[发明专利]一种无人机载轻小型自稳定航空多光谱成像系统

说明书

技术领域

本发明专利涉及一种无人机载轻小型自稳定航空多光谱成像系统，集多光谱成像、存储、稳定控制于一体，适合于轻小型无人机航空多光谱遥感成像领域。

背景技术

轻小型无人机遥感因高时效、高分辨率等性能，应用日益广泛，对载荷多样化需求增大，多光谱相机成为一种新的发展方向。航空飞行环境如侧风、振动等因素通常会对多光谱遥感图像质量造成极大影响。另外，由于轻小型无人机对于载荷的尺寸重量要求高，受无线传输设备带宽的拘束，对数字图像机上存储提出了新要求，多种因素均限制了多光谱相机在航空遥感领域的发展。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种无人机载轻小型自稳定航空多光谱成像系统，集多光谱成像、存储、稳定控制于一体，可实现不同波段图像同时成像及存储，大大减小多光谱成像设备体积及重量，适合搭载于轻小型无人机，实现多光谱相机垂视或倾斜成像，并解决飞机振动扰动对图像拖尾模糊的问题，消除飞机受风力等因素侧飞时对拍摄航迹的影响，使拍摄区域中轴线始终平行于航迹。具有垂视及斜视惯性稳定成像、自动加载图像POS信息的功能和分辨率高、重量轻，体积小的特点。

本发明的技术解决方案是：一种无人机载轻小型自稳定航空多光谱成像系统，包括：管理控制模块、稳定控制模块、存储控制模块、辅助数据接收模块、电源模块、数传设备、取景器和成像单元；

电源模块给管理控制模块、稳定控制模块、存储控制模块、辅助数据接收模块、数传设备、取景器和成像单元供电；

管理控制模块通过数传设备接收地面测控站的指令信息，设置取景器的工作模式和工作起停时间，并通过数传设备将取景器获取的目标区域的视频信息传输给地面测控站；

辅助数据接收模块通过惯性组合导航系统获取无人机的飞行辅助信息并将飞行辅助信息传输给稳定控制模块，稳定控制模块接收管理控制模块的控制指令，然后根据接收到的飞行辅助信息完成无人机的姿态校正；所述飞行辅助信息包括无人机的经度、纬度、高度、方位角、横滚角、俯仰角、飞行速度和飞行方向；

管理控制模块按照预先设定的曝光策略控制成像单元进行曝光，产生存储同步触发信号，并将从稳定控制模块同步接收的飞行辅助信息传输给存储控制模块；

成像单元采用多镜头多探测器分光方式进行曝光，成像单元具有5个谱段，谱段预先进行配置，分别为红、绿、蓝、近红外和全色；成像单元将曝光后的图像数据传输给存储控制模块；

存储控制模块从成像单元接收图像数据，并接收管理控制模块发送的存储同步触发信号，接收到的图像数据通过存储控制模块中的FPGA整理时序后进入存储控制模块中的缓存电路SDRAM；存储控制模块同时接收管理控制模块传输的飞行辅助信息，当一帧图像数据接收完成时，存储控制模块中的FPGA将缓存电路SDRAM中的图像数据读出并与飞行辅助信息打包，存入CF卡介质中。

所述稳定控制模块接收管理控制模块的控制指令，然后根据接收到的飞行辅助信息完成无人机的姿态校正，具体为：

稳定控制模块从辅助数据接收模块获得无人机偏航角α及航迹角β，无人机航迹偏角δ为偏航角α及航迹角β的夹角，即δ＝α-β，稳定控制模块根据解算出的δ，产生PWM信号，驱动方位舵机在方位轴转动-δ，所述偏航角α为方位角，航迹角β为飞行方向；

稳定控制模块从辅助数据接收模块获得无人机横滚偏移量θ，产生PWM信号，驱动方位舵机在横滚轴转动-θ，所述横滚偏移量θ为横滚角。

所述成像系统5个谱段之间相互独立，每个谱段具有独立的成像单元。

所述稳定控制模块采用舵机作为驱动元件，分别通过方位舵机和横滚舵机带动方位轴及横滚轴进行两轴方向的转动。

所述曝光策略，具体为：

根据公式DN＝(L*t_int*G/F²)*C设定t_int，使得DN达到预设值，式中，DN为拍摄图像的灰度，L为辐亮度计测量得到的当前辐亮度，F为光圈，且F为定值，t_int为积分时间，G为增益，且G设定为相机允许的最小增益值；C为经验值，C的取值范围为：0.1～0.9。

当t_int＝t_max，若DN仍不能达到预设值，则增大G，满足曝光量要求，其中，t_max为不引起像移时各谱段允许最大的积分时间，t_max＝(p/n)*(1/f)*(H/V)，其中p为像元尺寸，n为对像移的约束条件，且n为常数，f为焦距，V为无人机速度，H为高度。