射變換的模板匹配圖像拼接方法。雖然該方法具有通用性好，算法簡單和重復(fù)性誤差低的優(yōu)點(diǎn)，但是其數(shù)據(jù)處理量相對較大，配準(zhǔn)精度與匹配參考模板選擇有關(guān)。為了剔除模板匹配拼接過程中的誤匹配情形，提高此類圖像拼接方法的處理速度，文中通過引入Sobel算子選擇匹配參考模板，還提出了一種基于Sobel算子和仿射變換的模板匹配圖像拼接方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的模板匹配圖