航空光电成像像移与像旋运动补偿控制技术综述

王昱棠; 田大鹏

doi:10.37188/OPE.20223024.3128

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

航空光电成像像移与像旋运动补偿控制技术综述

现代应用光学 | 更新时间：2022-12-27

- 航空光电成像像移与像旋运动补偿控制技术综述
- Review of image shift and image rotation compensation control technology for aviation optoelectronic imaging
- 光学精密工程 2022年30卷第24期页码：3128-3138
- 作者机构：
  
  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
- 作者简介：
  
  [ "王昱棠（1987-），女，内蒙古呼伦贝尔人，副研究员，硕士生导师，2012年于北京理工大学获得硕士学位，2019年于中国科学院大学获得博士学位，主要从事航空光电成像装备运动控制方面的研究。E-mail： ytwang@ciomp.ac.cn" ]
  [ "田大鹏（1984-），男，辽宁铁岭人，研究员，博士生导师，国家优青，中国科学院青年创新促进会优秀会员，2007年于北京理工大学获得学士学位，2012年于北京航空航天大学获得博士学位，2009-2012年任日本庆应义塾大学先导研究中心共同研究员，主要从事运动控制理论与技术方面的研究。E-mail： d.tian@ciomp.ac.cn" ]
- 基金信息：
  
  中国科学院前沿科学重点研究计划资助项目(ZDBS-LY-JSC044);国家自然科学基金资助项目(12203049;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(YSBR-066);长春市科技发展计划资助项目(21SH03)
- DOI：10.37188/OPE.20223024.3128
  中图分类号： TP273
- 收稿日期：2022-07-08，
  
  修回日期：2022-08-02，
  
  纸质出版日期：2022-12-25
- 稿件说明：
移动端阅览
王昱棠,田大鹏.航空光电成像像移与像旋运动补偿控制技术综述[J].光学精密工程,2022,30(24):3128-3138.

WANG Yutang,TIAN Dapeng.Review of image shift and image rotation compensation control technology for aviation optoelectronic imaging[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(24):3128-3138.
王昱棠,田大鹏.航空光电成像像移与像旋运动补偿控制技术综述[J].光学精密工程,2022,30(24):3128-3138. DOI： 10.37188/OPE.20223024.3128.

WANG Yutang,TIAN Dapeng.Review of image shift and image rotation compensation control technology for aviation optoelectronic imaging[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(24):3128-3138. DOI： 10.37188/OPE.20223024.3128.

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。

Abstract

In terms of control， this study systematically reviews the advanced technology and research progress of image shift and image rotation compensation control technology for aviation optoelectronic imaging with a large field of view and high-resolution requirements. Under the development trend of image shift 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， compensation methods based on gimbal control， optical path folding， and imaging medium control are summarized. For multi-actuator cooperative compensation control， the collaborative control scheme is resolved and analyzed from the three perspectives of command coordination， mechanical linkage， and multi-actuator information interaction， and the difficulties and future development trends of image shift and image rotation motion compensation control are prospected from five research angles. The study will contribute to a rapid and comprehensive understanding of the research status and development trends of image shift and rotation compensation control in the field of aviation optoelectronic imaging and act as a helpful reference for further improving the synthesis performance of aviation optoelectronic imaging equipment.

关键词

Keywords

references

SHIMONI M ， HAELTERMAN R ， PERNEEL C . Hypersectral imaging for military and security applications： combining myriad processing and sensing techniques ［J］. IEEE Geoscience and Remote Sensing Magazine ， 2019 ， 7 （ 2 ）： 101 - 117 .

DUTTA T ， SONI A ， GONA P ， et al . Real testbed for autonomous anomaly detection in power grid using low-cost unmanned aerial vehicles and aerial imaging ［J］. IEEE MultiMedia ， 2021 ， 28 （ 3 ）： 63 - 74 .

ZHANG H W ， YUAN G Q ， LIU X J . Precise calibration of dynamic geometric parameters cameras for aerial mapping ［J］. Optics and Lasers in Engineering ， 2022 ， 149 ： 106816 .

KIM J I ， CHI J ， MASJEDI A ， et al . High-resolution hyperspectral imagery from pushbroom scanners on unmanned aerial systems ［J］. Geoscience Data Journal ， 2021 ： 1 - 14 .

ZHANG H D ， WANG L Q ， TIAN T ， et al . A review of unmanned aerial vehicle low-altitude remote sensing （UAV-LARS） use in agricultural monitoring in China ［J］. Remote Sensing ， 2021 ， 13 （ 6 ）： 1221 .

