第30卷第24期光学精密工程Vol.30 No.242022年12月Optics and Precision Engineering文章编号1004-924X(2022)24-3128-11航空光电成像像移与像旋运动补偿控制技术综述王昱棠12，田大鹏12(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所航空光学成像与测量重点实验室，吉林长春130033：2.中国科学院大学，北京100049)摘要：本文从控制的角度综述了大视场、高分辨率需求下，航空光电成像系统像移与像旋运动补偿控制技术的先进技术及研究进展。结合像移与像旋运动补偿控制发展趋势，将其分为单一执行器补偿控制和多执行器协同补偿控制两大类。对于单一执行器补偿控制，从控制照准架、控制光路折转、控制成像介质运动的三个角度进行了总结：对于多执行器协同控制，从指令协调、机械联动和多执行器信息交互三个角度，对协同补偿控制方案进行了梳理和分析：最后从五个研究方面对像移与像旋运动补偿控制的难点和未来发展趋势进行了展望。研究结果有助于航空光电成像领域学者快速全面的了解像移与像旋运动补偿控制的研究现状和发展趋势，为进一步提升航空光电成像装备的综合性能提供有益借鉴。关键词：航空光电成像：像移；像旋；运动补偿；伺服控制中图分类号：TP273文藏标识码：Adoi:10.37188/0PE.20223024.3128Review of image shift and image rotation compensation controltechnology for aviation optoelectronic imagingWANG Yutang'2,TIAN Dapeng'(1.Key Laboratory of Airborne Optical Imaging and Measurement,Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China;2.University of Chinese Academy of Sciences.Beijing 100049.China)Corresponding author,E-mail:d.tian@ciomp.ac.cnAbstract:In terms of control,this study systematically reviews the advanced technology and researchprogress of image shift and image rotation compensation control technology for aviation optoelectronic im-aging with a large field of view and high-resolution requirements.Under the development trend of imageshift and rotation compensation control,the technology can be divided into two major categories:single-and multi-actuator cooperative compensation controls.For single-actuator compensation control,compen-sation methods based on gimbal control,optical path folding,and imaging medium control are summa-rized.For multi-actuator cooperative compensation control,the collaborative control scheme is resolvedand analyzed from the three perspectives of command coordination,mechanical linkage,and multi-actua-收稿日期：2022-07-08；修订日期：2022-08-02.基金项目：中国科学院前沿科学重点研究计划资助项目(No.ZDBS-LY-JSC044);国家自然科学基金资助项目(No.12203049,No.T2122001):中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划资助项目(No.YSBR-066):长春市科技发展计划资助项目(No.21SH03)第24期王垦棠，等：航空光电成像像移与像旋运动补偿控制技术综述3129tor information interaction,and the difficulties and future development trends of image shift and image rota-tion motion compensation control are prospected from five research angles.The study will contribute to arapid and comprehensive understanding of the research status and development trends of image shift and ro-tation compensation control in the field of aviation optoelectronic imaging and act as a helpful reference forfurther improving the synthesis performance of aviation optoelectronic imaging equipment.Key words:aviation optoelectronic imaging;image shift;image rotation;motion compensation;servocontrol1引言频步进凝视成像[。