第1章 绪论
1.1 论文研究背景及意义
航空相机是被搭载于飞行器上，收集各类图像信息的重要数据采集设备。通过航空相机拍摄的高清图片，能够将相关地域信息实时地截取下来，经过计算机处理后为区域资源探测、灾害预报、情报搜索、农牧等应用提供直观数据[1, 2]。航空相机在采集图像信息应用中具有准确度高、实时性好、目标性强、获取信息速度快和方便等优势，不但能够解决陆地探察因为地形凹凸及各类障碍物的遮掩问题,减小信息获取的复杂度，而且相比于利用卫星相机在太空下采集图像，航空相机应用时在区域细节和实时性上都有一定的优势。航空相机与日常所用的相机是有很大差别的，航空相机一般应用在飞机在高速高空状态条件下对下方进行拍照或录像的工作，这对航空相机的技术性能提出了更严格的要求，所以要对航空相机在动态条件下拍摄出高分辨率的画面进行性能测试。最直接的测试方法就是将航空相机安装到试验飞机上，通过多个架次的真实飞行试验检测设备的成像性能，然而这种方法资源消耗巨大。为提高航空相机性能的检测效率，节约资源，通常是要研制在地面实验室内使用的成像性能检测设备。目前，国内外已经开展航空相机地面检测设备的研究，主要测试可见光段光学相机的成像性能，检索到航空相机成像性能地面检测的相关资料显示该研究还有待深入。因此，根据航空相机的成像特点及工作环境，创新设计、自主研制新型的地面检测装备是有一定意义的[3, 4]。
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1.2 航空相机性能检测装置研究发展现状
从公开的文献数据库中，由于国外机构对航空相机技术的保密，检索到的国外在高空高速航空相机性能检测技术方面的研究资料比较少，只介绍了一些简单的测试手段。国内一些航空相机地面检测设备的研究资料显示我国航空相机检测领域还需要更深入的研究。航空相机随着科学技术的发展在不断地更新发展，从初期的自动控制曝光变化成自动调焦，同时在电荷耦合式元件航空相机逐渐取代胶带型航空相机的过程中，测试方案越来越先进，涉及了光学、机械、控制等多个知识领域。测试装置不仅要对飞机在高空行驶时的环境和地面场景进行仿真，并且要通过计算机对获得的图像数据进行处理得出相机性能测试结果[10,11]。目前国内航空相机性能检测装置的研制机构有长春光学精密机械与物理研究所、某军工集团、哈尔滨工业大学、长春理工大学等多家机构。长春光学精密机械与物理研究所所研制的地面场景模拟装置，利用电机带动场景胶片转动来模拟飞行器相对地面的运动；场景胶片图像做成大小有序的图线组合，仿真高空状态下陆地场景，利用计算机对获得的图像数据进行处理得出相机性能测试结果；某军工集团使用的航空相机性能检测装置，将被测相机的像面与3 个设定角度距离的平行光管的光轴交点共面，按照飞行的模拟参数调节分辨率胶片的线速度，相机通过设计的平行光管对胶片进行拍摄，能够检测出相机在不同飞行条件下的分辨率；哈尔滨工业大学研制的航空相机性能检测装置，仿真飞机在高空的偏航运动和摇摆运动，地面场景胶片做匀速或匀加速直线运动，仿真飞机相对于陆地场景的移动状态，通过评价相机拍摄相片质量来测试航空相机性能；长春理工大学搭建的航空相机地面环境仿真装置采用电机转动胶片模拟航空相机相对地面的运动，将待评价航空相机固定在地面景物模拟系统一旁并透过成像系统对做匀速运动的高分辨率胶片进行图像采集，最后把航空相机采集的图像信息输入到主控计算机中处理得出测试结果。总之，一般的航空相机性能测试装置要对飞机在高空行驶时的环境和地面场景进行仿真，并且通过计算机对航空相机获得的数据进行处理得出测试结果。
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第2章 航空相机性能检测装置综述
2.1 航空相机性能检测装置结构