CHANG C Y ， BENDER P A . Global hawk integrated sensors suite-recent upgrades and images ［C］. 26 September 2005 -29 September 2005， Arlington， Virginia. Reston， Virginia ： AIAA ， 2005： 7006 .

RUSSO M J ， LOBIONDO S ， COON B ， et al . Beryllium optics and beryllium-aluminum structures for reconnaissance applications ［C］. Optical Engineering + Applications. Proc SPIE 6666， Optical Materials and Structures Technologies III ， San Diego， California， USA . 2007 ， 6666 ： 238 - 251 .

LANGE D ， IYENGAR M ， MAVER L ， et al . The Goodrich 3rd generation DB-110 system： successful flight test on the F-16 aircraft ［C］. Defense and Security Symposium. Proc SPIE 6546， Airborne Intelligence， Surveillance， Reconnaissance （ISR） Systems and Applications IV ， Orlando， Florida， USA . 2007 ， 6546 ： 38 - 53 .

王德江，匡海鹏，蔡希昌，等 . TDI-CCD全景航空相机前向像移补偿的数字实现方法［J］. 光学精密工程， 2008 ， 16 （ 12 ）： 2465 - 2472 . doi: 10.3321/j.issn:1004-924X.2008.12.024 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1004-924X.2008.12.024

WANG D J ， KUANG H P ， CAI X CH ， et al . Digital implementation of forward motion compensation in TDI-CCD panoramic aerial camera ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2008 ， 16 （ 12 ）： 2465 - 2472 . （in Chinese） . doi: 10.3321/j.issn:1004-924X.2008.12.024 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1004-924X.2008.12.024

吴雄雄，栾亚东，王惠林，等 . 航空光电成像系统像移补偿技术研究［J］. 应用光学， 2022 ， 43 （ 3 ）： 424 - 429 .

WU X X ， LUAN Y D ， WANG H L ， et al . Image motion compensation technology of aerial photoelectric imaging system ［J］. Journal of Applied Optics ， 2022 ， 43 （ 3 ）： 424 - 429 . （in Chinese）

张继超，周九飞，张雷 . 摆扫式航空遥感器像旋补偿方法［J］. 红外与激光工程， 2012 ， 41 （ 9 ）： 2396 - 2400 . doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2012.09.027 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1007-2276.2012.09.027

ZHANG J CH ， ZHOU J F ， ZHANG L . Image spin compensation on scanning frame remote sensor ［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2012 ， 41 （ 9 ）： 2396 - 2400 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2012.09.027 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1007-2276.2012.09.027

王平，田大鹏，徐宁，等 . 航空光电侦察平台内藏式扫描系统像旋分析及补偿［J］. 光学学报， 2017 ， 37 （ 9 ）： 66 - 74 .

WANG P ， TIAN D P ， XU N ， et al . Analysis and compensation of image rotation in internally mounted scanning system for aerial electric-optical reconnaissance platform ［J］. Acta Optica Sinica ， 2017 ， 37 （ 9 ）： 66 - 74 . （in Chinese）

WANG K D ， SU X Q ， LI Z ， et al . ADRC system of FSM for image motion compensation ［C］. Proc SPIE 10256， Second International Conference on Photonics and Optical Engineering ， 2017 ， 10256 ： 17 - 23 .

RAMACHANDRAN M P ， AGARWAL M K ， DANIEL D A . Efficient onboard image motion compensation for orbital inclination and eccentricity of geostationary weather satellites ［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers ， Part G： Journal of Aerospace Engineering， 2020 ， 234 （ 7 ）： 1311 - 1325 .

YANG Y M ， YU C F ， WANG Y C ， et al . Imaging attitude control and image motion compensation residual analysis based on a three-axis inertially stabilized platform ［J］. Applied Sciences ， 2021 ， 11 （ 13 ）： 5856 .

DAUTT-SILVA A ， DE CALLAFON R A . Multivariable dynamic input shaping for two-axis fast steering mirror ［J］. IFAC-PapersOnLine ， 2020 ， 53 （ 2 ）： 8644 - 8649 .

WANG D ， JIA X Z . Design and experimental research of a new type focus mechanism used in space-based telescope ［C］. 2012 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation . Chengdu， China . IEEE ， 2012 ： 1597 - 1601 .

