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1稳像系统关键技术摘要：随着光电监视、跟踪、侦察系统使用要求的不断提高，对光学图像的稳定要求也日趋严格。图像不稳定的实质是摄像系统的光轴与目标之间有无效的相对运动，包括平移和角运动，其中相对角运动对图像的影响尤为严重，论述了现在采用的两类稳像方法，并对新一代的稳像技术——电子学稳像作了概要的介绍，阐述了平台稳定方法和电子学稳像技术在应用中的技术难点。关键词：摄像，稳像，瞄准线1引言图像稳定技术包括摄像机、导引头、火控武器的瞄准线等的稳定。用于人眼观察的摄像系统，图像的不稳定会使观察者产生疲劳感，进而容易导致误判和漏判；对于目标自动识别与跟踪系统会导致动态跟踪误差增大，降低跟踪目标的能力。引起摄像系统光轴与目标之间的角运动有两种情况:一种是目标的运动，另一种是载体的运动。通常摄像时目标距离摄像机较远，因目标运动而造成的相对运动较小；然而载体姿态的变化会完全传递给摄像系统的瞄准线，其造成的相对角速度很大。两者相比，前一个因素可以忽略，所以稳像系统一般都只考虑隔离载体运动。现在使用的方法主要有光学的方法、光学和电子学结合的稳定平台主动补偿方法以及电子学稳像的方法。在相当程度上，稳像技术就是要隔离外部对摄像机的扰动，最直接的方法是将摄像系统架设在减振装置上，但是其缺点是减振器只能隔离载体的高频低幅振动，并且经过减振以后的窄带随机振动都在系统的固有频率附近，若谐振频率在系统带宽之内将使图像始终都在不断地抖动，所以必须提高系统的刚度，保证系统谐振频率远大于系统的带宽，低频振动极易使摄像系统丢失目标，解决的方法是采用光学系统的方法或图像处理的方法。2光学稳定方法及其存在的问题光学稳像的方法主要可分为利用折射元件、利用反射元件、利用结构光学元件作为调整元件的系统。根据稳像元件的位置又分为像空间稳像和物空间稳像方法。在平行光路对视线的控制中，常常可以使用以下的几种方法：2.1利用折射元件的方法使用折射元件的典型方法是利用可变光楔来控制瞄准线的方向，它是由美国2的Dyna-science公司的科技人员最初提出的，根据出射角和入射角之间的关系:)1(nn通过移动或转动一个角度为、折射率为n的光楔，使出射光线按近似)1(n的角度改变方向来进行像的随机扰动补偿。可变光楔有三种实现方式:1)使用液体光楔；2)利用两个互补的平凹和平凸的透镜，当在平衡位置时等效于一个平行光板；3)包括两个绕额定光轴相反旋转的固定光楔，两者的组合运动可达到在锥角内作任一个方向的偏转，其极限由光楔的折射率与顶角来确定。这种稳像技术在日本佳能摄像机中得到了应用。采用可变光楔进行稳像的主要缺点可以归纳为以下几点：(1)楔形镜补偿只能保证对图像中一个场点的图像运动速度进行补偿；(2)除零位以外的所有位置由于二级光谱的存在，必须对楔形镜消色差和消复色差，因此使补偿器的结构及制造工艺大为复杂；(3)只有在平行光束中才存在令人满意地工作的可能性，结果大大增加了仪器的体积。这些缺点限制了楔形镜补偿器在高分辨率的光学仪器中，特别是在侦察设备中的使用，但是在振动较小的环境条件下的电视系统中还是得到了应用。2.2利用反射光学元件的方法反射光学元件包括单反射镜、角反射镜。反射镜稳定方法是通过适当的转动一块、两块或多块透镜以补偿由于稳定误差的影响而出现的像移，其中惯性稳定的方法得到了相当广泛的应用，该方法通过陀螺作为敏感元件使其保持空间的稳定，也有采用音叉的方法起传感器的作用。北京理工大学的谷素梅等研制的双目望远镜就是利用屋脊棱镜的横向偏移来稳像的。反射镜稳定方式较适合小口径的光学传感器系统。要特别注意采用适当的结构设计和光路调整技术，以消除或补偿反射镜和传感器之间的相对运动。在高精度的稳像系统中，仅仅依靠棱镜、反射镜或光楔等被动补偿所达到的稳定精度是无法满足要求的，反射镜单独使用的时候，由于2:1的光机偏转比，加上半角机构的误差，精度难以做得很高，这种稳定方法只能用于中低级精度的稳定系统中，更高精度的稳定系统可以通过平台式稳定方法来完成。