航空相机性能检测装置主要由动态目标发生装置、平行光管、飞行姿态模拟装置、高温高速气流模拟装置、主控平台组成[16,17]。如图 2.1 所示为本文参与设计的航空相机性能检测装置的整体架构。该检测装置可实现的具体功能如下：
（1）设计的飞行姿态模拟平台，其下方搭载着待检测的航空相机,按照飞行惯导数据，实时模拟出飞机在高空飞行的飞行姿态变化，为测试航空相机的动态成像性能提供接近真实的环境；
（2）设计的高温高速气流环境模拟装置，位于反射镜和平行光管之间，可在参与成像的光学玻璃表面产生高温高速气流，能够为高空高速航空相机的性能测试提供高温和气动光学效应的模拟环境；
（3）设计的动态目标发生装置，可模拟飞行器高速飞行时地物场景的相对运动，地面模拟景物目标和分辨率板可以更换，用来检测待评价相机的动/静态分辨率和不同环境的图像成像质量；
（4）构建的平行光管组件，包括反射式平行光管和支架，反射式平行光管保证了足够宽的光谱范围，位于动态目标发生装置和反射镜组之间，航空相机通过平行光管可以模拟无限远空地距离对动态目标发生装置进行拍照；
（5）高度集成的主控平台，可以通过测控系统完成高温高速气流环境模拟装置、飞行姿态模拟平台、动态目标发生装置等运动部件的同步控制和协同工作，实现了高性能自动化测试，也能进行相关的测试数据处理、参数计算和相机成像性能分析。
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2.2 LabVIEW 与 Matlab 软件简介
LabIVEW 是一款图形化编程的仪器分析软件，编写的程序是框图的形式，不但功能完善且灵活，并且开发时间快。它含有各种常用的总线通信驱动，有多种数据分析功能和算法工具包。LabVIEW 包含了很多美观并且易于设计的输入输出显示控件，能够方便地搭建人机交互界面，同时还能够调用 Matlab 等外部工具来增强其不足之处，十分适合应用在测试方面。Matlab 是一款强大的数学分析软件，把数值处理、数组运算、实验数据界面化以及非线性动态系统的建模和仿真等常用而又复杂的数学功能集成在一个方便使用的视窗环境当中，能够为控制与仿真、信号处理、图像处理、信号检测等领域提供全面的解决方案。对于飞行姿态模拟平台的机械部分设计使用内外两轴框架结构，内框架通过工装支架固定待检测的航空相机，结构设计如图 2.2 所示。飞行姿态模拟平台的横摇轴安装在外框架上，横摇轴的驱动电机及角位置传感器分别安装在横摇轴的两端；转台纵摇轴安装在内框架上，纵摇轴的驱动电机及角位置传感器分别安装在纵摇轴的两端；台体工作面能够沿着横摇轴、纵摇轴同时进行横向摇动、纵向摇动。为保证安全并限定台体摇摆范围，横摇轴、纵摇轴上均安装机械限位和电气限位。待检测的航空相机固定在飞行姿态模拟平台的正中间进行相关性能检测。
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第 3 章 基于虚拟仪器的主控平台设计 ....11
3.1 虚拟仪器技术介绍 .......11
3.2 主控平台设计 ........12
3.3 软件设计 .........13
3.4 本章小结 .........18
第 4 章 动态目标发生装置设计 .........19
4.1 动态目标发生装置机械结构 .....19
4.2 电控系统及参数计算 ..........21
4.3 基于 PID 算法的胶片运动速度控制 ......25
4.4 动态目标发生装置搭建 ......31
4.5 速度控制实验 ........33
4.6 本章小结 .........36
第 5 章 航空相机成像性能评价 .........37
5.1 图像评价算法综述 .......37
5.2 航空相机成像性能评价指标 .....38
5.3 图像质量评价指标计算 ......39
