一种航空光学面阵相机自动调光控制系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术具体涉及一种航空光学面阵相机自动调光控制系统及其控制方法。控制系统包括输入端、控制器、执行器、曝光模型单元、时滞环节单元和输出端。输入端、控制器、执行器和输出端依次连接，曝光模型单元和时滞环节单元连接后再整体与执行器并列连接。输入端输入面阵相机图像的期望平均灰度值；控制器调整曝光参数；执行器为面阵相机；曝光模型单元对执行器进行数学建模，所述数学建模对无延迟的执行器进行模拟，时滞环节单元模拟执行器的延迟，输出端输出面阵相机图像的实际平均灰度值。利用Smith预估器的控制原理进行闭环反馈控制，有效消除了传统调光算法引发的光学相机延迟。效消除了传统调光算法引发的光学相机延迟。效消除了传统调光算法引发的光学相机延迟。

【技术实现步骤摘要】
一种航空光学面阵相机自动调光控制系统及其控制方法


[0001]本专利技术涉及光学相机控制领域，具体涉及对航空光学面阵相机自动调光的控制。

技术介绍

[0002]航空相机是航空光学遥感的重要设备，对于情报获取、地貌勘测都有着重要意义。常用的图像调光方法是基于反馈的控制方法。一种比较传统的技术方案是：基于根据现有图像的平均灰度值和设定的期望灰度值，进行反馈控制，得到下一帧的控制量，控制量包括光圈数、曝光时间等。
[0003]随着技术的发展，航空光学相机中探测器面阵规模也在不断扩大，比如飞思iXU
‑
RS1000探测器的面阵规模可以达到一亿像素（11608
×
8708）。探测器组件中的ISP模块、图像压缩模块都会执行计算密集的任务，导致图像输出的时间比较长。另外一方面，航空遥感，尤其是低空遥感对高帧频的需求也在不断提高，更高的帧频对应着更短的拍照周期，这可以适应更大的速高比、更大的重叠率。
[0004]大面阵航空光学相机引入的大延迟和高帧频的需求是不可调和的矛盾。在实际应用中，这会导致综合处理器在触发下一帧成像时，探测器还没有输出上一帧图像，示意图如图1所示。
[0005]综合处理器中运行的调光算法和调光参数的更新一般发生在收到图像之后。如果延迟T
delay
超过触发周期T
trigger
，则对于传统方法的反馈控制系统而言，这等价于系统的输出存在滞后性，此时的大面阵相机等价为一个时滞系统。因为时滞环节的存在，导致系统有无数极点，当调大增益时，可能导致系统震荡。如果控制不当，则可能引起控制器发生震荡，进而导致多幅图像的欠曝、过曝，导致图像细节的丢失。

