航空光谱相机动态目标发生系统的制作方法
航空光谱相机动态目标发生系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光电检测技术领域。
【背景技术】
[0002] 光谱成像技术广泛应用于军事侦察、资源考察、农林、水文和地质勘查、环境监测、 灾害调查W及测绘制图等领域。航空光谱相机的成像性能直接决定了航空对地观测的结 果，该就需要我们在研制和使用维护过程中对光谱相机的性能指标进行检测。直接的检测 方法就是将光谱相机安装到本机或它机上进行试飞试验，通过大量的飞行试验，调整设备 状态，考核设备的成像性能。然而，试飞试验需要耗费大量的人力、物力和财力，而且需要试 飞多次才能完成检测任务，资源消耗巨大。因此，如果能够在地面实验室内对航空光谱相机 的各项技术指标进行充分测试和正确评估，将为外场试飞试验提供可靠的基础数据，从而 大幅减少使用实际飞行试验对其进行检测的试飞次数，不但节省了大量的人力、物力和资 金，还缩短了研制周期，提高了研制质量。
[0003] 目前国内航空相机检测设备的研究单位主要有中科院长春光机所、某兵工企业、 哈尔滨工业大学、长春理工大学等科研机构。中科院长春光机所研究的动态目标仿真系统， 通过转台带动目标图形作一定规律的运动，动态目标图形做成鉴别率板的图线，模拟无穷 远地面动态成像，确定相机的动态成像的分辨能力；某兵工企业研制的航空CCD相机性能 检测设备，将被测相机的CCD像面与=个固定角度间隔的平行光管的光轴交点共面，根据 飞机的速高比控制分辨率板的运行速度，相机通过平行光管成像，判读测试出相机在不同 视场角下的分辨率；哈尔滨工业大学研制的航空相机性能检测设备，模拟飞机在高空的偏 航运动和横滚运动，分辨率板W不同的速度做直线运动，来模拟飞机与地面景物的相对运 动，通过评价相机拍摄相片质量来检测航空相机性能；长春理工大学研制的航空相机地面 景物模拟系统，采用胶片模拟地面景物，力矩电机带动胶片转动，被测航空相机放置于平行 光管另一侧对W-定速度匀速转动的胶片进行拍照，然后对其拍摄图像进行质量评价，给 出评价结果。
[0004] 上述检测设备主要是为早期的胶片相机或者CCD相机提供分辨率检测或动态成 像检测功能，主要测试可见光段光学相机。对于可见光至红外谱段的航空光谱相机，原有检 测设备的成像目标、光学系统不能满足光谱相机的成像检测需求。
[0005] 针对目前高空高速环境下使用的航空光谱相机，成像检测设备需要模拟的飞行高 度从低空几千米到临近空间30千米，模拟的飞行速度从低亚音速到3马赫超音速，模拟的 飞行平台俯仰角和横滚角变化范围-15°~+15°，被测相机的谱段范围400nm~2500nm， 视场角达到30°W上。为满足上述需求，研制的系统包括模拟气动热和气动力环境的高温 高速气流生成装置、模拟飞行姿态的摇摆平台、模拟地面运动场景的动态目标发生装置、模 拟无限远成像的光学系统及相应的辅助设备。
[0006] 其中，动态目标发生装置主要配合平行光管模拟飞机飞行时的地面环境，其主要 实现功能是通过带动目标胶片按照主控平台所给的速度参数运动，同时调节光源亮度模拟 地面环境亮度。由于动态目标发生直接影响后续的航空相机成像性能评价，所w精确控制 胶片的转动速率至为关键。
[0007] 国内现有的如中科院长春光机所、某兵工企业、哈尔滨工业大学所研制的动态目 标发生装置都是通过机械转台来控制动态目标的速度，加工成本高，不便于移动及携带。长 春理工大学研制的航空相机地面景物模拟系统是通过力矩电机控制其速度，虽然其灵活便 捷，但是在控制精度方便，则达不到很好的效果。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是提供一种可W保证目标胶片在低速和高速高精度匀速转动(速度 范围7mm/s~51mm/s)与匀变速运动，更加真实、可靠的模拟飞机与地面景物相对运动的航 空光谱相机动态目标发生系统。
