無人機任務(wù)載荷授課人：目錄CONTENTS緒論電磁輻射及物體的波譜特性無人機航空攝影原理無人機電視攝像與跟蹤定位原理第一章第二章無人機紅外成像原理無人機載合成孔徑雷達(dá)成像原理第三章第四章第五章第六章第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.1概述4.1.1信號攝取電視信號主要由電視攝像機攝取，攝像機的任務(wù)是把自然景物的光圖像分解并轉(zhuǎn)換為由電壓或電流代表的電信號。當(dāng)景物的反射或散射光攝入攝像機的鏡頭時，首先在攝像器件上（如固體攝像器件CCD表面）形成與景物光圖像相對應(yīng)的二維電荷圖像。這個電荷圖像利用電荷耦合轉(zhuǎn)移方式，形成隨時間變化的一維函數(shù)的電信號。這個過程連續(xù)進行，就可以產(chǎn)生連續(xù)的圖像信號，達(dá)到傳送圖像的目的。直接由感光元件上產(chǎn)生的電信號很微弱，并且?guī)в泻芏嚯s波、失真等缺陷，所以在攝像機中還設(shè)置有各種各樣的處理電路，用以對信號進行放大、去雜波、各種校正、補償、變換等一系列過程，最后輸出理想的和符合標(biāo)準(zhǔn)的模擬或全數(shù)字電視信號。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.1概述4.1.2編輯記錄無人機電視攝像系統(tǒng)獲取的信號主要分為兩部分，一路通過無線鏈路直接傳輸至地面，一路將其直接傳輸至機載記錄設(shè)備。因此，無人機的編輯記錄主要有兩種方式，一種是把電視圖像記錄在機載電子盤（或視頻記錄儀）上，以便在無線電受到干擾時能夠獲取完整的電視圖像；一種將通過無線鏈路傳輸至地面的圖像直接記錄在磁帶等介質(zhì)上，這種條件下，還可以將搭載電視攝像機的光電轉(zhuǎn)臺等參數(shù)信息以字符的形式疊加在電視圖像上，以便后期編輯、觀察分析使用。待無人機電視偵察任務(wù)結(jié)束后，再從記錄設(shè)備上采集電視信號，并將重要地域或時節(jié)的偵察圖像進行編輯加工，以便向需求單位通報或共享偵察情報信息。根據(jù)無人機飛行時間的要求和電子盤記錄空間的大小，為保證電子盤有足夠的空間記錄電視信號，在不影響電視圖像觀測分析的條件下，機載記錄設(shè)備可對電視圖像進行一定比例的壓縮。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.1概述4.1.3發(fā)送傳輸無人機電視攝像系統(tǒng)的發(fā)送傳輸主要依靠無線通信鏈路，即利用微波技術(shù)將機載條件下的電視圖像通過機載無線發(fā)射機發(fā)送至地面，地面數(shù)據(jù)顯示（控制）終端對接收的電視信號進行解譯，并在數(shù)據(jù)顯示（控制）終端上實時顯示或記錄。對于小型無人機來說，由于其無線電鏈路僅完成對無人機的飛行控制功能，因此電視圖像需要利用專門的無線圖傳設(shè)備進行傳輸。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.1概述4.1.4接收重現(xiàn)解決了傳送問題之后，電視圖像就以電信號的方式傳至地面控制終端，并利用接收設(shè)備對信號進行接收還原。接收設(shè)備就是電視監(jiān)視器或視頻采集卡，電視監(jiān)視器可以直接在屏幕上顯示電視圖像，而視頻采集卡還需要利用視頻播放軟件進行顯示。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.1概述4.1.5控制與處理電視攝像系統(tǒng)要實現(xiàn)實時偵察與跟蹤定位任務(wù)，必須有相應(yīng)的電視攝像控制系統(tǒng)和電視圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。光電轉(zhuǎn)臺（云臺）及其控制機構(gòu)、電視圖像跟蹤處理就是無人機電視攝像系統(tǒng)的重要組成部分。光電轉(zhuǎn)臺能夠根據(jù)地面站（或遙控器）發(fā)送的方向、俯仰等角度參數(shù)自動調(diào)整電視攝像機的光軸指向，從而保證電視攝像機的光學(xué)中心始終指向要偵測的目標(biāo)，進而實現(xiàn)對目標(biāo)的跟蹤與定位功能；機載控制處理設(shè)備能夠根據(jù)地面發(fā)送的電視攝像機焦距大小、圖像校正等指令，自動調(diào)整電視圖像的視場大小、圖像對比度、清晰度等。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.2CCD結(jié)構(gòu)與原理4.2.1CCD基本結(jié)構(gòu)