英国F-9120相机为典型连续扫描成像系统，利用线阵时间延迟积分(Time航空光电成像载荷搭载在飞机、飞艇等各类Delay and Integration,TDI)探测器实现全景扫动基座载体上，可以机动灵活地获取直观的图像描成像，驱动扫描镜转动补偿像移，稳定精度优信息，是快速获取高精度场景图像数据的有效手于0.5rad。双谱段航空远距斜视DB-110相段，广泛应用于军事侦察、电力巡检四、地理测机利用扫描与步进凝视混合成像模式实现不同绘、环境监测、精准农业等重要的军事及民谱段性能优化，通过控制俯仰照准架补偿前向像用领域，具有强烈的应用需求，是国内外的研究移，第三代DB-110相机视轴稳定精度能够控制热点。在1/2个像元之内。航空光电成像过程中，载机的前向运动、成自上世纪90年代，国内多家单位先后开展了像载荷扫描运动以及系统振动等因素会造成景像移与像旋运动补偿技术研究。王德江等研究物的像与成像介质间的相对运动，即像移和像了TDI-CCD全景航空相机前向像移补偿方法，旋。它们在成像介质上的耦合和叠加导致像模像移补偿残差为0.425m。王惠林等分别推糊和拖尾效应，降低成像分辨率，导致目标形态导了平行光路和会聚光路中快速反射镜像移补的关键信息丢失，影响图像的整体判读和测量。偿随动角度的规律。针对航空成像系统扫描控制成像装备内各类执行器是补偿像移和像旋反射镜运动带来的像旋问题，一些学者提出齿运动、提高成像系统整体性能的最直接手段。随轮、钢丝绳的机械联动以及双电机同步控制【]着航空光电成像的任务越来越复杂，补偿成像运等像旋补偿方案。动执行器的形式和数量越来越多，像移和像旋运本文对航空光电成像像移与像旋补偿控制动补偿控制方案也更多样，补偿效果也不仅仅局技术进行了系统的分析和研究，以提升成像系统限在单一执行器控制性能的提升，还需要关注多性能为核心目标，从控制的角度对不同补偿方法个执行器间的协同控制以获得整体成像质量的进行分类论述，分析和对比了每种方法的优缺提升，补偿难度越来越大。点，并对航空光电成像运动补偿的发展给出相应二十世纪六七十年代开始，发达国家开始将的思考和建议。运动补偿技术应用于高性能航空相机中。美国全球鹰相机、CA-295双波段相机以及以色列原理与分类LOROP光电侦察系统是典型的步进凝视成像系统，通过多轴照准架及主次镜配合实现步进扫描2.1概念和原理和稳定成像。其中，Raytheon公司研制的具有广航空光电成像过程中，载机的高速前向运动域搜索能力的高精度全球鹰相机采用主镜连续导致曝光时间内景物与成像介质间的相对运动，扫描、内置反射镜同步运动的视轴复合控制技术产生前向像移（图1），载机飞行过程中姿态变化实现稳像和像移补偿，相机视轴稳定精度可达3和振动会产生随机像移和振动像移。rad,稳定带宽为300Hz,并能够实现30ps的高为扩大收容范围、提高作业效率，航空光电3130光学精密工程第30卷成像载荷可以采用扫描成像方式，在垂直于飞行单一执行器多执行器补量控制协同补偿控制方向上主动控制视轴运动，通过摆扫或推扫成像控制照准架方式高效地获取大范围目标图像（图2）。移指令协同控制光路折转成像电子机械联动控制光路折转Aviation图3成像运动补偿控制分类Flight altitude(a航空光电成像(b)前向像移产生原理单一执行器控制补偿(a)Aviation optoelectronicimagingimage shift图1航空光电成像示意图3.1像移补偿控制Fig.I Schematic diagram of aviation optoelectronic im-3.1.1基于照准架控制的像移补偿aging航空光电成像载荷一般为包含一个或多个轴系自由度的多照准架结构。扫描成像过程中，Flight direction2通过控制载荷俯仰照准架与载机飞行方向反向同步运动，能够补偿前向像移。文献[15]中，基于悬臂结构的三轴成像载荷根据载机实时飞行速度生成指令，控制俯仰照准架补偿前向像移。Scan direction由于照准架转动惯量相对较大，所受风阻、载机(a)航空光电扫描成像(b)扫描像移和像旋的产生原理晃动等复杂环境干扰影响，照准架控制回路的带(a)Aviation optoelectronic(b)Formation principle of scanscan imagingimage shift and rotation宽很难达到几十Hz以上，对随机像移及振动像图2航空光电扫描成像示意图移的补偿性能有限。考虑像移补偿残差对成像质量的影响，上述系统允许的最大曝光时间为imaging1.9ms。3.1.2基于光路折转控制的像移补偿但是，传统采用旋转整个光学系统的扫描方通过控制成像光路中反射镜、双光楔、摆动式存在惯量大、响应慢、能耗高等问题，而且采用透镜、旋转多面体及反射棱柱等补偿元件反向运旋转扫描镜的方式会影响成像光路中光束的折动，使光束按照特定规律改变其传播方向，能够转，导致在曝光时间内景物与成像介质之间的相补偿像移造成的成像模糊[。根据补偿执行器对运动，产生扫描像移和像旋)]在光路中的位置，这类方法又可以细分为物方补2.2技术分类偿和像方补偿两种（如图4）。航空光电成像像移和像旋补偿控制分类如3.1.2.1物方像移补偿图3所示，根据运动补偿回路控制结构，分为单一物方像移补偿是指将补偿执行器放置在光执行器控制补偿和多执行器协同控制补偿。单学系统的物方，通过控制物方光束的折转补偿像一执行器控制补偿是指对某一个执行器单独设移。这种方法不会引入原理性光学偏差，且后续计控制器来补偿像移或像旋。多执行器协同控光路不需要进行适应性改动。美国KA-112型航制补偿是指当系统中存在多个成像运动相关的空相机与国内某摆扫型航空相机均采用驱动物执行器时，补偿控制器是在考虑整体成像性能的方扫描镜的方式补偿载机飞行导致的前向像条件下通过指令协同、机械联动或者信息交互的移1。但是，物方补偿器的尺寸一般为像方执方式设计。行器的几倍，伺服系统宽频带控制的难度相对更