田海英，刘明 . 基于扫描反射镜的航空相机前向像移补偿［J］. 光电工程， 2014 ， 41 （ 9 ）： 20 - 24 .

TIAN H Y ， LIU M . The forward image motion compensating scheme of aerial camera based on scanning mirror ［J］. Opto-Electronic Engineering ， 2014 ， 41 （ 9 ）： 20 - 24 . （in Chinese）

SUN J J ， DING Y L ， ZHANG H W ， et al . Conceptual design and image motion compensation rate analysis of two-axis fast steering mirror for dynamic scan and stare imaging system ［J］. Sensors （Basel， Switzerland）， 2021 ， 21 （ 19 ）： 6441 .

YUAN G ， WANG D H ， LI S D . Single piezoelectric ceramic stack actuator based fast steering mirror with fixed rotation axis and large excursion angle ［J］. Sensors and Actuators A： Physical ， 2015 ， 235 ： 292 - 299 .

CHANG T Q ， WANG Q D ， ZHANG L ， et al . Battlefield dynamic scanning and staring imaging system based on fast steering mirror ［J］. Journal of Systems Engineering and Electronics ， 2019 ， 30 （ 1 ）： 37 - 56 .

WANG L ， LIU X L ， WANG C Y . Modeling and design of fast steering mirror in image motion compensation for backscanning step and stare imaging systems ［J］. Optical Engineering ， 2019 ， 58 ： 103105 . doi: 10.1117/1.OE.58.10.103105 http://dx.doi.org/10.1117/1.OE.58.10.103105

王福超，王昱棠，田大鹏 . 音圈快速反射镜的完全跟踪控制［J］. 光学精密工程， 2020 ， 28 （ 9 ）： 1997 - 2006 . doi: 10.37188/OPE.20202809.1997 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20202809.1997

WANG F CH ， WANG Y T ， TIAN D P . Perfect tracking control for fast-steering mirror driven by voice coil motor ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2020 ， 28 （ 9 ）： 1997 - 2006 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20202809.1997 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20202809.1997

CAI S ， ZHANG X ， ZHU Y J ， et al . Integration time interpolation control of space-borne TDICCD ［J］. Journal of Physics： Conference Series ， 2020 ， 1607 （ 1 ）： 012087 .

ZHANG J ， DING Y L ， ZHANG L H ， et al . Precise alignment method of time-delayed integration charge-coupled device charge shifting direction in aerial panoramic camera ［J］. Optical Engineering ， 2016 ， 55 ： 125101 .

CHEN W N ， LEI Y J ， TAO Y H . Research on the fast image motion compensation technology of aerial digital camera ［C］. Proceedings of the 2nd International Conference on Control and Computer Vision - ICCCV 2019. June 15 - 18 ， 2019 . Jeju， Republic of Korea. New York ： ACM Press ， 2019 ： 71 - 74 .

BALCAEN R ， REU P L ， LAVA P ， et al . Influence of camera rotation on stereo-DIC and compensation methods ［J］. Experimental Mechanics ， 2018 ， 58 （ 7 ）： 1101 - 1114 . doi: 10.1007/s11340-017-0368-x http://dx.doi.org/10.1007/s11340-017-0368-x

SHAPAR V . Principles of compensation of optical rays' rotation and multi-channel optical rotary connectors ［J］. Applied Optics ， 2018 ， 57 （ 27 ）： 8023 - 8033 .

SANDO Y ， BARADA D ， YATAGAI T . Optical rotation compensation for a holographic 3D display with a 360 degree horizontal viewing zone ［J］. Applied Optics ， 2016 ， 55 （ 30 ）： 8589 - 8595 .

ABDO M ， BADILITA V ， KORVINK J . Spatial scanning hyperspectral imaging combining a rotating slit with a Dove prism ［J］. Optics Express ， 2019 ， 27 （ 15 ）： 20290 - 20304 .

WANG B ， HONG P . A design of area array infrared panoramic imaging system based on position closed loop ［C］. Proc SPIE 11338 ， AOPC 2019 ： Optical Sensing and Imaging Technology ， 2019 ， 11338 ： 240 - 247 .

TIAN D P ， WANG Y T ， WANG F C ， et al . Bilateral control-based compensation for rotation in imaging in scan imaging systems ［J］. Optical Engineering ， 2015 ， 54 ： 124104 .

XU ， YAN ， GU ， et al . Analysis of dynamic modulation transfer function for complex image motion ［J］. Applied Sciences ， 2019 ， 9 （ 23 ）： 5142 .