CCD即電荷耦合器件，又可稱為CCD圖像傳感器或圖像控制器。它是一種半導(dǎo)體器件，CCD上有許多排列整齊的光電二極管，能感應(yīng)光線，并將光學(xué)信號轉(zhuǎn)變成電信號，經(jīng)外部采樣放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，進而實現(xiàn)由模擬影像到數(shù)字影像的轉(zhuǎn)化。CCD上植入的微小光敏物質(zhì)稱作像素（Pixel），一塊CCD上包含的像素數(shù)越多，其提供的畫面分辨率也就越高。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.2CCD結(jié)構(gòu)與原理4.2.1CCD基本結(jié)構(gòu)CCD的基本單元是MOS電容器，這種電容器能存貯電荷，其結(jié)構(gòu)如圖所示。少數(shù)載流子耗盡區(qū)金屬氧化物勢阱信號電荷P-Si（b）（a）第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.2CCD結(jié)構(gòu)與原理4.2.1CCD基本結(jié)構(gòu)當(dāng)器件受到光照時（光可從各電極的縫隙間經(jīng)過SiO2層射入，或經(jīng)襯底的薄P型硅射入），光子的能量被半導(dǎo)體吸收，產(chǎn)生電子-空穴對，這時出現(xiàn)的電子被吸引存貯在勢阱中，這些電子是可以傳導(dǎo)的。光越強，勢阱中收集的電子越多，光弱則反之，這樣就把光的強弱變成電荷的數(shù)量，實現(xiàn)了光與電的轉(zhuǎn)換，而勢阱中收集的電子處于存貯狀態(tài)即使停止光照一定時間內(nèi)也不會損失，這就實現(xiàn)了對光照的記憶。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.2CCD結(jié)構(gòu)與原理4.2.1CCD基本結(jié)構(gòu)總之，上述結(jié)構(gòu)實質(zhì)上就是個微小的MOS電容，由它構(gòu)成像素，既可“感光”，又可留下“潛影”，感光作用是靠光強產(chǎn)生的電子電荷積累，潛影是各個像素留在各個電容里的電荷不等而形成的，若能設(shè)法把各個電容里的電荷依次傳送到輸出端，再組成行和幀并經(jīng)過“顯影”就實現(xiàn)了圖像的傳遞。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.2CCD結(jié)構(gòu)與原理4.2.2CCD工作原理CCD圖像傳感器的工作過程主要包括四步：一是光電轉(zhuǎn)換，即將光轉(zhuǎn)換成信號電荷；二是電荷的儲存，儲存信號電荷；三是電荷的轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移信號電荷；四是電荷的檢測，將信號電荷轉(zhuǎn)換為電信號。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.2CCD結(jié)構(gòu)與原理4.2.2CCD工作原理1.光電轉(zhuǎn)換

光電轉(zhuǎn)換是根據(jù)照射到攝影面的光強弱產(chǎn)生電荷，也就是存在于物質(zhì)的電子自光取得能量后改變狀態(tài)，只要施加少許電場電子就呈現(xiàn)自由運動狀態(tài)的現(xiàn)象。物理上而言，光電轉(zhuǎn)換可以分為兩種狀態(tài)變化：一是外部光電效應(yīng)，另一個是內(nèi)部光電效應(yīng)。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.2CCD結(jié)構(gòu)與原理4.2.2CCD工作原理1.光電轉(zhuǎn)換（1）兩種光電效應(yīng)外部光電效應(yīng)是指在固體表面的電子，接受光子（photon）的能量被釋放到真空的現(xiàn)象。此時，需要價帶與真空能級之間的能量差，這種能量差稱為功函數(shù)（workfunction）。