虚拟仪器在航空相机动态分辨力检测中的应用_王强.pdf

第 卷第期 年月光学技术 文章编号：（）虚拟仪器在航空相机动态分辨力检测中的应用王强，尹晶，刘旭，刘春艳（长春电子科技学院 电子工程学院，长春 ）摘要：航空相机动态分辨力检测系统用于在实验室内模拟飞机飞行过程中地物相对飞机运动状态，实现针对航空相机在进行动态照相时的分辨力的检测。主要研究基于 的动态分辨力检测系统的虚拟仪器技术与运动控制技术，根据航空相机像移速度方程设计了动态目标模拟的运动曲线，采用摩擦波动补偿算法改进了常规的 控制算法完成运动曲线中的高精度匀速段的直线电机控制。系统实现了动态图形匀速直线运动速度范围 ，匀速段瞬时速度误差，平均速度波动误差。关键词：航空相机；动态分辨力；伺服直线电机；摩擦波动补偿；中图分类号：文献标识码：，（，）：，：；引言随着光电技术在航空航天领域、自动化和国防建设等领域的飞速发展，航空相机等光电探测设备的研发与相关核心技术的研究俨然成为我国军用航空装备发展的重要方向，同时对这类光电探测设备的分辨率、跟踪带宽等技术指标也提出了越来越高的要求，其动态分辨率检测也相应地成了亟待解收稿日期：；收到修改稿日期：作者简介：王强（），男，讲师，从事自动化控制、智能控制等研究。尹晶（），女，副教授，从事自动化检测、智能控制等研究。通讯作者：DOI:10.13741/ki.11-1879/o4.2023.02.016决的问题。在进行分辨率、跟踪带宽等参数的检测时，要求检测系统在具备高分辨率、高精度的同时保证较高的频率响应以及实时性。航空相机动态分辨力检测系统产生变速直线运动的动态目标，以模拟相对航空相机的地面景物的像移运动，以实现在实验室对航空相机的像移补偿精度、动态分辨力等性能指标的检测。航空相机动态分辨力检测系统集光、机、电、算一体化的高精度专用检测设备，是光电侦察设备在实验室内进行动态精度检测不可或缺的地面专用检测设备之一。从 年代开始，美国和欧洲就已经开始大量使用半实物仿真动态目标用于检测航空相机等设备的分辨率等相关参数。美国导弹指挥仿真中心研发了高精度无限远动态电子目标发生装置，为 阿帕奇武装直升机下挂的光电吊舱火控设备提供检测目标源。国内在光电跟踪系统以及航空相机的分辨率检测与跟踪精度检测方面也做出了大量的研究。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吴国栋研究员在 年研发了航空相机动态分辨力测试用模拟动态目标发生器，在实验室内隔振平台上建立动态模拟目标，实现动态分辨率的检测，测定航空相机的像移补偿精度。年西北工业大学张凯等采用微反射镜阵列设计开发了基于 的动态红外目标模拟器系统，该模拟器目前应用于某型红外成像导引头半实物仿真测试系统中，逼真度和实时性高。年长春理工大学刘宝平等采用重复控制算法与常规 算法复合的控制算法对伺服直线电机进行控制，应用在动态目标模拟系统中的运动装置。年中国科学院光电研究院郭晓晓等针对空间目标动态光学特性模拟器，基于运动控制器 采用 陷波滤波器算法实现一套完整的多轴运动控制系统。通过对上述动态目标模拟系统以及相应的控制算法的研究现状的调研，文献 将动态目标固定在回转台上并放置于准直光学系统的焦平面处，但是转台的回转轨迹是一个近似于直线的弧段，回转至边界时会导致动态目标处于离焦状态。文献 所述的动态目标控制算法精度非常高，但是当动目标源负载较大时，由于伺服电机的推力拨纹、直线轨道摩擦波动、负载扰动等因素会造成推力波动和摩擦波动，影响速度平稳性，一部分控制算法加入了过度的滤波器，并不适用于具有一定负载的宽范围高速段落小波动 的 运 动 控 制。本 文 介 绍 了 一 种 以 为上位机开发平台的航空相机动态分辨力检测系统，采用固高控制器驱动的直线电机控制其按照预设的位移轨迹运动应用于动态分辨力检测系统，并采用 控制算法以及摩擦波动补偿算法对直线电机进行了高精度、高稳定性的匀速控制，完成运动曲线中的高精度匀速段的直线电机控制，所介绍的方法与控制算法同样可应用于高精定位或对负载移动轨迹要求较高的场合。动态分辨力检测系统组成与检测原理航空相机一般吊装固定在在飞机上，随着飞行过程完成对地面目标的拍摄。在飞行过程中，航空相机与地面景物之间产生相对移动，使得相机拍摄中与像面产生像移，影响成像质量。