[0009] 本发明是由上位机、cRIO系统、伺服电机及伺服驱动器、伺服电机减速机、编码器、 稳压模块、目标胶片、机械安装架和箱体、主控系统构成； 其中主控系统是采用的LabVIEW人机界面软件程序，安装在上位机内； 上位机通过W太网，一根网线与cRIO系统的控制器相连接，机箱插在控制器上，电源 接入220V电压，电源输出接线端子24V+通过导线连接到控制器接线端子VI与稳压模块的 输入+，电源接线端子24V-通过导线连接到控制器的接线端子C与稳压模块的输入-，稳 压模块的输出+连接到伺服驱动器接线端子XI的1管脚与编码器的红线上，数字板卡和模 拟板卡插在机箱插槽中，分别插入1插槽和2插槽，模拟板卡的0管脚通过导线连接到伺服 驱动器的接线端子XI的21管脚，编码器的输出为藍色线连接到数字板卡的14管脚，伺服 驱动器接线端子X2与伺服电机通过标准插口相连，伺服驱动器的接线端子U、V、W与伺服电 机通过标准插口相连，伺服驱动器的接线端子L1与L1C，L2与L2C通过导线相连，L1与L2 通过电源线接入220V电压，伺服电机的转动轴连接入减速机，通过外六角扳手将伺服电机 锁死在减速机上，减速机转动轴连接到固定在机械安装架上的胶片鼓下方，通过螺丝固定 住，机械安装架上方，目标胶片绕在胶片鼓上，调节压片装置，将胶片撑紧，编码器固定在机 械安装架上，编码器转轴安装上联轴器，联轴器贴紧胶片，使胶片转动带动编码器转动，稳 压模块的输出-、模拟板卡的1管脚（COM接线端口）、数字板卡的1管脚（COM接线端口）、伺 服驱动器的接线端子XI的8管脚、9管脚、14管脚都接入0V; 操作过程： 上位机主控制系统设定一个线速度给PID控制算法的设定量输入端，由于PID的输入 输出为模拟电压，将设定的线速度转换成对应伺服电机转动需要设定的电压值，线速度与 模拟电压关系是通过如下方法得出的： 上位机输出均匀增加模拟电压输出给伺服电机，使其做加速度不变 的匀加速转动，通 过编码器采集此过程的线速度，即得出模拟输出电压与目标胶片的线速度的数据对照关 系，再通过MTLAB软件，拟合出线速度一电压关系式；通过拟合，得出模拟电压与胶片鼓线 速度关系为： U=0.2033V+0. 0462 U;模拟电压 V;胶片线速度 编码器为光电编码器，编码器采集实时线速度的方法为： 当胶片鼓带动目标胶片转动的同时带动编码器转轴转动，所W胶片鼓的线速度与编码 器转轴的线速度是相同的，编码器输出为方波脉冲，目标胶片的线速度计算如下：
【主权项】
1. 一种航空光谱相机动态目标发生系统，其特征在于：是由上位机、cRIO系统、伺服电 机及伺服驱动器、伺服电机减速机、编码器、稳压模块、目标胶片、机械安装架和箱体、主控 系统构成； 其中主控系统是采用的LabVIEW人机界面软件程序，安装在上位机内； 上位机通过以太网，一根网线与cRIO系统的控制器相连接，机箱插在控制器上，电源 接入220V电压，电源输出接线端子24V+通过导线连接到控制器接线端子Vl与稳压模块的 输入+，电源接线端子24V -通过导线连接到控制器的接线端子C与稳压模块的输入-，稳 压模块的输出+连接到伺服驱动器接线端子Xl的1管脚与编码器的红线上，数字板卡和模 拟板卡插在机箱插槽中，分别插入1插槽和2插槽，模拟板卡的0管脚通过导线连接到伺服 驱动器的接线端子Xl的21管脚，编码器的输出为蓝色线连接到数字板卡的14管脚，伺服 驱动器接线端子X2与伺服电机通过标准插口相连，伺服驱动器的接线端子U、V、W与伺服电 机通过标准插口相连，伺服驱动器的接线端子Ll与L1C，L2与L2C通过导线相连，Ll与L2 通过电源线接入220V电压，伺服电机的转动轴连接入减速机，通过外六角扳手将伺服电机 锁死在减速机上，减速机转动轴连接到固定在机械安装架上的胶片鼓下方，通过螺丝固定 住，机械安装架上方，目标胶片绕在胶片鼓上，调节压片装置，将胶片撑紧，编码器固定在机 