無人機載多光譜相機設計＊

李江南

（陸軍軍官學院 合肥 230031）

1 引言

研究本文的目的在于分析了無人機成本低、效率高、執行任務多樣等特點。結合多光譜照相技術對特定目標偵察、識別的能力，將二者技術特點整合為一種適用于未來戰場情報獲取領域的重要手段之一，為無人機應用領域方面提供新方法和新思路。

2 國內外研究現狀

我國上世紀90年代在航空遙感技術取得了突破性進展，它主要表現在機載傳感器的研制方面如國家863計劃308主題陸續推出先進機載對地觀測系統（AEOS），AEOS包括五個先進傳感器：實用型模塊化成像光譜儀（OMIS）；寬視場面陣CCD超光譜成像儀；高分辨率CCD面陣數字機載相機；三維成像儀和L－SAR實用系統。其中有兩個傳感器與機載航測有關。

目前，無人機載多光譜技術在民用領域的應用呈現出了全面發展的趨勢，主要體現在兩個方面：一是從事相關技術研究和系統研制的單位越來越多。最早從事無人機研究的只有南航、北航、西北工業大學等幾家單位，而目前具有一定規模的無人機系統研制單位就有20多家，從事無人機相關技術和部分設備研制的單位則接近100家，民用無人機受重視程度可見一斑；二是無人機應用領域不斷擴展。目前無人機載多光譜技術已廣泛應用于資源勘探、森林消防、森林普查、水源檢測、電力巡線、航拍航攝、災害評估、人員搜救等各個領域，經過多次實踐檢驗，其應用效果受到廣泛贊譽［1］。

3 無人機載多光譜相機設計

3.1 機載多光譜相機的基本參數

針對不同的任務，要調整不同的任務設備參數，比如鏡頭焦距、像元的大小、航空高度、空間分辨率、快門的速度、視場角、濾光片等，各個參數之間是互相關聯的，調整這些參數時就必須從整體進行考慮［2］。

假定使用的是面陣傳感器，尺寸x×y，像元數m×n，像元形狀為正方形，尺寸為r×r，則它們之間的關系為

設鏡頭焦距為f，在兩個方向上的視場角（FOV）分別為?和β，則：

設航空高度為h，在理想的情況下，面陣傳感器與地面平行，對應的地面覆蓋為邊長p×q的長方形，則；

對于面陣成像方式，每個像元對應的IFOV都互相不相等，但在面陣傳感器與地面平行時，每個像元的大小相等，所以每個像元對應的地面分別率都等于s。飛機作業中照相機快門的速度選定以后，在曝光期間圖像將出現拖影，景象移動按下述公式計算：

舉例計算，若f＝35mm，v＝50m／s，h＝1000m，t＝1／1000s，則b＝1.75μm，遠遠小于一般的CCD像元的大小。實驗證明，當影像拖影小于1／2像元大小時，可不必進行前向運動補償。目前的CCD傳感器一般靈敏度較高，電子快門速度可以非常高，影響拖影可以忽略，當時在使用濾光片時，外部光能衰減很大，一定要注意既要保證充分的曝光，又要保證快門速度，把運動模糊控制在1／2像元以內。對于某個特定的無人機載多光譜照相系統而言，有些參數是不可以調整的，如CCD傳感器已經確定：對某次任務飛行而言，已經設定飛機的航空高度和航空速度，這時，需要通過調整相機的鏡頭焦距來控制視場角和地面分辨率。增大視場角和提高地面分辨率是相互矛盾的，我們一方面去增大視場角來增加地面覆蓋度，提高飛行任務效率，一方面又想提高地面分辨率，而它們的關系為

從式（5）看到，提高分辨率則s變小，兩個方向的視場角?和β也隨著變小，視場角和分辨率不能同時兼顧，所以在制定飛行計劃時，要對視場角和分辨率作出科學合理的折中處理。另外，需要注意到就是光圈值，相對孔徑是指鏡頭有效口徑D與f之比，即A＝D／f。鏡頭的相對孔徑可以通過鏡頭光圈進行調整。一般的，在飛行作業時，盡量把光圈調小，這樣做有兩方面的優點：一方面是增加了景深，縮小像差，提高圖像質量；另一方面可以減少“漸暈”，“漸暈”是光學系統特有的現象。在圖像上表現為圖像亮度從圖像中心區域到圖像邊緣逐漸降低。理想無像差光學鏡頭的分辨率定義：