因此，单纯地去考察航空相机的静态分辨力不足以体现该相机的性能优劣，还需要对其动态分辨力指标进行检测。本文所研究的动态分辨力检测系统的组成如图所示。图动态目标发生器系统组成与原理航空相机动态分辨力检测系统由动态目标源、平行光管、和电子学控制及图像处理系统等部分组成。航空相机吊挂在摇摆台上，相机入瞳接收经过反射镜折转光路后的动态分辨力（鉴别率板）图像并进行拍摄。动态目标源由光源、动态分辨力图形、精密直线导轨、光栅尺、基台组成，光源照亮动态分辨力图形，经过平行光管后出射平行光以模拟无限远的动态目标。由控制台发出指令，使动态目标源沿着精密直线导轨做相应的直线往复运动，同时光栅尺实时监测目标源的绝对位置。航空相机通过折转反射镜、平行光管对动态目标源中的鉴别率板进行扫描拍照，最终通过图像处理系统的适时监控、显示与记录，则可分析航空相机的工作状态及动态分辨力精度。动态图形运动曲线设计航空相机动态分辨力检测系统模拟飞机飞行姿态并以特定的速、高比模拟飞行运动，当直线伺服电第期王强，等：虚拟仪器在航空相机动态分辨力检测中的应用机牵引动态分辨力图形加速达到预设的速高比后，进入匀速段保持一段时间，期间航空相机启动前像移补偿机构，当前向像移补偿机构达到补偿最佳状态时对模拟的动态目标进行拍照，根据所拍摄的分辨率板的空间分辨率情况检测航空相机的动态分辨力指标。动态分辨力图形的运动轨迹分为以下个阶段：匀加速阶段；匀速阶段（检测阶段）；匀减速至终点阶段；加速回程阶段；减速回程至起点。综上所述，动态目标模拟的运动曲线设计如图所示。图动态分辨力图形运动曲线根据航空相机像移速度方程，设飞机以速度飞行，飞行高度为，航线角为。地面景物相对于飞机的前向像移速度为 （）式中，为光电吊舱内相机镜头焦距；为航线角。地面景物相对于飞机的前向像移速就作为动态目标匀速段的电机速度，匀速段对应运动曲线中的，带入某特定航线角与相机焦距后，匀速段电机的速度为直线电机 （）（）需要注意的是，在匀速段运动过程中，电机相邻两次到达位置的时间间隔必须为被航空相机拍摄周期的整数倍，即动态目标模拟系统化匀速段时间间隔足够相机至少进行一次完整的拍摄过程，被检航空相机拍摄周期（即检测周期）为.（）（）（）式中，为光电吊舱所拍摄图片的幅宽；为所拍摄图片的纵向重叠率。根据上述分析计算，在 图形化编程环境下结合 计算脚本将电机匀速段电机速度电机速度、检测周期以及运动曲线的各阶段行程与时间编写程序框图如图所示，其中飞行速度、飞行高度、镜头焦距、幅宽以及重叠率均作为数据输入控件显示在前面板中。图动态分辨力图形运动曲线程序框图直线伺服电机控制算法与实现航空相机动态分辨力检测系统的中动态分辨力图形由直线伺服电机带动沿着平行光管光轴的法向方向做往复运动，运动过程中非匀速段行程均采用常规的 控制算法。直线电机的控制采集卡选用了固高科技 运动控制卡，其中直线电机的控制系统的电流环带宽通常比较大，所以简化电流闭环为线性的比例控制，同时简化速度环为经典的微分积分控制，综上简化后的 控制模型如图所示。图简化后的 控制模型其中，频域下的速度环控制器的传递函数为（）（）（）式中，为速度环前馈比例系数；为积分时间常数。频域下的位置环控制器的传递函数为（）（）（）（）在匀速段控制过程中，由于直线导轨移动过程中的摩擦扰动、负载扰动等因素会造成移动速度不平稳，采用常规的 控制很难控制匀速段高精度的速度平稳性，采用常规的 控制算法后的速度位移曲线如图所示。由图观察可知，常规控制方法的匀速段平均速度误差为 ，瞬时误差达到了 ，显然超过了系统要求的技术指标要求。所以在 控制模型前增加摩擦力波动补偿模块，此模块控制器也集成在了 运动控制卡中。增加摩擦力波动补偿模块后的控制框图如图所示。光学技术第 卷图常规 控制下的位移速度曲线图摩擦波动补偿的 控制模型其中摩擦波动补偿模块为一个具有确定参数的 控制器，其频域下的传递函数表达式为（）摩擦 摩擦（）（）式中，为摩擦波动补偿器的比例增益；为微分增益。综上，经过反复的调试，运动曲线匀速段的控制器参数如表所示，并将对应的控制参数输入至程序的前面板中的输入控件，直线伺服电机的核心 控制以及摩擦波动补偿部分程序框图如图所示。