一种摆扫式多视角航空倾斜摄影相机及成像方法与流程

本发明涉及一种航空倾斜摄影相机，具体涉及一种能够在大速高比飞行条件下实现大视场高分辨率立体测绘的航空倾斜摄影相机及成像方法。

背景技术：

倾斜摄影技术是国际测绘领域近些年发展起来的一项高新技术，它颠覆了以往正摄影像只能从垂直角度拍摄的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从不同的角度采集影像，它不仅能够真实地反映地物情况，高精度地获取物方纹理信息，还可通过先进的定位、融合、建模等技术，生成真实的三维城市模型。

目前使用的航空倾斜摄影装置普遍采用多个内置相机，通过不同角度的摆放，实现多个角度拍摄，以获取地面的全景图像。或者为了减少整机重量和成本，采用转动内置相机实现多角度拍摄。

中国专利201310019024.7公开了一种经济型机载倾斜数码航空摄影系统，该系统包括前、后、左、右四个倾斜摄影单元、一个垂直摄影单元、连接底板、微型gps导航仪、系统控制器八部分组成。各摄影单元均由ccd工作相机、相机固定件、相机旋转座、相机防护罩组成，四个倾斜摄影单元可绕连接底板平面旋转多个角度，垂直摄影单元垂直固定于连接底板平面；相机控制线、电源线通过分线盒与系统控制器相连，gps导航仪数据输出端口与系统控制器相连。系统各器件除控制器外均固定在连接底板上，系统通过系统控制器实现等时或等距摄影及gps导航数据同步获取。该系统通过旋转摄影单元，实现多个角度拍摄，以获取地面的全景图像。

中国专利201510789184.9公开了一种单相机倾斜图像采集装置及采集方法。装置包括相机、连接飞行器的第一旋转关节以及连接相机的第二旋转关节；第一旋转关节包括电机一和旋转臂一，第二旋转关节包括电机二和旋转臂二；电机一连接旋转臂一固定端，旋转臂一自由端连接电机二，电机二连接旋转臂二固定端，相机固定安装在旋转臂二自由端；电机一带动旋转臂一沿第一方向转动，以调整相机的第一倾斜角度；电机二带动旋转臂二沿第二方向转动，以调整相机的第二倾斜角度；第一方向面与第二方向垂直。

上述技术方案的缺陷在于：

1、相机转动周期长，无法在大速高比飞行条件下进行大视场成像；

2、无法实现像移补偿，在大速高比飞行或较长曝光时间条件下，拍摄质量会严重下降；

3、为获得高清晰度图像，需要外接稳定平台，严重限制设备外包络，增加整体体积重量。

技术实现要素：

本发明解决了大速高比飞行条件下的大视场高分辨率立体测绘技术难题，并具有抗飞机姿态扰动的能力，解决思路如下：

本发明采用摆扫宽幅成像技术、像移补偿技术、复合稳定成像技术以及多相机视场拼接技术结合垂直摄影单元与倾斜摄影单元，实现了新型的航空倾斜摄影。摆扫宽幅成像技术利用横滚轴翼展方向高速高精度摆扫运动配合垂直摄影单元与倾斜摄影单元最多可获取地物目标左前视、左下视、左后视、正前视、正下视、正后视、右前视、右下视、右后视九个方向的影像，实现三维成像；像移补偿技术利用俯仰轴在相机工作期间沿飞行器飞行反方向转动，既可以补偿相机曝光期间飞行方向像移，避免在大速高比飞行情况下导致的成像像移，又可以保持摆扫扫描行沿翼展方向平行；复合稳定技术利用横滚、俯仰两轴结构，在摆扫与像移补偿运动的同时叠加姿态补偿命令，保证相机视轴不受飞行器姿态变化扰动；此外每组摄像单元可配多台相机利用视场拼接技术，同时相机在摆扫过程中多次曝光成像，可获得相当宽度的横向视场，即使在大速高比飞行情况下依旧可实现翼展方向较大的视场覆盖，解决了三维倾斜摄影中的大速高比和大视场高分辨率之间的矛盾。具体实现如下：