對于CCD照相機來說，光學鏡頭的分辨率遠遠高于CCD采樣分辨率，所以只要鏡頭的相對孔徑不小于1／20，減小光圈不會影響成像質量。光學鏡頭的光圈和照相機的快門速度是互相矛盾的，光圈縮小可以提高圖像質量并減少漸暈，同時減少了入射光的量，要增加曝光的時間，降低快門速度來保證充分曝光，增加曝光時間可能會引起運動模糊。所以需要在應用中控制光圈和快門速度的關系［3］。

3.2 基于大面陣COMS像面分割技術的雙光譜相機研制

本文基于大面陣COMS像面分割技術研究的基礎上，結合無人機載荷方面的要求，采用模塊化思想，提出一種多光譜、成像分辨率高、小型無人機成像系統設計方案，從微體積、微功耗、微噪聲設計角度，實現雙光譜成像系統的無人機載小型化設計，總體方案如圖1所示。

圖1 雙光譜相機方案

系統以按照其內在功能劃分為多譜段鏡頭模塊、面陣CMOS模塊、數據處理模塊、姿態位置傳感模塊、數據存儲／傳輸模塊、指令控制和系統供電模塊等七大部分。無人機多光譜成像系統基本功能有：

1）可以根據目標特征匹配置相應譜段的濾光片，濾光片波段范圍覆蓋400～1050nm，可滿足部分紫外、可見光波段、近紅外波段成像需求，也可以配置0°、45°、90°偏振濾光片，提供目標多維信息；

2）三軸姿態，三維位置數據的同步采集、處理與記錄；

3）大容量的圖像數據的存儲／傳輸；

4）外部控制指令輸入與識別；

5）抗震及故障隔離與恢復。

CMOS的畫面分割技術就是將一個CMOS像面分成多個接收單元來使用，這樣可以利用一個CMOS實現對多波段同步的測量。為解決多光譜成像系統同步獲取多光譜圖像這個問題，課題擬引入COMS像面分割技術。如圖1所示，利用一片大尺寸CMOS成像芯片作為成像傳感器，在成像傳感器敏感面上劃分為左右兩個部分，用兩套相同成像系統經配準后同時對同一目標場景成像，每套成像系統含有一片對應所需探測波段的特定濾光片，對目標進行觀測成像時，目標光線分別來到各自的相應帶通濾光片，通過濾光片后，進入兩個獨立的光路通道，將目標圖像傳遞到并同時成像在一片成像傳感器上，同時曝光，從而實現同一觀測場景在不同譜段上的單片CMOS多光譜同步成像。觀測目標的成像譜段取決于前端的帶通濾光片的透射波段。只有濾光片透過波段的光能量才能透過濾光片，并經由后端傳輸成像到各相應的成像傳感器分割區域［4］。

圖2 多光譜相機示意圖

圖3 雙光譜鏡頭3D示意圖

圖4 像面分割示意圖

本文采用的畫面分割多光譜成像技術基于一塊大面陣CMOS進行的，該CMOS的像元數為5184（H）×3456（V），有效像素約為1800萬，像元尺寸為22.3×14.9mm，最大幀率為25幀／秒。經畫面分割后單通道畫面像元約為2592（H）×3456（V），仍足以滿足無人機遙感光譜成像提供高質量圖片。畫面風格技術雖然損失了單幅像面的分辨率，但經分割處理后的像面包含兩個個譜段的特定光圈圖像，對比分明，且成像同步，消除了一般光譜成像儀無法真正同步的缺點，圖像畸變較小，方便后期的多光譜圖像融合處理［6］。

本文選擇用雙高斯鏡頭的結構形式來設計光譜儀單個通道鏡頭。初始結構參數一般可參考國內外技術條件相同或接近的結構參數，縮放到我們所要求的值［8］。用初級象差理論確定它的初始結構。再考慮高級象差，解初始結構參數方法。雙高斯鏡頭是一種對稱型結構，只需要考慮校正半部系統的球差、象散、場曲、位置色差這四類軸向象差，全對稱合成后，其垂軸象差自動取消，單通道物鏡鏡頭光路如圖5所示。