技术实现思路

[0006]为了解决现有的技术问题，本专利技术提供了一种航空光学面阵相机自动调光控制系统及其控制方法。在常用的图像调光方法即基于反馈的控制方法基础上进行改进，利用Smith预估器的控制原理设计该自动调光控制系统。
[0007]本专利技术提供一种航空光学面阵相机自动调光控制系统，包括输入端、控制器、执行器、曝光模型单元、时滞环节单元和输出端；输入端、控制器、执行器和输出端依次连接，曝光模型单元和时滞环节单元连接后再整体与执行器并列连接；其中，输入端输入面阵相机图像的期望平均灰度值；控制器调整曝光参数；执行器为面阵相机；曝光模型单元对执行器进行数学建模，所述数学建模对无延迟的执行器进行模拟，时滞环节单元模拟执行器的延迟，输出端输出面阵相机图像的实际平均灰度值。
[0008]进一步，确定面阵相机图像的期望平均灰度值计算公式为：，其中，DN
target
为面阵相机图像的期望平均灰度值，B为图像的比特深度，σ为超参数。
[0009]进一步，影响所述实际平均灰度值的曝光参数包括光圈数、曝光时间和感光度。
[0010]进一步，所述控制器是一个PID或者PI控制器。
[0011]进一步，对执行器进行数学建模的表达式为：，其中，DN表示输出图像的平均灰度值，E表示单位面积的光通量，F表示光圈数，t表示曝光时间，C为系统常数。
[0012]进一步，对执行器进行数学建模方法为：将一个高帧频的视频相机和面阵相机排列在一起，保证所述视频相机和面阵相机视场角相同；视频相机采用固定的曝光参数对景物成像，视频相机输出图像的平均灰度值DN
v
和面阵相机输出图像的平均灰度值DN
c
的关系为： ，其中DN
c
对应的曝光参数为t
c
和F
c
，分别是面阵相机的预设曝光时间和预设光圈数，a和b为标定参数，通过DN
v
计算得到面阵相机在t
c
和F
c
参数下输出图像的平均灰度值DN
c
，从而得到任意曝光参数下面阵相机输出图像平均灰度值表达式：。
[0013]进一步，时滞环节单元模拟执行器延迟的方法为：综合处理器输出脉冲触发探测器拍照，记录每次触发时间，同时接收探测器输出的图像数据，记录图像接收时间，再对两者求差得到延迟；测量多次，得到延迟的最大值；并根据拍照周期，将延迟的最大值离散化得到执行器延迟；所述综合处理器为控制探测器的单元，所述探测器为面阵相机的成像系统。
[0014]本专利技术还提供上述航空光学面阵相机自动调光控制系统的控制方法，具体为：输入端输入面阵相机图像的期望平均灰度值r，r与控制系统的反馈灰度值y
a
在运算器中做减法运算，得到差距值e并将其输入控制器，控制器根据差距值e调整曝光参数，将调整后的曝光参数值u分别输入执行器和曝光模型单元；执行器根据曝光参数u进行拍照并将得到的面阵相机输出图像实际平均灰度值y从输出端输出；曝光模型单元根据输入的曝光参数值u输出执行器无时滞时的平均灰度值y
m
，将y
m
输入时滞环节单元，得到延迟后的延迟平均灰度值y
p
，实际平均灰度值y与延迟后的延迟平均灰度值y
p
在运算器中做减法运算，得到的差值e
p
输出，y
m
与e
p
在运算器中做加法运算，得到反馈灰度值y
a
；y
p
是对y的预估，控制系统使y
p
与y相接近；曝光模型单元的输出值y
m
是对无时滞的执行器平均灰度值的预估，控制系统使y
m
和输入端r的差值减小。
[0015]本专利技术的有益效果为：利用Smith预估器的控制原理进行闭环反馈控制，有效消除了传统调光算法引发的光学相机延迟，因而不会对系统产生不利影响。对于图像输出延迟较大的航空光学面阵相机，本专利技术可以提高自动调光控制器的鲁棒性，避免了控制算法震荡导致的图像的过曝/欠曝问题，最大程度的保留了航拍图像的细节。
附图说明
[0016]图1航空光学面阵相机输出时延示意图；图2为航空光学面阵相机自动调光控制系统结构图；图3为航空光学面阵相机曝光模型图；图4为视频相机和面阵相机位置示意图；
图5为标定系统组成示意图。
具体实施方式
[0017]下面将结合附图对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0018]本专利技术提供的航空光学面阵相机自动调光控制系统如图2所示，包括输入端、控制器、执行器、曝光模型单元、时滞环节单元和输出端；输入端、控制器、执行器和输出端依次连接，曝光模型单元和时滞环节单元连接后再整体与执行器并列连接。
[0019]其中，输入端输入面阵相机图像的期望平均灰度值；控制器调整曝光参数；执行器为面阵相机；曝光模型单元对执行器进行数学建模，所述数学建模对无延迟的执行器进行模拟，时滞环节单元模拟本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种航空光学面阵相机自动调光控制系统，其特征在于，包括输入端、控制器、执行器、曝光模型单元、时滞环节单元和输出端；输入端、控制器、执行器和输出端依次连接，曝光模型单元和时滞环节单元连接后再整体与执行器并列连接；其中，输入端输入面阵相机图像的期望平均灰度值；控制器调整曝光参数；执行器为面阵相机；曝光模型单元对执行器进行数学建模，所述数学建模对无延迟的执行器进行模拟，时滞环节单元模拟执行器的延迟，输出端输出面阵相机图像的实际平均灰度值。2.根据权利要求1所述的航空光学面阵相机自动调光控制系统，其特征在于，确定面阵相机图像的期望平均灰度值计算公式为：，其中，DN
target
为面阵相机图像的期望平均灰度值，B为图像的比特深度，σ为超参数。3.根据权利要求1所述的航空光学面阵相机自动调光控制系统，其特征在于，影响所述实际平均灰度值的曝光参数包括光圈数、曝光时间和感光度。4.根据权利要求1所述的航空光学面阵相机自动调光控制系统，其特征在于，所述控制器是一个PID或者PI控制器。5.根据权利要求1所述的航空光学面阵相机自动调光控制系统，其特征在于，对执行器进行数学建模的表达式为： ，其中，DN表示输出图像的平均灰度值，E表示单位面积的光通量，F表示光圈数，t表示曝光时间，C为系统常数。6.根据权利要求4所述的航空光学面阵相机自动调光控制系统，其特征在于，对执行器进行数学建模方法为：将一个高帧频的视频相机和面阵相机排列在一起，保证所述视频相机和面阵相机视场角相同；视频相机采用固定的曝光参数对景物成像，视频相机输出图像的平均灰度值DN
v
和面阵相机输出图像的平均灰度值DN
c
的关系为：；其中DN
c
对应的曝光参数为t
c
和F
c
，分别是面阵相机的预设曝光时间和预设光圈数，a和b为标定参数，通过DN
v
计算得到面阵相机在t
c

【专利技术属性】
技术研发人员：赵嘉鑫，高德斌，武崴，张英朋，
申请(专利权)人：长春长光睿视光电技术有限责任公司，
类型：发明
国别省市：