械安装架上，编码器转轴安装上联轴器，联轴器贴紧胶片，使胶片转动带动编码器转动，稳 压模块的输出-、模拟板卡的1管脚（COM接线端口）、数字板卡的1管脚（COM接线端口）、伺 服驱动器的接线端子Xl的8管脚、9管脚、14管脚都接入OV ; 操作过程： 上位机主控制系统设定一个线速度给PID控制算法的设定量输入端，由于PID的输入 输出为模拟电压，将设定的线速度转换成对应伺服电机转动需要设定的电压值，线速度与 模拟电压关系是通过如下方法得出的： 上位机输出均匀增加模拟电压输出给伺服电机，使其做加速度不变的匀加速转动，通 过编码器采集此过程的线速度，即得出模拟输出电压与目标胶片的线速度的数据对照关 系，再通过MTLAB软件，拟合出线速度一电压关系式；通过拟合，得出模拟电压与胶片鼓线 速度关系为： U=0. 2033V+0. 0462 U :模拟电压 V :胶片线速度 编码器为光电编码器，编码器采集实时线速度的方法为： 当胶片鼓带动目标胶片转动的同时带动编码器转轴转动，所以胶片鼓的线速度与编码 器转轴的线速度是相同的，编码器输出为方波脉冲，目标胶片的线速度计算如下：
f :方波脉冲频率 m :编码器分辨率 r :编码器联轴器转轴半径 V :目标胶片线速度 PID控制算法的输入即为模拟电压，设置上位机的cRIO系统配套软件，将模拟电压通 过模拟板卡的〇管脚输出，模拟电压信号通过导线传递给伺服驱动器的接线端子Xl的21 管脚，伺服驱动器控制伺服电机以设定的线速度转动，此时，由于没有形成PID闭环控制， 所以误差较大，再通过编码器采集实时线速度，将线速度转换成模拟电压，将实时的模拟电 压值作为PID控制算法的变化量输入，通过反馈量调节控制量，实现对电机速度的精确控 制； 上述PID控制算法由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成，其输入控制器输入与 设定值之间的误差e (t)与输出u (t)的关系如下：
其中KP为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数； 在计算机处理算法时不能够对模拟量进行直接处理，要使用数字PID控制器进行计 算，所以要对上式进行离散化处理，作变量替换：
公式中，k是采样序号，T是采样周期，T越短系统精度越高但计算量也相应增加； 令kT简化变成k，得：
由于场景胶片转动速度的控制需要的是控制量的增量，且只与最近的前k次反馈的数 值有关，因此在速度测控系统中选取增量式PID控制算法，由上式递推得：
两式相减得到：
由上式可以看出，如果输入了 Kp JiJd三个参数的值，仅仅使用之前的三次得到的反馈 值与设定值，即可以用增量式PID控制算法对输出量进行计算。
【专利摘要】一种航空光谱相机动态目标发生系统，属于光电检测技术领域。本发明的目的是提供一种可以保证目标胶片在低速和高速高精度匀速转动（速度范围7mm/s~51mm/s）与匀变速运动，更加真实、可靠的模拟飞机与地面景物相对运动的航空光谱相机动态目标发生系统。本发明是由上位机、cRIO系统、伺服电机及伺服驱动器、伺服电机减速机、编码器、稳压模块、目标胶片、机械安装架和箱体、主控系统构成。本发明价格低廉、灵活便捷、控制精度高的一种动态目标发生系统。系统结构模块化，便于组装及拆卸。本发明是一种动态目标发生系统，简化通过机械转台来控制动态目标转动速度，又能精确控制目标胶片的速度，适用于当前高空高速环境下使用的航空光谱相机成像检测。
【IPC分类】G01M11-00, G05B17-02
【公开号】CN104865848
【申请号】CN201510303773
【发明人】周求湛, 雷纵横, 薛勇超, 王刚, 欧淇源
【申请人】吉林大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年6月5日