圖5 單通道物鏡鏡頭光路圖

圖6 相機物鏡鏡頭的MTF傳遞函數圖

軸代表空間波數（單位是線／mm），縱軸代表調制傳遞函數。從設計結果來看，在波數20l.／mm以內，曲線值達到0.2以上即可滿足要求。

3.3 光譜相機機身改造

基于無人機遙感平臺的多光譜成像工作原理是基于不同地面目標反射光譜隨波長變化規律來實現的，濾光片的選擇是依據目標反射光譜特征來確定的。由于CCD／CMOS成像芯片能感應包括可見光，紫外和近紅外波段以內的光線，只不過各個波長的光線敏感的程度不同，圖7是某型COMS成像芯片的感光曲線［9］。

由圖7可以看出，成像芯片感光波段范圍涵蓋400～1000nm之間紫外一部分、可見光全波段和近紅外一部分。波長小于350nm紫外線、大于1000nm以上的紅外線成像芯片敏感度低，曝光時間很長，基本已經失去應用意義。因此地物反射波段范圍可以確定在400～1000nm之間，濾光鏡分別安裝于光譜儀鏡頭前部，方便更換，具體波段范圍可根據成像對象特征確定。

圖7 成像芯片的感光曲線

普通攝影確為避免紫外、紅外線的干擾，需要盡可能多的隔離紫外、紅外線，普通民用相機在CCD／CMOS之前安裝了紅外截止／低通濾鏡復合鏡片，紅外截止鏡片。

圖8 普通相機光學結構圖

式中，v為航速；t為快門時間；f為相機焦距；h為飛行高度。

無人機載光譜相機對圖像質量要求較高，因此必須減少拖影對圖像的影響，要求拖影小于0.5像元。設定無人機速度33m／s，高度500m，相機焦距約50mm，可以計算出相機的曝光時間為1／733s，所以我們選用相機的最高快門應在1／1000s以上。

相機最終確定使用佳能EOS 550D單反數碼照相機，這是專業攝影相機中性價比較高的一款設備，采用一塊1800萬像素的CMOS作為感光元件，整機具有像素高、重量輕、尺寸小的特點，比較適合安裝在狹窄的無人飛機機艙內。支持高清視頻輸出，佳能550D還具有高速存儲功能，

多光譜相機須有較寬的波譜范圍，必須將CCD／CMOS前的紅外截止鏡片和低通濾片移除。方法是去除相機里CCD／CMOS前的低通濾鏡和紅外截止濾鏡，另用一枚口徑合適的全透鏡替換安裝在相機鏡頭前，最后還必須對相機焦距進行專業調校，避免改裝對相機成像產生影響。通過改裝后的相機，波譜范圍涵蓋350～1050nm，完全可滿足本課題中對松樹部分紫外、可見光全波段、近紅外波段成像需求［10］。

目前市場上使用中高端相機機身種類繁多。為了尋求適合無人機遙感的相機機身，先分析曝光時間是否符合航攝的要求。無人機遙感作業中相機快門速度選定后，在曝光期間內由于飛機的運動，圖像可能出現拖影現象，影像移動量b按下面公式計算：可以快速儲存圖像并進行第二次拍照，內存最大可支持32GSDHC，完全滿足遙感應用需求。

雙光譜相機實物如圖9。

軍工科研單位固定資產投資不是獨立存在的，是單位中長期發展規劃不可分割的有機組成［4］，對軍工科研單位的科研事業發展至關重要。因此，只有不斷地加大管理力度，提升管理水平，才能保證固定投資項目的建設目標和預期效果的實現，提高項目投資的經濟和社會效益，為科研任務的順利開展提供有力的支持。

圖9 雙光譜相機實物圖

3.4 遙感數據同步獲取

無人機多光譜遙感拍攝時，不但要求多光譜同步成像，還要求同步獲取成像時的各種云臺數據，包括三軸姿態、三維位置、速度等，為后期圖像的校正、融合、拼接提供基礎數據。通常這些數據由無人機飛控計算機遙測數據間接提供，由于傳感器安裝角度和連接方式的不同，飛控計算機給出的多光譜成像儀曝光時的位置與姿態等數據并不十分準確，極大影響通過在多光譜成像儀上設置姿態、位置傳感器。

本文通過在多光譜成像儀上設置姿態、位置傳感器，利用ARM為核心控制處理器，在控制成像儀曝光同時，同步記錄其姿態、位置等數據，實現圖像和數據的嚴格對應，為后期的圖像拼接處理提供同步數據［9］。