內(nèi)部光電效應(yīng)是指在固體內(nèi)部，電子所處的幾個能級中能量較低的電子因光子的能量，激發(fā)成較高能量電子的現(xiàn)象。具體來說，在半導(dǎo)體之一的Si單晶體中，原子具有的電子軌道能量，隨著結(jié)晶晶格的周期性形成帶狀的能量分布狀態(tài)（band），電子的能級可分為價帶與導(dǎo)帶兩種。當(dāng)處于能級的狀態(tài)，也就是在能帶內(nèi)價帶的電子可接受光的能量，激發(fā)到導(dǎo)帶的現(xiàn)象，稱為內(nèi)部光電效應(yīng)。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.2CCD結(jié)構(gòu)與原理4.2.2CCD工作原理1.光電轉(zhuǎn)換（1）兩種光電效應(yīng)用于CCD圖像傳感器的Si單晶體材料，在室溫下價帶Ev與導(dǎo)帶Ec的電勢差為1.1eV。此電勢差為禁帶（energygap）。在進行光電轉(zhuǎn)換時，需要能量大于此能級的光子。光子具有的能量，可由普朗克常數(shù)h（6.626×10-34J?S）與光頻率ν（s-1，Hz）的乘積表示。此外，由于光頻率等于光速c（2.998×108m/S）除以光波長λ（m），因此，光子的能量E（J）可由下式表示：第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.2CCD結(jié)構(gòu)與原理4.2.2CCD工作原理1.光電轉(zhuǎn)換（2）光的吸收半導(dǎo)體吸收光時，將光子的能量轉(zhuǎn)換為電子的能量。在轉(zhuǎn)換過程中，光子帶有將電子從價帶激發(fā)至導(dǎo)帶的所需能量，進行光電轉(zhuǎn)換時稱為基礎(chǔ)吸收。但對于光的吸收而言，光波長感光度帶來重大的影響，是非常重要的條件。Si單晶基板中的光如圖所示，將基板表面的坐標(biāo)設(shè)為0，垂直表面的x軸的方向邊吸收邊前進。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.2CCD結(jié)構(gòu)與原理4.2.2CCD工作原理1.光電轉(zhuǎn)換（2）光的吸收若將基板表面深度x處的光強度視為I，前進距離dx的光強度變化為dI的話，dI與此時的光強度I和前進距離dx的關(guān)系如下表所示：其中，α為光的吸收系數(shù)。如果光衰減的部分轉(zhuǎn)換成表面與x之間吸收的光。若轉(zhuǎn)移焦點到吸收系數(shù)α，當(dāng)α越大，光在基板表面附近立即吸收；相反α越小，即光前進到基板深處，仍不易吸收。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.2CCD結(jié)構(gòu)與原理4.2.2CCD工作原理1.光電轉(zhuǎn)換（2）光的吸收Si單晶的吸收系數(shù)α對于光的能量變化之間的關(guān)系如圖所示。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.2CCD結(jié)構(gòu)與原理4.2.2CCD工作原理1.光電轉(zhuǎn)換從圖表中的吸收系數(shù)可知，即使在可見光的范圍內(nèi)，波長較短的藍(lán)光可在較接近基板表面的地方吸收，但是波長較長的紅外光，則必須到達(dá)基板深處才可吸收。若對人眼可看見的各種顏色，對于Si基板吸收一半的光時所需要的結(jié)晶厚度（深度），結(jié)果可如表所示，相對于藍(lán)光所需要0.3μm的深度即可吸收一半的光，但紅光所需的深度為3.0μm，是藍(lán)光的十倍。顏色波長/nm吸收一半光的深度/μm紫4000.093藍(lán)4600.32綠5300.79黃5801.2橙6101.5紅7003.0第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.2CCD結(jié)構(gòu)與原理4.2.2CCD工作原理1.光電轉(zhuǎn)換由此可以看出，光電轉(zhuǎn)換就是吸收照射在攝影面的光能量取得信號電荷的動作。此外，用于CCD圖像傳感器的Si單晶，為了進行光電轉(zhuǎn)換，根據(jù)Si單晶的能帶狀態(tài)，可知需要波長在1100nm以下的光。