【技术领域】
[0001] 本发明属于光电检测技术领域。
【背景技术】
[0002] 光谱成像技术广泛应用于军事侦察、资源考察、农林、水文和地质勘查、环境监测、 灾害调查W及测绘制图等领域。航空光谱相机的成像性能直接决定了航空对地观测的结 果，该就需要我们在研制和使用维护过程中对光谱相机的性能指标进行检测。直接的检测 方法就是将光谱相机安装到本机或它机上进行试飞试验，通过大量的飞行试验，调整设备 状态，考核设备的成像性能。然而，试飞试验需要耗费大量的人力、物力和财力，而且需要试 飞多次才能完成检测任务，资源消耗巨大。因此，如果能够在地面实验室内对航空光谱相机 的各项技术指标进行充分测试和正确评估，将为外场试飞试验提供可靠的基础数据，从而 大幅减少使用实际飞行试验对其进行检测的试飞次数，不但节省了大量的人力、物力和资 金，还缩短了研制周期，提高了研制质量。
[0003] 目前国内航空相机检测设备的研究单位主要有中科院长春光机所、某兵工企业、 哈尔滨工业大学、长春理工大学等科研机构。中科院长春光机所研究的动态目标仿真系统， 通过转台带动目标图形作一定规律的运动，动态目标图形做成鉴别率板的图线，模拟无穷 远地面动态成像，确定相机的动态成像的分辨能力；某兵工企业研制的航空CCD相机性能 检测设备，将被测相机的CCD像面与=个固定角度间隔的平行光管的光轴交点共面，根据 飞机的速高比控制分辨率板的运行速度，相机通过平行光管成像，判读测试出相机在不同 视场角下的分辨率；哈尔滨工业大学研制的航空相机性能检测设备，模拟飞机在高空的偏 航运动和横滚运动，分辨率板W不同的速度做直线运动，来模拟飞机与地面景物的相对运 动，通过评价相机拍摄相片质量来检测航空相机性能；长春理工大学研制的航空相机地面 景物模拟系统，采用胶片模拟地面景物，力矩电机带动胶片转动，被测航空相机放置于平行 光管另一侧对W-定速度匀速转动的胶片进行拍照，然后对其拍摄图像进行质量评价，给 出评价结果。
[0004] 上述检测设备主要是为早期的胶片相机或者CCD相机提供分辨率检测或动态成 像检测功能，主要测试可见光段光学相机。对于可见光至红外谱段的航空光谱相机，原有检 测设备的成像目标、光学系统不能满足光谱相机的成像检测需求。
[0005] 针对目前高空高速环境下使用的航空光谱相机，成像检测设备需要模拟的飞行高 度从低空几千米到临近空间30千米，模拟的飞行速度从低亚音速到3马赫超音速，模拟的 飞行平台俯仰角和横滚角变化范围-15°~+15°，被测相机的谱段范围400nm~2500nm， 视场角达到30°W上。为满足上述需求，研制的系统包括模拟气动热和气动力环境的高温 高速气流生成装置、模拟飞行姿态的摇摆平台、模拟地面运动场景的动态目标发生装置、模 拟无限远成像的光学系统及相应的辅助设备。
[0006] 其中，动态目标发生装置主要配合平行光管模拟飞机飞行时的地面环境，其主要 实现功能是通过带动目标胶片按照主控平台所给的速度参数运动，同时调节光源亮度模拟 地面环境亮度。由于动态目标发生直接影响后续的航空相机成像性能评价，所w精确控制 胶片的转动速率至为关键。
[0007] 国内现有的如中科院长春光机所、某兵工企业、哈尔滨工业大学所研制的动态目 标发生装置都是通过机械转台来控制动态目标的速度，加工成本高，不便于移动及携带。长 春理工大学研制的航空相机地面景物模拟系统是通过力矩电机控制其速度，虽然其灵活便 捷，但是在控制精度方便，则达不到很好的效果。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是提供一种可W保证目标胶片在低速和高速高精度匀速转动(速度 范围7mm/s~51mm/s)与匀变速运动，更加真实、可靠的模拟飞机与地面景物相对运动的航 空光谱相机动态目标发生系统。