本发明具体结构如图1-2所示，包括基座1、俯仰环架2、横滚环架3、俯仰轴伺服电机4、横滚轴伺服电机5、姿态传感器6、垂直摄影单元7与倾斜摄影单元8。

基座1挂载于固定翼飞行器底部，横滚轴平行于飞行器飞行方向，俯仰轴平行于飞行器翼展方向，俯仰轴伺服电机4直接安装在俯仰轴上，俯仰环架2通过俯仰轴与基座1连接，横滚轴伺服电机5直接安装在横滚轴上，横滚环架3通过横滚轴与俯仰环架2连接，两个摄影单元均固定于横滚环架3，其中垂直摄影单元7采用垂直下视安装方式，倾斜摄影单元8采用20°～60°的前向倾斜安装方式，姿态传感器6设于基座1上，与基座1刚性连接，构成摆扫式多视角航空倾斜摄影相机结构。

其中垂直摄影单元7包含两台独立相机，两台独立相机的光轴共面且相对于飞行方向所在的竖直面对称，光轴交叉设置，保证两台相机视场有0.5°～2°重叠；倾斜摄影单元8同样包含两台独立相机，两台独立相机的光轴共面且相对于飞行方向所在的竖直面对称，光轴交叉设置，保证两台相机视场有0.5°～2°重叠。

摆扫宽幅成像及像移补偿具体工作方式为：当相机进行工作时，横滚轴伺服电机5带动横滚环架3进行垂直于载体运动方向的摆扫运动，摆扫至合适角度时停止，此时相机进行曝光成像，曝光完成后继续摆扫，至少在载机左、右两侧各进行一次曝光成像，曝光成像的同时俯仰轴伺服电机4带动俯仰环架2沿载体运动反方向依相同角速率运动，补偿曝光成像时载体运动导致的像移，同时保持摆扫扫描行沿翼展方向平行。

复合稳定工作原理具体工作方式为：当相机进行工作时，姿态传感器6采集飞行器实时姿态信息，控制器根据实时姿态信息在相机进行摆扫宽幅成像及像移补偿工作的同时叠加反向姿态变化命令，保证相机视轴不受飞行器姿态变化扰动。

根据本发明的另一种具体实施方式，倾斜摄影相机具体工作方式如图3所示，飞行器沿水平对飞航线飞行，开始成像时，成像模组随横滚环架稳定在飞行器左侧，此时垂直摄影单元与倾斜摄影单元所有相机联动曝光成像，获得目标右下视、右前视图像，曝光完成后横滚环架带动成像模组快速摆动至飞行器正下方，再次曝光成像获取目标正下视、正前视图像，然后再次摆动停止在飞行器右侧，获取目标左下视、左前视图像，最后反方向快速返回起始位置，进行下一个周期的工作。期间，俯仰轴在横滚轴正向摆动时沿飞行器飞行反方向转动，转动角速率与飞行角速率相同，补偿飞行方向像移，同时保持摆扫扫描行沿翼展方向平行，并在横滚轴快速回位的同时回位。在摆扫与像移补偿运动的同时，控制器根据飞行器姿态信息叠加姿态补偿命令，保证相机视轴不受飞行器姿态变化扰动。在下一条对飞航线，又可以获取目标左后视、正后视与右后视的图像，最终实现地面目标九视角图像获取，实现了大速高比条件下的大视场高分辨率立体测绘。

附图说明

图1是摆扫式多视角倾斜摄影相机结构的正视图；

图2是摆扫式多视角倾斜摄影相机结构的仰视图；

其中：1.基座；2.俯仰环架；3.横滚环架；4.俯仰轴电机；5.横滚轴电机；6.姿态传感器；7.垂直摄影单元；8.倾斜摄影单元。

图3是倾斜摄影相机工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合图1-2给出本发明的一个较佳实施例：

本实施例包含四台相同的独立相机，每台相机视场角为54.4°x37.8°，将每两台相机短边进行拼接，视场重叠角2°，拼接后的两个摄影单元视场角为54.4°x73.6°，其中垂直摄影单元采用垂直下视安装方式，倾斜摄影单元采用45°前向倾斜安装方式，两个摄影单元均以长边置于翼展方向，成像工作时，行内重叠率为35％，一个周期内两次摆扫成像可获得121.4°的翼展视场，行间重叠率为75％，最高可适应0.3的速高比，同时复合了稳定平台的功能，实现了大速高比条件下的大视场高分辨率立体测绘，并具有抗飞机姿态扰动的能力。

虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。