3陀螺稳定平台的现状及其控制技术的发展趋势平台式稳定方式是通过惯性元件敏感载体的姿态角的变化，其输出信号经过3放大后驱动电机或压电陶瓷来保持摄像机或反射镜、棱镜以保证成像不变。根据消除稳定误差的方式又分为一级稳定和二级稳定两类。3.1一级稳定一级稳定技术中的整体稳定得到了广泛的应用，它是采用一个环架系统作为光电传感器的光学平台，在平台上放置陀螺来测量平台的运动，陀螺敏感姿态角的变化经过放大以后反馈给环架的力矩电机，通过力矩电机驱动平台使光电传感器保持稳定。通常整体稳定的方法可分为双轴陀螺稳定平台、三轴陀螺稳定平台和四轴陀螺稳定平台。其中双轴陀螺稳定平台又分为两轴二环和两轴四环两类；由于两轴稳定平台固有的原理误差，它不可能完全隔离载体的扰动力矩，导致瞄准线围绕光轴旋转，当旋转速度较大时会对像质造成严重影响。要完全隔离须采用三轴的陀螺稳定平台，还有一种方法是采用两轴四环的稳定平台，这两种方法在原理上可以完全隔离载体的扰动。两轴、三轴稳定技术在各国的机载侦察设备中得到了广泛的运用，在空地导弹中，三轴陀螺稳定平台得到了广泛的应用，如美国的“幼畜”AGM-65A导弹。在整体稳定系统中的主要误差来源有以下几个方面:力矩误差:包括摩擦力矩和不平衡力矩、风阻力矩，比较特殊的是摩擦力矩，它对系统的低速平稳性有很大的影响，将摩擦力矩看做常值处理是不够的，高精度的系统中采用引入状态观测器或模型辨识技术实现摩擦力矩的动态补偿。传感器误差包括陀螺仪的漂移、信噪比、CCD的视轴安装误差、A/D和运放等电子系统的偏差和噪声、信号处理电路的延迟等，其中，位于最前端的陀螺的漂移噪声对稳定精度的影响较大，改进的方法可以考虑采用微弱信号检测技术提取信号，用建立漂移模型的办法补偿漂移。整体稳定一般适合较小的光电传感器负载，对于较大的负载则效果不佳，它受到摩擦力矩和静不平衡力矩的影响，随着负载的增加，力矩电机的齿槽效应及热噪声、各传感器的导线扭矩等都有增加，其精度在0.1mrad左右。3.2二级稳定由于一级稳定完全依靠稳定平台来稳定瞄准线，受到的各种干扰较多，限制了稳定精度的提高，进一步考虑，可以利用稳定平台实现粗调、用反射镜实现精调，它是反射镜和稳定平台的组合使用，可以达到微弧度级的稳定精度。这种稳定反射镜的技术在国外的高精度侦察系统和激光通信系统中得到了广泛的应用，4以色列已经可以做到15μrad的稳定精度。在陀螺稳定平台中摩擦力矩的抖动是影响陀螺稳定平台精度的重要因素，这集中体现在低速平稳性的问题上，陀螺稳定平台中通常采用超前滞后补偿的方法，为了提高带宽再引入前馈，然而在宽频带、高精度的跟瞄系统中，采用这样的方法达到设计指标比较困难，必须考虑引入现代控制方法，现代控制技术对参数扰动的鲁棒性使得它比较适合于陀螺稳定平台的伺服设计，其典型代表有滑模变结构控制技术(VSC)、模糊控制技术、线性二次型最优控制技术(LQG)，其中滑模变结构控制，根据对开关线的不断切换可以有效地克服系统的各种扰动，它对参数摄动和外部扰动不敏感的优点使得它近年来在交直流伺服系统中得到了广泛的应用。较普遍采用的方法是现代控制技术与PID控制技术的结合，这种技术已经在雷达天线的稳定技术中得到应用，这为陀螺稳定平台整体性能的提高提供了一种新的途径。4电子学稳像的现状及其发展趋势采用光学、光电的方法稳像带来的一个问题就是增加了系统的功耗和重量，而对弹载、轻型飞机、星载或外星球探测中的跟瞄、成像设备来说，质量和功耗的问题是非常重要的两个参数。采用电子学方法的稳像技术具有功耗低、质量轻，硬件处理速度快的优点，所以美国、日本、加拿大、土耳其和意大利等国对此展开了深入的研究，其中日本松下公司在其摄象机方面开展了广泛的研究，美国和加拿大在预警系统和侦察飞机的电子稳像方面取得了成功的应用。由美国国防部高科技研究局(DARPA)和马里兰大学(MarylandU-niv.)研制的无人驾驶车辆监视、搜索、侦察系统中已经采取了软件稳像的技术，其稳定精度优于一个像元。