[0009] 本发明是由上位机、cRIO系统、伺服电机及伺服驱动器、伺服电机减速机、编码器、 稳压模块、目标胶片、机械安装架和箱体、主控系统构成； 其中主控系统是采用的LabVIEW人机界面软件程序，安装在上位机内； 上位机通过W太网，一根网线与cRIO系统的控制器相连接，机箱插在控制器上，电源 接入220V电压，电源输出接线端子24V+通过导线连接到控制器接线端子VI与稳压模块的 输入+，电源接线端子24V-通过导线连接到控制器的接线端子C与稳压模块的输入-，稳 压模块的输出+连接到伺服驱动器接线端子XI的1管脚与编码器的红线上，数字板卡和模 拟板卡插在机箱插槽中，分别插入1插槽和2插槽，模拟板卡的0管脚通过导线连接到伺服 驱动器的接线端子XI的21管脚，编码器的输出为藍色线连接到数字板卡的14管脚，伺服 驱动器接线端子X2与伺服电机通过标准插口相连，伺服驱动器的接线端子U、V、W与伺服电 机通过标准插口相连，伺服驱动器的接线端子L1与L1C，L2与L2C通过导线相连，L1与L2 通过电源线接入220V电压，伺服电机的转动轴连接入减速机，通过外六角扳手将伺服电机 锁死在减速机上，减速机转动轴连接到固定在机械安装架上的胶片鼓下方，通过螺丝固定 住，机械安装架上方，目标胶片绕在胶片鼓上，调节压片装置，将胶片撑紧，编码器固定在机 械安装架上，编码器转轴安装上联轴器，联轴器贴紧胶片，使胶片转动带动编码器转动，稳 压模块的输出-、模拟板卡的1管脚（COM接线端口）、数字板卡的1管脚（COM接线端口）、伺 服驱动器的接线端子XI的8管脚、9管脚、14管脚都接入0V; 操作过程： 上位机主控制系统设定一个线速度给PID控制算法的设定量输入端，由于PID的输入 输出为模拟电压，将设定的线速度转换成对应伺服电机转动需要设定的电压值，线速度与 模拟电压关系是通过如下方法得出的： 上位机输出均匀增加模拟电压输出给伺服电机，使其做加速度不变 的匀加速转动，通 过编码器采集此过程的线速度，即得出模拟输出电压与目标胶片的线速度的数据对照关 系，再通过MTLAB软件，拟合出线速度一电压关系式；通过拟合，得出模拟电压与胶片鼓线 速度关系为： U=0.2033V+0. 0462 U;模拟电压 V;胶片线速度 编码器为光电编码器，编码器采集实时线速度的方法为： 当胶片鼓带动目标胶片转动的同时带动编码器转轴转动，所W胶片鼓的线速度与编码 器转轴的线速度是相同的，编码器输出为方波脉冲，目标胶片的线速度计算如下：
【主权项】
1. 一种航空光谱相机动态目标发生系统，其特征在于：是由上位机、cRIO系统、伺服电 机及伺服驱动器、伺服电机减速机、编码器、稳压模块、目标胶片、机械安装架和箱体、主控 系统构成； 其中主控系统是采用的LabVIEW人机界面软件程序，安装在上位机内； 上位机通过以太网，一根网线与cRIO系统的控制器相连接，机箱插在控制器上，电源 接入220V电压，电源输出接线端子24V+通过导线连接到控制器接线端子Vl与稳压模块的 输入+，电源接线端子24V -通过导线连接到控制器的接线端子C与稳压模块的输入-，稳 压模块的输出+连接到伺服驱动器接线端子Xl的1管脚与编码器的红线上，数字板卡和模 拟板卡插在机箱插槽中，分别插入1插槽和2插槽，模拟板卡的0管脚通过导线连接到伺服 驱动器的接线端子Xl的21管脚，编码器的输出为蓝色线连接到数字板卡的14管脚，伺服 驱动器接线端子X2与伺服电机通过标准插口相连，伺服驱动器的接线端子U、V、W与伺服电 机通过标准插口相连，伺服驱动器的接线端子Ll与L1C，L2与L2C通过导线相连，Ll与L2 通过电源线接入220V电压，伺服电机的转动轴连接入减速机，通过外六角扳手将伺服电机 锁死在减速机上，减速机转动轴连接到固定在机械安装架上的胶片鼓下方，通过螺丝固定 住，机械安装架上方，目标胶片绕在胶片鼓上，调节压片装置，将胶片撑紧，编码器固定在机 械安装架上，编码器转轴安装上联轴器，联轴器贴紧胶片，使胶片转动带动编码器转动，稳 