表控制参数表摩擦波动补偿器控制参数 控制参数补偿补偿速度加速度位置位置位置比例微分前馈前馈比例比例比例增益增益增益增益增益增益增益 图直线伺服 控制及摩擦波动补偿部分程序框图系统检测流程与前面板设计在 虚拟仪器平台上根据检测原理设计软件流程如图所示。首先进行“自检”，即电机上电后，动态目标源运动至精密导轨的右限位，随即回到左限位，使电机走过整个行程并检验是否存在故障。其次进行“外部同步”，确定速高比、幅宽以及纵向重叠率，用于协调机载仿真单元和电机驱动单元的同步工作状态，单元采用自适应控制和数字控制混合控制方式实现，保证电机动作与相机拍照参数及拍照指令相协调。然后启动测试，电机按照计算的运动曲线行程运动，光栅尺实时监控目标源位置，同时航空相机对动态目标源进行拍照，虚拟仪器实时显示“速度位移”曲线。最后通过相机拍摄的动态目标源鉴别率板分析相机的空间分辨力指标，并生成数据报表。图程序流程图根据系统检测原理、流程以及航空相机拍摄参数设计了虚拟仪器的前面板以如图所示，匀速段平均误差为平均速度与规划速度的比值，瞬时误差为电机速度与规划速度的差值最大值。图检测系统程序前面板第期王强，等：虚拟仪器在航空相机动态分辨力检测中的应用实验验证在实验室根据前文阐述的系统组成以及检测原理搭建检测系统如图 所示，并对 相机的动态分辨力进行测试，输入参数：速高比为 ，所拍摄图片的纵向重叠率为，拍摄图片的幅宽为 ，相机的焦距为 。电机按照预定行程运动直至检测结束，同时航相机对动态目标扫描拍摄，当相机前向像移补偿机构达到补偿最佳状态时所拍摄动态目标图片如图 所示，可以看出所拍摄的动态目标鉴别率板（号鉴别率板）图像基本清晰，将图片放大后进行判读，可以看出基本上能看到 组，组的横线已经模糊分辨不清。直线电机控制系统运行过程位移速度曲线如图 所示，匀速段平均速度波动误差 ，瞬时速度误差 ，远高于技术指标要求。图 航空相机动态分辨力检测系统图 动态目标图像图 采用摩擦补偿算法后的位移速度曲线为了测试全速度范围 不同的参数设置下的匀速段平均速度误差以及测试周期，并采用分辨力为 的雷尼绍光栅尺作为位置反馈传感器，进行了一系列实验来验证直线伺服电机控制算法和匀速段电机运行过程的速度误差。输入参数：重叠率，幅宽 ，焦距 ，并通过输入不同的速高比设定电机的规划速度，最终实验测得速度误差以及检测周期结果如表所示。表匀速段电机运行过程的速度误差测试结果速高比规划速度（）平均速度波动误差瞬时速度误差（）被试品周期实际检测用时 由表观察可知：检测系统实现了动态图形匀速直线运动速度范围 ，匀速段瞬时速度误差，平均速度波动误差 的技术指标要求，检测周期均为相机拍摄周期的整数倍，且检测平台运行平稳、速度波动小。结论本文针对航空相机的动态分辨力指标的检测需求，提供了一种基于 平台的动态分辨力检测系统，根据像移速度方程设计了动态目标模拟的运动曲线，并采用 控制算法以及摩擦波动补偿算法对直线电机进行了高精度、高稳定性的匀速控制，完成运动曲线中的高精度匀速段的直线电机控制。系统可定义不同的速高比、幅宽、底片纵向重叠率，整个控制过程自动化程度高，并具有较好的精度和速度稳定性，可为同类型的高精定位或对负载移动轨迹要求较高的系统提供较好的实际应用参考。参考文献：赵建川，张润琦，王杰航空相机成像技术研究飞航导弹，（）：，（）：白雪梅全景航空相机动态分辨率检测系统关键技术研究长春：长春理工大学 ：，：（下转第 页）光学技术第 卷 ，（）：，（）：，（）：何颂华，陈桥，段江基于人眼视觉特性的光谱降维模型研究光谱学与光谱分析，（）：，（）：于海琦，刘真，田全慧，等一种基于 加权的残差补偿光谱降维模型研究包装工程，（）：，（）：孙叶维，孔玲君，刘真基于修改的 曲线加权残差补偿光谱降维法包装工程，（）：，（）：，（）：梁金星，万晓霞，卢玮朋基于视感知特征的多光谱高保真降维方法研究光谱学与光谱分析，（）：，（）：，：，：，：，（）：（上接第 页）陈琦，何煦，韩冰机载光电平台动态检测装置设计光学精密工程，（）：，（）：胡朝晖，吕跃发射反空空导弹对光电告警系统的需求分析激光与红外，（）：，（）：吴国栋航空相机动态分辨力测试用模拟动态目标发生器：张凯，马骏，孙嗣良红外动态目标模拟器驱动及控制系统设计激光与红外，（）：，（）：刘宝平，安志勇，白雪梅基于改进 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