更進一步，從Si單晶吸收光的過程中，可知在可見光的范圍內(nèi)吸收波長較長的紅光時，所需深度為3.0μm，約為藍(lán)光的十倍。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.2CCD結(jié)構(gòu)與原理4.2.2CCD工作原理2.電荷存儲電荷的存儲是搜集光電轉(zhuǎn)換所得的信號電荷，直到輸出前的存儲動作。大多數(shù)的CCD圖像傳感器利用的是帶負(fù)電的電子可被高電勢吸收的性質(zhì)，將信號電荷集中存儲。儲存電荷的電勢分布狀態(tài)，稱為電勢阱。如何在Si單晶中制造出高于周圍電勢的高電勢阱來儲存電荷，這里以表面型MOS電容器為例加以介紹。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.2CCD結(jié)構(gòu)與原理4.2.2CCD工作原理2.電荷存儲如圖所示的MOS電容器，由P型Si形成基板。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.2CCD結(jié)構(gòu)與原理4.2.2CCD工作原理2.電荷存儲首先，將MOS電容器的基板背面（半導(dǎo)體端）接地，在表面電機（金屬端）施加正電壓。這樣，在電極施加電壓之前，整個基板大約處于接地電勢。受到電極施加電壓的影響，電勢分布改變，位于電極下的Si基板表面的電勢升高。在此狀態(tài)下，由于最接近電極的Si基板表面的周圍被接地電勢包圍成為基板中電勢最高的部位形成電勢阱，因此可在此存儲帶負(fù)電的電子。由于電極與Si基板之間有Si氧化的絕緣物（SiO2），電子無法流向電極。如果信號電荷的電子一旦存儲在該電勢阱，隨著電荷數(shù)量的變化表面電勢降低。若要定性解釋信號電荷存儲的情況，可將圖4-5所示表面電勢分布圖視為水桶，信號電荷的電子如水般存儲在水桶中。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.2CCD結(jié)構(gòu)與原理4.2.2CCD工作原理2.電荷存儲單個CCD柵極電壓變化對耗盡層的影響。耗盡區(qū)（a）金屬柵電極G氧化層（b）UG>Uth反型層（c）UG<UthP型半導(dǎo)體第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.2CCD結(jié)構(gòu)與原理4.2.2CCD工作原理2.電荷存儲如圖（a）所示，在柵極G施加正偏壓之前，p型半導(dǎo)體中空穴（多數(shù)載流子）的分布是均勻的。當(dāng)柵極施加正偏壓（此時小于p型半導(dǎo)體的閾值電壓）后，空穴被排斥，產(chǎn)生耗盡層，如圖（b）所示。偏壓繼續(xù)增加，耗盡區(qū)將進一步向半導(dǎo)體內(nèi)延伸。當(dāng)時，半導(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢（常稱為表面勢，用表示）變得如此之高，以致于將半導(dǎo)體體內(nèi)的電子（少數(shù)載流子）吸收到表面，形成一層極薄的（約10-2μm）但電荷濃度很高的反型層，如圖（c）所示。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.2CCD結(jié)構(gòu)與原理4.2.2CCD工作原理2.電荷存儲反型層電荷的存在表明了MOS結(jié)構(gòu)存儲電荷的功能。然而，當(dāng)柵極電壓由零突變到高于閾值電壓時，輕摻雜半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子很少，不能立即建立反型層。在不存在反型層的情況下，耗盡區(qū)將進一步向體內(nèi)延伸，而且，柵極和襯底之間的絕大部分電壓降落在耗盡區(qū)上。如果隨后可以獲得少數(shù)載流子，那么耗盡區(qū)將收縮，表面勢下降，氧化層上的電壓增加。當(dāng)提供足夠的少數(shù)載流子時，表面勢可降低到半導(dǎo)體材料費密能級的兩倍。例如，對于摻雜為1015cm-3的p型半導(dǎo)體，費密能級為0.3V。耗盡區(qū)收縮到最小時，表面勢下降到最低值0.6V，其余電壓降在氧化層上。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.2CCD結(jié)構(gòu)與原理4.2.2CCD工作原理3.