系統功能：

1）用遙控接收機一個通道連接接收機，自動識別接收機遙感拍攝信號。

2）用一個開光通道連接自動駕駛儀，利用地面站通過自動駕駛儀控制航拍，距離更遠。

3）用無線數傳電臺串口直接發送航拍控制信號給控制器，控制內容包括拍攝指令、時間間隔等，控制器可利用串口自動向地面送航拍數據。

4）定控制遙感光譜相機接進行拍攝；根據具體飛行速度和高度設定拍攝時間間隔：預設8個，分別是1／3、1／2、3／4、1、1.5、2、2.5、3s。

5）器通過快門連接線和遙感光譜相機相接相連。

7）數據可利用板載存儲模塊SD卡存儲，也可利用串口直接傳輸到地面站。

8）控制器姿態傳感器反饋數據控制遙感云臺、使遙感光譜相機始終處于正射狀態，為遙感應用提供高質量航拍和航測數據，方便后期數據處理。

3.5 無人機載小型化與電磁兼容性設計

系統采用單一大尺寸面陣COMS為圖像獲取傳感器和ARM為數據處理芯片，克服了傳統多光譜成像設備體積大、功耗高等缺點，實現了多光譜成像設備的機載小型化設計，同時設計中選擇功耗相對較低的元器件，降低系統電壓和工作頻率，軟件設計時，運用事件中斷驅動方式，系統初始化以后進入低功耗狀態，直到由外部中斷信號觸發才結束節電狀態，開始處理中斷事件，任務結束后再次進入休眠，算法上使用宏定義對子程序的調用進行替代，能更大限度地降低功耗［12］。

無人機機載電氣設備繁多，電磁兼容性必須在設計時加以考慮，系統在硬件上注重電磁兼容性設計：

1）能模塊分艙屏蔽、隔離。

2）輸入端加濾波、瞬態抑制網絡。

3）視頻接口采取屏蔽措施，視頻傳輸采用三同軸電纜。

4）離散量、開關量信號采用光電隔離措施。

5）電路二次穩壓。

軟件上采用軟件濾波、加密傳輸、程序溢出管理、數據記錄存儲等方法保證程序可靠執行。

4 結語

該多光譜相機設計結果表明，其功能滿足無人機偵察要求，且具有維護簡便的特點，可方便實施偵察且對目標偵查效果優勢等特點，為無人機應用領域方面提供新方法和新思路。

［1］趙凱華，鐘錫華.光學［M］.北京：北京大學出版社，1982，11：71－74.

［2］邢帥，譚兵，李建勝，等.基于小面元的多源遙感影像高精度配準方法［J］.測繪學院學報，2003，（2）.

［3］孔淵，崔洪洲，周起勃.多光譜圖像配準實時處理技術研究［J］.紅外技術.2004，26（4）：41－44.

［4］顧聚興.多光譜光學監視系統［J］.紅外，2002，（06）.

［5］黃云仙，李祥，艾未華.多光譜圖像的無損壓縮方法［J］.計算機工程與科學，2010，（04）.

［6］敦力民，董明.一種新的遙感圖像無損壓縮算法［J］.計算機應用，2005，（S1）.

［7］楊麗萍，陳發虎，頡耀文.國內多源遙感影像信息融合技術的新進展 ［J］.遙感技術與應用，2007，22（1）：116－122.

［8］Heeung Kwon Nasrabadi N.MHyperspectral anomaly detection using kernel RX－algorith socity International Symposium Piscataway，XJ，USA，IEEE.2008，4953.

［9］鄭玉泉.成像光譜儀分光技術概述［J］.遙感學報，2002，6（1）：75－80.

［10］田國良.熱紅外遙感［M］.北京：電子工業出版社，2006.

［11］浦瑞良.高光譜遙感及應用［M］.北京：高等教育出版社，2000：48－52.

［12］許紹祖.大氣物理學基礎［M］.北京：氣象出版社，1993：212－278.

［13］張黎寧，沈麗容，周宇.小波變換在SPOT5全色與多光譜圖像融合中的應用［J］.計算機與數字工程，2009（12）.

［14］王向軍，文鵬程，張昭才，等.像面分割多光譜光學通道共像面成像技術［J］.中國專利，200810052148，4，2008.