CN111641812B - 适用于机载广域侦察监视多相机阵列排布方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机载光电侦察监视技术领域，具体涉及一种适用于机载广域侦察监视多相机阵列排布方法。该方法利用单个相机视场、相机间距离、相机间视场重叠率、相机作用距离等相关参数，通过本方法能够快速确定相机间的位置及角度关系，进而快速确定相机阵列的位置及角度关系，为相机阵列排布架的加工及子相机安装提供设计依据。本发明能够利用阵列子相机单元关键参数及结构空间关系，快速确定相机间排放位置关系及角度关系，有效解决了子相机位置定位难的问题，避免了设计的复杂性，降低对设计人员的要求，提高相机阵列排布的设计效率。本方法简单易行，适用于不同数量级的多相机阵列排布，通用性强。

Description

适用于机载广域侦察监视多相机阵列排布方法

技术领域

本发明属于机载光电侦察监视技术领域，具体涉及一种适用于机载广域侦察监视多相机阵列排布方法，该方法是通过已知的关键参数快速推算出相机间的排布位置及角度，实现广域高分辨率成像，为设计人员提供便利。

背景技术

光电系统作为飞机平台的重要任务设备，具备执行目标搜索、侦察、监视能力。光电系统内部的光学成像组件是保证光电任务设备出色完成各项作战使命的关键装置。随着现代战争发展的需要，对复杂战场环境大视场高分辨的目标监视、辨认、搜索成像系统越来越迫切，然而传统的单相机光学成像系统无法兼顾看的远且看的宽，该光学成像系统已经无法满足光电侦察监视大范围、持久性监视的需求，因此，提供一种适用于机载广域侦察监视多相机阵列成像系统来提高侦察监视效能显得尤为重要。

目前，针对传统单相机视场小、分辨率低等性能的不足，北京空间机电研究所在其申请的专利“一种新型高分辨率大视场光学成像系统(专利申请号201210380276.8)”和“一种基于计算成像技术的大视场光学成像系统(专利申请号201210378455.3)”，还有国外杜克大学Brady等人的论文“Optomechanical design of multiscale gigapixel digitalcamera”，“Multiscale gigapixel photography”等均公开了一种多相机“球状蜂窝”排布方法，实现大视场高分辨成像。但是该方法成像系统结构复杂，成像系统需要由两级系统组成，即球型共心物镜组成前级系统和大量中继相机组成次级系统。为了使得系统结构简单，K-Palaniappan等人提出相机阵列无缝拼接方案实现大视场高分辨成像，分为奇数相机排列和偶数相机排列，在确定分布圆的半径之后，通过对不同相机做平行线能够快速得到其余相机的位置和角度信息，但是该方法的不足是相机间距太大，使得整个系统体积庞大。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何解决机载广域侦察监视多相机阵列设计过程中，子相机视场多变、作用距离不同、不同图像处理硬件平台对拼接重叠率的要求不同、子相机间间距要求不同，多相机阵列设计难度大等问题。

(二)技术方案

为解决现有技术问题，本发明提供一种适用于机载广域侦察监视多相机阵列排布方法，所述多相机阵列排布方法包括如下步骤：

步骤1：根据系统结构包络尺寸判断该多相机阵列的规模m×n以及相机是圆弧内排布还是圆弧外排布；

步骤2：根据多相机阵列的规模m×n判断相机排布奇偶性；

如果m＞n，则先计算列再计算行，且列排布的奇偶性与m的奇偶性相同，行排布的奇偶性与n的奇偶性相同；

若m＜n，则先计算行再计算列，且行排布的奇偶性与n的奇偶性相同，列排布的奇偶性与m的奇偶性相同；若m＝n，则先计算行或先计算列均可，排布的奇偶性与m或n的奇偶性相同；

步骤3：对于偶数相机圆弧内排布的情况，计算出相应基准圆半径；

对于奇数相机圆弧内排布的情况，计算出相应基准圆半径；

对于偶数相机圆弧外排布的情况，计算出相应基准圆半径；

对于奇数相机圆弧外排布的情况，计算出相应基准圆半径；

步骤4：由于在基准圆上同一段弦长对应的圆内角相等，通过该特性，以初始相机位置为起点，相机间距为半径做圆与基准圆确定相交点，即新的相机位置，从而在基准圆弧上能够快速确定单行或列上多个相机的位置及角度；