加拿大的DefenseResearchEstablish-mentVilcartier(DREV)也已经成功地将这项技术应用到他们的侦察车上，将摄像机架设在距控制车200m外的三脚架上或架在10m高的桅杆上实现30帧/s的实时监视，可以达到一个像元的稳像精度；由该国LyreTechnologies公司和DREV研究的机载侦察摄像系统中也已经有了类似的实验装置。图像稳定的目的是要找到每一帧图像相对于参考图像的全局运动矢量，然后用解算出的运动参数去控制CCD输出像元各行列的起始读取位置，从而达到图像补偿稳定的目的。电子学稳像系统一般包括三个主要的功能模块，即运动矢量的检测模块，补偿量输出模块和图像补偿模块。5由于在检测摄像机的运动矢量的时候，会因为有背景噪声，如小动物的移动或运动，树枝、叶的摇动，以及目标本身的运动、异物进入视场等都会对摄像机运动矢量的提取产生影响。又例如当摄像机做全景扫描时，若被稳像系统误以为是振动而稳定了，就达不到全景扫描的目的了。这些都是电子学稳像技术所需要考虑解决的。检测图像运动矢量的方法大致可以分成两类:利用传感器敏感运动矢量的方法和利用特征量匹配的方法，现在主要采用特征量匹配的算法稳定图像。日本的Egosa等人采用的方法是将图像分为四个区域(图5b)，每个区域中有30个代表点，每个代表点有16×46个像素的比较面积。首先计算前一场代表点像素数据与当前场相对应的比较面积中所有像素之间绝对差值，从而建立起两场图像代表点之间的关系式，最后，以所有代表点为参考点组成相对坐标系统，相对于每个坐标作一个相同位移值(i，j)，相应有一个绝对差值，对所有代表点坐标的绝对差值求和为P(i，j)，获得一个相关函数，具有最高相关性的位移值就是检测出的运动矢量。由于量化的原因，图像的运动矢量是一个离散值。运动矢量不连续导致观察时图像缺乏平滑的感觉，为此需要对运动矢量做内插值处理，经过插值处理后的运动矢量的检测精度明显优于未经插值处理的方法。在判断运动矢量的时候为了减小误判的几率而引入了模糊控制的技术，对不同的运动矢量分配相应的隶属度，引入该方法有效地提高了稳定的效果。图像的位移包括整数部分和小数部分，整数部分可以采用相位相关的方法检测到，小数部分的位移常常导致图像的跳动，尤其是在背景静止时。要做到亚像元级的稳定精度，就必须检测出位移的小数部分，所用的方法有基于图像灰度匹配的方法、基于时空微分(spatiotemporaldifferen-tiation)的方法及参数平面与相位互相关拟合(phaseandcrosscorrelationsurface)的方法。5对图像稳定的评价图像在达到什么样的稳定程度以后算是稳定的，目前还没有统一的评价方法，普遍认为光学传递函数可以提供一个客观的评价标准，对于动基座的摄像系统来说，首先要考虑稳定系统对载体振动的隔离度，进而对各种扰动的物理模型进行精确建模，图像的稳定很大程度上取决于模型的精确程度，但是使用过于复杂的模型去拟合数据，并不一定会取得更好的结果。实际情况是模型越复杂，对跟踪误差越敏感，实际效果并不比简单模型好。6一般认为对于用于人眼观察的摄像系统，振动造成的影响小于0.5个像元时就可以认为图像是稳定的，而对于用于计算机目标跟踪的摄像系统则0.5像元的稳定精度仍是不够的，美国DARPA的实验也表明了这一点。6结束语现代图像稳定系统中广泛采用陀螺稳定平台实现稳像、稳瞄，随着稳定精度要求的不断提高，用经典的伺服方法达到技术指标已经越来越困难，现代控制理论在稳像、稳瞄系统中的应用已经越来越多，鲁棒控制技术在宽频带、高精度的跟瞄稳像系统中有较大的应用前景。电子稳像技术就目前所能够得到的公开文献来看，已经能够做到实时处理，但是在要求同时考虑平移、旋转和多目标观察有一定的困难，其固有的特性也决定了它难以适应大幅度振动的情况，但是若只用电子稳像处理平移运动，则可以将它作为陀螺稳像的后续装置来进一步提高稳像精度。现代光电侦察系统向着