压模块的输出-、模拟板卡的1管脚（COM接线端口）、数字板卡的1管脚（COM接线端口）、伺 服驱动器的接线端子Xl的8管脚、9管脚、14管脚都接入OV ; 操作过程： 上位机主控制系统设定一个线速度给PID控制算法的设定量输入端，由于PID的输入 输出为模拟电压，将设定的线速度转换成对应伺服电机转动需要设定的电压值，线速度与 模拟电压关系是通过如下方法得出的： 上位机输出均匀增加模拟电压输出给伺服电机，使其做加速度不变的匀加速转动，通 过编码器采集此过程的线速度，即得出模拟输出电压与目标胶片的线速度的数据对照关 系，再通过MTLAB软件，拟合出线速度一电压关系式；通过拟合，得出模拟电压与胶片鼓线 速度关系为： U=0. 2033V+0. 0462 U :模拟电压 V :胶片线速度 编码器为光电编码器，编码器采集实时线速度的方法为： 当胶片鼓带动目标胶片转动的同时带动编码器转轴转动，所以胶片鼓的线速度与编码 器转轴的线速度是相同的，编码器输出为方波脉冲，目标胶片的线速度计算如下：
f :方波脉冲频率 m :编码器分辨率 r :编码器联轴器转轴半径 V :目标胶片线速度 PID控制算法的输入即为模拟电压，设置上位机的cRIO系统配套软件，将模拟电压通 过模拟板卡的〇管脚输出，模拟电压信号通过导线传递给伺服驱动器的接线端子Xl的21 管脚，伺服驱动器控制伺服电机以设定的线速度转动，此时，由于没有形成PID闭环控制， 所以误差较大，再通过编码器采集实时线速度，将线速度转换成模拟电压，将实时的模拟电 压值作为PID控制算法的变化量输入，通过反馈量调节控制量，实现对电机速度的精确控 制； 上述PID控制算法由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成，其输入控制器输入与 设定值之间的误差e (t)与输出u (t)的关系如下：
其中KP为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数； 在计算机处理算法时不能够对模拟量进行直接处理，要使用数字PID控制器进行计 算，所以要对上式进行离散化处理，作变量替换：
公式中，k是采样序号，T是采样周期，T越短系统精度越高但计算量也相应增加； 令kT简化变成k，得：
由于场景胶片转动速度的控制需要的是控制量的增量，且只与最近的前k次反馈的数 值有关，因此在速度测控系统中选取增量式PID控制算法，由上式递推得：
两式相减得到：
由上式可以看出，如果输入了 Kp JiJd三个参数的值，仅仅使用之前的三次得到的反馈 值与设定值，即可以用增量式PID控制算法对输出量进行计算。
【专利摘要】一种航空光谱相机动态目标发生系统，属于光电检测技术领域。本发明的目的是提供一种可以保证目标胶片在低速和高速高精度匀速转动（速度范围7mm/s~51mm/s）与匀变速运动，更加真实、可靠的模拟飞机与地面景物相对运动的航空光谱相机动态目标发生系统。本发明是由上位机、cRIO系统、伺服电机及伺服驱动器、伺服电机减速机、编码器、稳压模块、目标胶片、机械安装架和箱体、主控系统构成。本发明价格低廉、灵活便捷、控制精度高的一种动态目标发生系统。系统结构模块化，便于组装及拆卸。本发明是一种动态目标发生系统，简化通过机械转台来控制动态目标转动速度，又能精确控制目标胶片的速度，适用于当前高空高速环境下使用的航空光谱相机成像检测。
【IPC分类】G01M11-00, G05B17-02
【公开号】CN104865848
【申请号】CN201510303773
【发明人】周求湛, 雷纵横, 薛勇超, 王刚, 欧淇源
【申请人】吉林大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年6月5日
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