步骤5，重复步骤1至步骤4，确定多行或列相机的位置及角度；

步骤6，完成相机阵列的排布。

其中，所述步骤3中，在偶数相机圆弧内排布的情况下，基准圆半径的确定过程如下：

定义E、F为两个相机位置，两个相机之间的距离为l，EF与地面平行，EF与地面距离为h，两个相机的视场均为α，两个相机视场与地面的相交线分别为PQ、MN，且两段相交线的端点由一端至另一端依次为M、P、N、Q，两段相交线的重叠率为k，即PN＝k·PQ＝k·MN；相机垂线与相机边缘视场的夹角为α1，相机EF在基准圆上的圆周角为β；

由几何关系求得，需要满足以下公式：

进而求得基准圆半径r＝l/(2·sinβ)。

其中，所述步骤3中，在奇数相机圆弧内排布的情况下，基准圆半径的确定过程如下：

定义E、F为两个相机位置，两个相机之间的距离为l，两个相机的视场均为α，两个相机视场与地面的相交线分别为PQ、MD，且两段相交线的端点由一端至另一端依次为M、P、D、Q，视场重叠率为k，即PD＝k·PQ＝k·MD；

相机E与地面MQ距离为h，定义N点为相机E在地面的垂直投影点，S点为相机F在地面的垂直投影点；

定义O点为EN线与基准圆的交点，过F作FC垂直EO于C；相机EF在基准圆上的圆周角为β；

则FC＝l·cosβ＝NS，EC＝l·sinβ，FS＝h-l·sinβ，PQ＝2·h·tan(α/2)，PD＝k·PQ＝2k·h·tan(α/2)；

由几何关系求得，需满足以下公式：

进而求得基准圆半径r＝l/(2·sinβ)；

其中，所述步骤3中，在偶数相机圆弧外排布的情况下，基准圆半径的确定过程如下：

定义E、F为两个相机位置，两个相机之间的距离为l，两个相机的视场均为α，两个相机视场与地面的相交线分别为MP、NQ，且两段相交线的端点由一端至另一端依次为M、N、P、Q，视场重叠率为k，即NP＝k·MP＝k·NQ；相机E与地面距离为h；相机垂线与相机边缘视场的夹角分别为α1、α2，相机EF在基准圆上的圆周角为β；

则有：

通过推导得到以下公式：

l+k·htan(α-α₂)+k·h·tanα₂-2htanα₂＝0 (3)

进而求得基准圆半径r＝l/(2·sinβ)；

其中，所述步骤3中，在奇数相机圆弧外排布的情况下，基准圆半径的确定过程如下：

定义E、F为两个相机位置，两个相机之间的距离为l，两个相机的视场均为α，两个相机视场与地面的相交线分别为MN、HG，且两段相交线的端点由一端至另一端依次为M、H、N、G，视场重叠率为k，即HN＝k·MN＝k·HG；

定义相机E与地面距离为h，定义P点为相机E在地面的垂直投影点，C点为相机垂线EP的反向线与基准圆的交点，过F作FS垂直EC于S；

定义相机F在地面的垂直投影点为D，则相机垂线FD与相机边缘视场FH的夹角为α1，相机EF在基准圆上的圆周角为β，

则有：SP＝h+l·sinβ，SF＝l·cosβ，PN＝HN/2k。

于是得到：

推导得出：

进而求得基准圆半径r＝l/(2·sinβ)。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明具备如下有益效果：

传统相机排布方法需要分别计算每个相机的位置及角度信息，且排布没有具体规则。而本发明的机载广域侦察监视多相机阵列排布方法根据实际需求计算排布基准圆半径，在获得的排布基准圆上排布相机，可以分为圆弧内排布和圆弧外排布，根据相机排布数量又可以分为偶数排布和奇数排布。所述机载广域侦察监视多相机阵列排布方法可以根据指标要求快速计算获得排布基准圆尺寸，并将相机排布控制在基准圆弧上进行等弦扩展排布，简化了排布方式，大大缩减了阵列设计所需要的人力成本和时间成本，具有较强的通用性和工程应用价值。