HAYAKAWA T ， WATANABE T ， SENOO T ， et al . Gain-compensated sinusoidal scanning of a galvanometer mirror in proportional-integral-differential control using the pre-emphasis technique for motion-blur compensation ［J］. Applied Optics ， 2016 ， 55 （ 21 ）： 5640 - 5646 . doi: 10.1364/ao.55.005640 http://dx.doi.org/10.1364/ao.55.005640

LAREAU A G ， PARTYNSKI A J . Dual-band framing cameras： technology and status ［C］. International Symposium on Optical Science and Technology. Proc SPIE 4127 ， Airborne Reconnaissance XXIV， San Diego， CA， USA . 2000 ， 4127 ： 148 - 156 .

张洪文，曹国华，李延伟，等 . 钢丝绳传动在航空光学遥感器上的应用［J］. 激光与红外， 2013 ， 43 （ 4 ）： 418 - 422 . doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2013.04.015 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-5078.2013.04.015

ZHANG H W ， CAO G H ， LI Y W ， et al . Application of wire rope gearing in aerial optical remote sensor ［J］. Laser ＆ Infrared ， 2013 ， 43 （ 4 ）： 418 - 422 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2013.04.015 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-5078.2013.04.015

王凯，孔德杰，宋悦铭，等 . 钢丝绳传动的三轴转台伺服控制的设计［J］. 红外技术， 2022 ， 44 （ 1 ）： 54 - 60 . doi: 10.11846/j.issn.1001-8891.2022.1.hwjs202201008 http://dx.doi.org/10.11846/j.issn.1001-8891.2022.1.hwjs202201008

WANG K ， KONG D J ， SONG Y M ， et al . Design of a three-axis turntable servo control using wirerope transmission ［J］. Infrared Technology ， 2022 ， 44 （ 1 ）： 54 - 60 . （in Chinese） . doi: 10.11846/j.issn.1001-8891.2022.1.hwjs202201008 http://dx.doi.org/10.11846/j.issn.1001-8891.2022.1.hwjs202201008

李昕阳，张涛，刘志明，等 . 全景式TDICCD摆扫航空相机像面旋转的高精度补偿［J］. 光学学报， 2014 ， 34 （ 6 ）： 82 - 90 .

LI X Y ， ZHANG T ， LIU ZH M ， et al . High accuracy compensation for image surface rotation of panoramic TDICCD scanning aerial camera ［J］. Acta Optica Sinica ， 2014 ， 34 （ 6 ）： 82 - 90 . （in Chinese）

TIAN D P ， WANG Y T ， WANG Z S ， et al . Long integral time continuous panorama scanning imaging based on bilateral control with image motion compensation ［J］. Remote Sensing ， 2019 ， 11 （ 16 ）： 1924 .

GAO Y ， XU R ， WANG Y T ， et al . Multi-actuator control with modal switching and different disturbance for scanning imaging motion compensation ［J］. IET Control Theory & Applications ， 2021 ， 15 （ 15 ）： 1931 - 1941 .

WANG Y T ， TIAN D P ， XU R . Multiactuators control for prototype panorama scanning imaging with input saturation ［J］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems ， 2022 ， 58 （ 3 ）： 2117 - 2126 .

WANG Q L ， GAO H J ， ALSAADI F ， et al . An overview of consensus problems in constrained multi-agent coordination ［J］. Systems Science & Control Engineering ， 2014 ， 2 （ 1 ）： 275 - 284 .

XU W Y ， HO D W C ， LI L L ， et al . Event-triggered schemes on leader-following consensus of general linear multiagent systems under different topologies ［J］. IEEE Transactions on Cybernetics ， 2017 ， 47 （ 1 ）： 212 - 223 .

ZHANG H ， GURFIL P . Distributed control for satellite cluster flight under different communication topologies ［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics ， 2015 ， 39 （ 3 ）： 617 - 627 .

YANG F ， WU Z C ， ZENG J S ， et al . Study on the influence of image motion on image radiation quality ［C］. Communications， Signal Processing， and Systems ， 2020 .

浏览量

1162

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

变参数线性跟踪微分器及其在地平式大视场望远镜中的应用

可见光视频去噪及其FPGA硬件实现

卫星星间激光通信粗跟踪转台控制系统

基于改进运动矢量估计法的视频稳像

蝶形直线电机的模糊Takagi-Sugeno鲁棒控制