電荷耦合10V③2V2V③①②存有電荷的勢阱（a）10V210V2V新勢阱（b）2V2V③③①②③③①②10V2V2V2V（c）2V10V2V（d）2V10③③①②電荷移動10V2V2V2V（e）③③①②Φ1Φ2Φ310V（f）2V（a）初始狀態(tài)；（b）電荷由①電極向②電極轉(zhuǎn)移；（c）電荷在①、②電極下均勻分布；（d）電荷繼續(xù)由由①電極向②電極轉(zhuǎn)移；（e）電荷安全轉(zhuǎn)移到②電極；（f）三相交疊脈沖第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.2CCD結(jié)構(gòu)與原理4.2.2CCD工作原理3.電荷耦合圖所示CCD中表示了四個彼此靠得很近的電極之間的電荷轉(zhuǎn)移過程。假定開始時有一些電荷存儲在偏壓為10V的第一個電極下面的深勢阱里，其他電極上均加有大于閾值的較低電壓（例如2V）。設(shè)圖（a）為零時刻（初始時刻）。經(jīng)過t1時刻后，各電極上的電壓變?yōu)槿鐖D中圖（b）和圖（c）。若此時電極上的電壓變?yōu)槿鐖D（d）所示，第一個電極電壓由10V變?yōu)?V，第二個電極電壓仍為10V，則共有的電荷轉(zhuǎn)移到第二個電極下面的勢阱中，如圖（e）。由此可見，深勢阱及電荷包向右移動了一個位置。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.2CCD結(jié)構(gòu)與原理4.2.2CCD工作原理4.電荷的注入與檢測（1）電荷的注入在CCD中，電荷注入的方法有很多，歸納起來，可分為光注入和電注入兩類。①光注入當(dāng)光照射到CCD硅片上時，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開，少數(shù)載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷。光注入方式又可分為正面照射式與背面照射式。圖所示為背面照射式光注入的示意圖。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.2CCD結(jié)構(gòu)與原理4.2.2CCD工作原理4.電荷的注入與檢測（1）電荷的注入圖所示為背面照射式光注入的示意圖。U+U+Neop-Si勢壘第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.2CCD結(jié)構(gòu)與原理4.2.2CCD工作原理4.電荷的注入與檢測（1）電荷的注入CCD攝像器件的光敏單元為光注入方式。光注入電荷。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.2CCD結(jié)構(gòu)與原理4.2.2CCD工作原理4.電荷的注入與檢測（1）電荷的注入由式中可以看出，當(dāng)CCD確定以后，、q及A均為常數(shù)，注入到勢阱中的信號電荷與

入射光的光子流速率及注入時間成正比。注入時間由CCD驅(qū)動器的轉(zhuǎn)移脈沖的周期決定。當(dāng)所設(shè)計的驅(qū)動器能夠保證其注入時間穩(wěn)定不變時，注入到CCD勢阱中的信號電荷只與入射輻射的光子流速率成正比。在單色入射輻射時，入射光的光子流速率與入射光譜輻通量的關(guān)系為，h、v

、均為常數(shù)。因此，在這種情況下，光注入的電荷量與入射的光譜輻射量度成線性關(guān)系。該線性關(guān)系是應(yīng)用CCD檢測光譜強度和進行多通道光譜分析的理論基礎(chǔ)。原子發(fā)射光譜的實測分析驗證了光注入的線性關(guān)系。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.2CCD結(jié)構(gòu)與原理4.2.2CCD工作原理4.電荷的注入與檢測（1）電荷的注入②電注入電注入是指CCD通過輸入結(jié)構(gòu)對信號電壓或電流進行采樣，然后將信號電壓或電流轉(zhuǎn)換為信號電荷。電注入的方法很多，常用的主要有電流注入和電壓注入兩種。IGΦ2Φ3Φ1Φ2p-SiUIDUINIDIGΦ2Φ3Φ1Φ2p-SiIDn+Φ3Φ1n+（b）（a）第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.2CCD結(jié)構(gòu)與原理4.2.2CCD工作原理4.