附图说明

图1是本发明技术方案的工作流程图。

图2a及图2b是偶数相机圆弧内排布示意图。

图3a及图3b是奇数相机圆弧内排布示意图。

图4是偶数相机圆弧外排布示意图。

图5是奇数相机圆弧外排布示意图。

图6a及图6b是多相机阵列圆弧内设计结果模型图。

图7a及图7b是多相机阵列圆弧外设计结果模型图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

为解决现有技术问题，本发明通过严格的理论推导，形成统一的公式，通过确定关键参数，并伴以严格计算，能够快速确定相机阵列的排布位置及角度。

所述多相机阵列排布方法根据实际需求计算排布基准圆半径，在获得的排布基准圆上排布相机，分为圆弧内排布和圆弧外排布，根据相机排布数量又分为偶数排布和奇数排布；

针对以上不同排布形式，分别进行公式推导求取排布基准圆半径：

1)偶数相机圆弧内排布

参考附图2a及图2b，定义E、F为两个相机位置，两个相机之间的距离为l，EF与地面平行，EF与地面距离为h，两个相机的视场均为α，两个相机视场与地面的相交线分别为PQ、MN，且两段相交线的端点由一端至另一端依次为M、P、N、Q，两段相交线的重叠率为k，即PN＝k·PQ＝k·MN；相机垂线与相机边缘视场的夹角为α1，相机EF在基准圆上的圆周角为β；

由几何关系求得，需要满足以下公式：

进而求得基准圆半径r＝l/(2·sinβ)；

2)奇数相机圆弧内排布

参照图3a及图3b，定义E、F为两个相机位置，两个相机之间的距离为l，两个相机的视场均为α，两个相机视场与地面的相交线分别为PQ、MD，且两段相交线的端点由一端至另一端依次为M、P、D、Q，视场重叠率为k，即PD＝k·PQ＝k·MD；

相机E与地面MQ距离为h，定义N点为相机E在地面的垂直投影点，S点为相机F在地面的垂直投影点；

定义O点为EN线与基准圆的交点，过F作FC垂直EO于C；相机EF在基准圆上的圆周角为β；

则FC＝l·cosβ＝NS，EC＝l·sinβ，FS＝h-l·sinβ，PQ＝2·h·tan(α/2)，PD＝k·PQ＝2k·h·tan(α/2)；

由几何关系求得，需满足以下公式：

进而求得基准圆半径r＝l/(2·sinβ)；

3)偶数相机圆弧外排布

参照图4，定义E、F为两个相机位置，两个相机之间的距离为l，两个相机的视场均为α，两个相机视场与地面的相交线分别为MP、NQ，且两段相交线的端点由一端至另一端依次为M、N、P、Q，视场重叠率为k，即NP＝k·MP＝k·NQ；相机E与地面距离为h；相机垂线与相机边缘视场的夹角分别为α1、α2，相机EF在基准圆上的圆周角为β；

则有：

通过推导得到以下公式：

l+k·htan(α-α₂)+k·h·tanα₂-2htanα₂＝0 (3)

进而求得基准圆半径r＝l/(2·sinβ)；

4)奇数相机圆弧外排布

参照图5，定义E、F为两个相机位置，两个相机之间的距离为l，两个相机的视场均为α，两个相机视场与地面的相交线分别为MN、HG，且两段相交线的端点由一端至另一端依次为M、H、N、G，视场重叠率为k，即HN＝k·MN＝k·HG；

定义相机E与地面距离为h，定义P点为相机E在地面的垂直投影点，C点为相机垂线EP的反向线与基准圆的交点，过F作FS垂直EC于S；

定义相机F在地面的垂直投影点为D，则相机垂线FD与相机边缘视场FH的夹角为α1，相机EF在基准圆上的圆周角为β，

则有：SP＝h+l·sinβ，SF＝l·cosβ，PN＝HN/2k。

于是得到：

推导得出：

进而求得基准圆半径r＝l/(2·sinβ)；

具体而言，如图1所示，所述适用于机载广域侦察监视多相机阵列排布方法包括如下步骤：

步骤1：根据系统结构包络尺寸判断该多相机阵列的规模m×n以及相机是圆弧内排布还是圆弧外排布；

步骤2：根据多相机阵列的规模m×n判断相机排布奇偶性；

如果m＞n，则先计算列再计算行，且列排布的奇偶性与m的奇偶性相同，行排布的奇偶性与n的奇偶性相同；

若m＜n，则先计算行再计算列，且行排布的奇偶性与n的奇偶性相同，列排布的奇偶性与m的奇偶性相同；若m＝n，则先计算行或先计算列均可，排布的奇偶性与m或n的奇偶性相同；