5.4 图像质量评价系统实现 ......46
5.5 图像评价实验 ........47
5.6 本章小结 .........48
第5章 航空相机成像性能评价
5.1 图像评价算法综述
图像质量是图像的一个固有属性，是通过一定的计算方法对图像的属性进行计算而获得的，不同的算法能够获得不同的质量指标，不同的指标对应图像的不同属性[45,46]。通常把图像质量评价方法分为两种：第一种是主观评价方法，是依靠人按照个人对图像的主观判断得出图像质量的好坏，这种方法优点是符合人的视觉特点，可靠性非常高，缺点是会受到评价者的学习工作背景等原因影响，并且计算不便和操作性差，不能成为精确和统一的评价方法；第二种方法是客观评价方法，其方法是通过搭建能够在计算机上实现的数学模型，计算出图像的相关质量指标从而对图像进行评估。客观评价方法由于其实现方便、评价时间短、容易操作等优点，在近年来受到国内外相关组织和科研人员的深入研究。但是，客观评价方法与人类的视觉特征存在一定的差异，因此建立与人的主观评价效果相符的客观评价系统是非常关键的[47,48]。随着计算机技术的发展，客观评价方法逐渐取代主观评价方法成为主要的图像评价方法，其计算得出的结果也越来越与人类的视觉效果相符合[49,50,51]。Wang 等提出的图像结构相似度计算方法（SSIM）通过人的视觉会注意到降质图像与原始景物在各个结构上差异的特点，使用数学分析提取出降质图像与标定图像各个部分的相似程度系数，整合各个系数得出两幅图像的 SSIM 结果。杨春玲等在 Wang 等人的基础上, 将图像结构相似度计算进行改进整合到图像清晰度的计算当中，进一步丰富了图像客观评价方法的内容。Daly 开发了可视化差别评价（VDP）方法，包括了图像预处理、对比度敏感函数过滤、信息拆分、差别归一化、综合评价 5 个顺序步骤，并且按照人类视觉特性（HVS）分析，最后通过综合分析得出总的图像质量结果。
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总结
航拍技术作为一种高效方便的信息获取技术，受到各国政府的重视，近些年得到了快速的发展，越来越多的高性能的航空相机在不断地被研制出来应用在图像采集上。然而在航空相机研制的性能评价过程中，如果使用飞行器搭载航空相机进行拍摄的方法必然浪费大量的人力物力。因此开发更新针对航空相机性能评价的系统十分必要与迫切。开发的系统能够方便地的检测到航空相机的性能参数，为航空相机的研制过程提供可靠的决策建议。航空相机性能检测系统中的主控平台通过强大的软件系统对各个部件进行协调，完成整个测试过程；动态目标发生装置可以配合平行光管模拟相对于飞行器下无限远的地面运动场景；建立的图像评价系统能够对航空相机拍摄的图像进行指标分析。为了协调各个装置有效地工作，共同完成航空相机性能测试，本文设计了高效的主控平台，编制了良好的软件系统，合适的通信方式。动态目标发生装置主要功能是通过胶片鼓带动目标胶片按照主控平台所给的速度参数运动模拟飞机相对地面的运动，通过调节电压控制光源亮度模拟地面环境亮度。为了调高场景胶片转动速度的精度，本文使用了遇限改变控制参数的增量式 PID 控制算法，在目标胶片不同速度和不同偏差下采用与其匹配的PID 控制参数，达到了快速、准确地控制胶片转动速度的目标。为了建立一个合适的图像评价系统来计算出航空相机的成像性能指标给航空相机的研制提供数据支持，本文研究了适合航空相机成像性能的检测方法，设计了与检测装置配套的航空相机动静态分辨率的检测方法，以无参考客观评价为主的图像评价方法编写了清晰度、信噪比、峰值信噪比、辐射精度指标的计算方法，能够测试出待评价航空相机的成像性能。
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参考文献（略）