電荷的注入與檢測（2）電荷的檢測（輸出方式）在CCD中，有效地收集和檢測電荷是一個重要問題。CCD的重要特性之一是信號電荷在轉(zhuǎn)移過程中與時鐘脈沖沒有任何電容耦合，而在輸出端則不可避免。因此，選擇適當(dāng)?shù)妮敵鲭娐房梢员M可能減小時鐘脈沖容性地饋入輸出電路的程度。目前CCD的輸出方式主要有電流輸出、浮置擴散放大器輸出和浮置柵放大器輸出。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.2CCD結(jié)構(gòu)與原理4.2.2CCD工作原理4.電荷的注入與檢測（2）電荷的檢測（輸出方式）①電流輸出如圖所示，當(dāng)信號電荷在轉(zhuǎn)移脈沖的驅(qū)動下向右轉(zhuǎn)移到末級電極（圖中電極）下的勢阱中后，電極上的電壓由高變低時，由于勢阱提高，信號電荷將通過輸出柵（加有恒定的電壓）下的勢阱進入反向偏置的二極管（圖中n+區(qū)）。由、電阻R、襯底p和n+區(qū)構(gòu)成的反向偏置二極管相當(dāng)于無限深的勢阱。進入到反向偏置的二極管中的電荷，將產(chǎn)生輸出電流，且的大小與注入到二極管中的信號電荷量成正比，而與電阻R成反比。電阻R是制作在CCD內(nèi)的電阻，阻值是常數(shù)。所以，輸出電流與注入到二極管中的電荷量成線性關(guān)系。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.2CCD結(jié)構(gòu)與原理4.2.2CCD工作原理4.電荷的注入與檢測（2）電荷的檢測（輸出方式）①電流輸出且由于的存在，使得A點的電位發(fā)生變化，增大，A點點位降低。所以可以用A點的電位來檢測二極管的輸出電流，用隔直電容將A點的電位變化取出，再通過放大器輸出。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.2CCD結(jié)構(gòu)與原理4.2.2CCD工作原理4.電荷的注入與檢測（2）電荷的檢測（輸出方式）①電流輸出圖中的場效應(yīng)管為復(fù)位管。它的主要作用是將一個讀出周期內(nèi)輸出二極管沒有來得及輸出的信號電荷通過復(fù)位場效應(yīng)輸出。因為在復(fù)位場效應(yīng)管復(fù)位柵為正脈沖時復(fù)位場效應(yīng)管導(dǎo)通，它的動態(tài)電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于偏置電阻R，使二極管中的剩余電荷被迅速抽走，使A點的電位恢復(fù)到起始的高電平。OGΦ2Φ1p-SiRn+UD放大ARgTRRD第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.2CCD結(jié)構(gòu)與原理4.2.2CCD工作原理4.電荷的注入與檢測（2）電荷的檢測（輸出方式）②浮置擴散放大器輸出OGΦ2Φ1RGUDDRT1T2浮置擴散第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.2CCD結(jié)構(gòu)與原理4.2.2CCD工作原理4.電荷的注入與檢測（2）電荷的檢測（輸出方式）②浮置擴散放大器輸出由圖所示，前置放大器與CCD同做在一個硅片上，T1為復(fù)位管，T2為放大管。復(fù)位管在下的勢阱未形成之前，在RG端加復(fù)位脈沖，使復(fù)位管導(dǎo)通，把浮置擴散區(qū)剩余電荷抽走，復(fù)位到。而當(dāng)電荷到來時，復(fù)位管截止，由浮置擴散區(qū)收集的信號電荷來控制T2管柵極電位變化。設(shè)電位變化量為，則有第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.2CCD結(jié)構(gòu)與原理4.2.2CCD工作原理4.電荷的注入與檢測（2）電荷的檢測（輸出方式）②浮置擴散放大器輸出UDDDDT1DGOGCdCgC1C2T2第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.2CCD結(jié)構(gòu)與原理4.2.2CCD工作原理4.電荷的注入與檢測（2）電荷的檢測（輸出方式）②浮置擴散放大器輸出如圖所示，總電容包括浮置二極管勢壘電容和OG、DG與FD間的耦合電容、，及T管的輸入電容，即第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.2CCD結(jié)構(gòu)與原理4.2.2CCD工作原理4.電荷的注入與檢測（2）電荷的檢測（輸出方式）