步骤3：对于偶数相机圆弧内排布的情况，使用公式(1)计算出相应基准圆半径；

对于奇数相机圆弧内排布的情况，根据公式(2)计算出相应基准圆半径；

对于偶数相机圆弧外排布的情况，根据公式(3)计算出相应基准圆半径；

对于奇数相机圆弧外排布的情况，根据公式(4)计算出相应基准圆半径；

步骤4：由于在基准圆上同一段弦长对应的圆内角相等，通过该特性，以初始相机位置为起点，相机间距为半径做圆与基准圆确定相交点，即新的相机位置，从而在基准圆弧上能够快速确定单行或列上多个相机的位置及角度；

步骤5，重复步骤1至步骤4，确定多行或列相机的位置及角度；

步骤6，完成相机阵列的排布。

实施例1

本实施例是针对安装在某型飞机上的多相机阵列(2×3)排布方法。载机的飞行高度为6000m，为了保证结构的紧凑性要求相机间的距离小于0.2m，要求相机图像重叠率不小于0.1，相机视场13°×10°，要求圆弧内排布。

第一步，该多相机阵列为2×3，2行3列，先进行行计算；

第二步，该多相机阵列为圆弧内排布，且单行有3个相机，属于奇数相机圆弧内排布；

第三步，将具体参数：h＝6000m，EF＝0.2m，k＝0.1，α＝13°代入公式2，求得：β＝0.204＝11.69°，进而求得相机排布基准圆半径r1＝l/(2·sinβ)＝494mm。

第四步，以494mm为半径，确定外接圆，以0.2m为半径画圆与外接圆可确定第2、3个相机位置及角度；如附图3b所示。

第五步，进行列计算，属于偶数相机圆弧内排布。

第六步，将具体参数：h＝6000m，EF＝0.2m，k＝0.1，α＝10°代入公式-1，求得：β＝4.4973°，进而求得相机排布基准圆半径r2＝l/(2·sin2β)＝639.6mm；

第七步，依据计算结果，设计多相机阵列结构模型如附图6a及图6b所示。

实施例2

本实施例是针对安装在某型飞机上的多相机阵列(2×3)排布方法。载机的飞行高度为6000m，为了保证结构的紧凑性要求相机间的距离小于0.1m，要求相机图像重叠率不小于0.1，相机视场13°×10°，要求圆弧外排布。

第一步，该多相机阵列为2×3，2行3列,先进行行计算；

第二步，该多相机阵列为圆弧外排布，且单行有3个相机，属于奇数相机圆弧外排布；

第三步，将具体参数：h＝6000m，EF＝0.1m，k＝0.1，α＝13°代入公式4，求得：β＝0.204＝11.7°，进而求得相机排布基准圆半径r1＝l/(2·sinβ)＝246.5mm。

第四步，以494mm为半径，确定外接圆，以0.1m为半径画圆与外接圆可确定第2、3个相机位置及角度；如附图5所示。

第五步，进行列计算，属于偶数相机圆弧外排布。

第六步，将具体参数：h＝6000m，EF＝0.1m，k＝0.1，α＝10°代入公式-3，求得：β＝9°，进而求得相机排布基准圆半径r2＝l/(2·sinβ)＝319.6mm；

第七步，依据计算结果，设计多相机阵列结构模型如附图7a及图7b所示。

综上，机载广域侦察监视分为单画幅推扫拼接成像与多画幅拼接大面阵成像，形成对特定区域的大范围、持久性、高分辨率成像侦察监视。本发明利用单个相机视场、相机间距离、相机间视场重叠率、相机作用距离等相关参数，通过本方法能够快速确定相机间的位置及角度关系，进而快速确定相机阵列的位置及角度关系，为相机阵列排布架的加工及子相机安装提供设计依据。本发明能够利用阵列子相机单元关键参数及结构空间关系，快速确定相机间排放位置关系及角度关系，有效解决了子相机位置定位难的问题，避免了设计的复杂性，降低对设计人员的要求，提高相机阵列排布的设计效率。本方法简单易行，适用于不同数量级的多相机阵列排布，通用性强。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种适用于机载广域侦察监视多相机阵列排布方法，其特征在于，所述多相机阵列排布方法包括如下步骤：

步骤1：根据系统结构包络尺寸判断该多相机阵列的规模m×n以及相机是圆弧内排布还是圆弧外排布；

步骤2：根据多相机阵列的规模m×n判断相机排布奇偶性；

如果m＞n，则先计算列再计算行，且列排布的奇偶性与m的奇偶性相同，行排布的奇偶性与n的奇偶性相同；

若m＜n，则先计算行再计算列，且行排布的奇偶性与n的奇偶性相同，列排布的奇偶性与m的奇偶性相同；若m＝n，则先计算行或先计算列均可，排布的奇偶性与m或n的奇偶性相同；

步骤3：对于偶数相机圆弧内排布的情况，计算出相应基准圆半径；

对于奇数相机圆弧内排布的情况，计算出相应基准圆半径；

对于偶数相机圆弧外排布的情况，计算出相应基准圆半径；

对于奇数相机圆弧外排布的情况，计算出相应基准圆半径；

步骤4：由于在基准圆上同一段弦长对应的圆内角相等，通过该特性，以初始相机位置为起点，相机间距为半径做圆与基准圆确定相交点，即新的相机位置，从而在基准圆弧上能够快速确定单行或列上多个相机的位置及角度；

步骤5，重复步骤1至步骤4，确定多行或列相机的位置及角度；

步骤6，完成相机阵列的排布；

其中，所述步骤3中，在偶数相机圆弧内排布的情况下，基准圆半径的确定过程如下：

定义E、F为两个相机位置，两个相机之间的距离为l，EF与地面平行，EF与地面距离为h，两个相机的视场均为α，两个相机视场与地面的相交线分别为PQ、MN，且两段相交线的端点由一端至另一端依次为M、P、N、Q，两段相交线的重叠率为k，即PN＝k·PQ＝k·MN；相机垂线与相机边缘视场的夹角为α1，相机EF在基准圆上的圆周角为β；

由几何关系求得，需要满足以下公式：

进而求得基准圆半径r＝l/(2·sinβ)；

其中，所述步骤3中，在奇数相机圆弧内排布的情况下，基准圆半径的确定过程如下：

定义E、F为两个相机位置，两个相机之间的距离为l，两个相机的视场均为α，两个相机视场与地面的相交线分别为PQ、MD，且两段相交线的端点由一端至另一端依次为M、P、D、Q，视场重叠率为k，即PD＝k·PQ＝k·MD；

相机E与地面MQ距离为h，定义N点为相机E在地面的垂直投影点，S点为相机F在地面的垂直投影点；

定义O点为EN线与基准圆的交点，过F作FC垂直EO于C；相机EF在基准圆上的圆周角为β；

则FC＝l·cosβ＝NS，EC＝l·sinβ，FS＝h-l·sinβ，PQ＝2·h·tan(α/2)，PD＝k·PQ＝2k·h·tan(α/2)；

由几何关系求得，需满足以下公式：

进而求得基准圆半径r＝l/(2·sinβ)；

其中，所述步骤3中，在偶数相机圆弧外排布的情况下，基准圆半径的确定过程如下：

定义E、F为两个相机位置，两个相机之间的距离为l，两个相机的视场均为α，两个相机视场与地面的相交线分别为MP、NQ，且两段相交线的端点由一端至另一端依次为M、N、P、Q，视场重叠率为k，即NP＝k·MP＝k·NQ；相机E与地面距离为h；相机垂线与相机边缘视场的夹角分别为α1、α2，相机EF在基准圆上的圆周角为β；

则有：

通过推导得到以下公式：

l+k·h tan(α-α₂)+k·h·tanα₂-2h tanα₂＝0 (3)

进而求得基准圆半径r＝l/(2·sinβ)；

其中，所述步骤3中，在奇数相机圆弧外排布的情况下，基准圆半径的确定过程如下：

定义E、F为两个相机位置，两个相机之间的距离为l，两个相机的视场均为α，两个相机视场与地面的相交线分别为MN、HG，且两段相交线的端点由一端至另一端依次为M、H、N、G，视场重叠率为k，即HN＝k·MN＝k·HG；

定义相机E与地面距离为h，定义P点为相机E在地面的垂直投影点，C点为相机垂线EP的反向线与基准圆的交点，过F作FS垂直EC于S；

定义相机F在地面的垂直投影点为D，则相机垂线FD与相机边缘视场FH的夹角为α1，相机EF在基准圆上的圆周角为β，

则有：SP＝h+l·sinβ，SF＝l·cosβ，PN＝HN/2k

于是得到：

推导得出：

进而求得基准圆半径r＝l/(2·sinβ)。

Images