③浮置柵放大器輸出圖為浮置柵放大器輸出。T2的柵極不是直接與信號電荷的轉(zhuǎn)移溝道相連接，而是與溝道上面的浮置柵相連。當(dāng)信號電荷轉(zhuǎn)移到浮置柵下面的溝道時，在浮置柵上感應(yīng)出鏡像電荷，以此來控制T2的柵極電位，達(dá)到信號檢測與放大的目的。Φ2Φ1UDDT2浮柵Φ3Φ1Φ3Φ2Φ3第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.2CCD結(jié)構(gòu)與原理4.2.2CCD工作原理4.電荷的注入與檢測（2）電荷的檢測（輸出方式）

③浮置柵放大器輸出顯然，這種如右圖所示的機構(gòu)可以實現(xiàn)電荷在轉(zhuǎn)移過程中進行非破壞性檢測，由轉(zhuǎn)移下的電荷所引起的浮置柵上電壓的變化Φ2Φ1Φ3Φ2C3CdCkCΦ2T1T2第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.3CCD分類與特性4.3.1CCD的分類電荷耦合攝像器件又簡稱為ICCD，它的功能是把二維光學(xué)圖像信號轉(zhuǎn)變成一維視頻信號輸出。ICCD有線型和面型兩大類。二者都需要用光學(xué)成像系統(tǒng)將景物圖像成像在CCD的像敏面上。像敏面將照在每一像敏單元上的圖像照度信號轉(zhuǎn)變?yōu)樯贁?shù)載流子密度信號存儲于像敏單元（MOS電容）中。然后，再轉(zhuǎn)移到CCD的移位寄存器（轉(zhuǎn)移電極下的勢阱）中，在驅(qū)動脈沖的作用下順序地移出器件，成為視頻信號。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.3CCD分類與特性4.3.1CCD的分類1.線型CCD攝像器件的兩種基本形式（1）單溝道線型CCD圖所示為三相單溝道線型CCD的結(jié)構(gòu)圖。由圖可見，光敏陣列與轉(zhuǎn)移——移位寄存器是分開的，移位寄存器被遮擋。在光積分周期里，這種器件光柵電極電壓為高電平，光敏區(qū)在光的作用下產(chǎn)生電荷存于光敏MOS電容勢阱中。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.3CCD分類與特性4.3.1CCD的分類1.線型CCD攝像器件的兩種基本形式（2）雙溝道線陣CCD圖為雙溝道線型攝像器件。它具有兩列CCD移位寄存器A與B，分列在像敏陣列的兩邊。當(dāng)轉(zhuǎn)移柵A與B為高電位（對于n溝器件）時，光積分陣列的信號電荷包同時按箭頭方向轉(zhuǎn)移到對應(yīng)的移位寄存器內(nèi)，然后在驅(qū)動脈沖的作用下分別向右轉(zhuǎn)移，最后以視頻信號輸出。顯然，同樣像敏單元的雙溝道線陣CCD要比單溝道線陣CCD的轉(zhuǎn)移次數(shù)少一半，它的總轉(zhuǎn)移效率也大大提高，故一般高于256位的線陣CCD都為雙溝道的。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.3CCD分類與特性4.3.1CCD的分類2.面陣CCD（1）FT幀轉(zhuǎn)移方式CCD如圖所示幀轉(zhuǎn)移方式CCD的結(jié)構(gòu)由感光部（成像區(qū)）、存儲部（暫存部）和水平位移（水平讀出）寄存器等三部分組成。成像區(qū)由并行排列的若干電荷耦合溝道組成（圖中虛線方框），各溝道之間用溝阻隔開，水平電極橫貫各溝道。假定有M個轉(zhuǎn)移溝道，每個溝道有N個成像單元，整個成像區(qū)共有M×N個單元。暫存區(qū)的結(jié)構(gòu)和單元數(shù)都和成像區(qū)相同。暫存區(qū)與水平讀出寄存器均被遮蔽。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.3CCD分類與特性4.3.1CCD的分類2.面陣CCD（2）IT行間轉(zhuǎn)移方式CCD行間轉(zhuǎn)移方式CCD的結(jié)構(gòu)如圖所示，它把感光部和轉(zhuǎn)移部做水平相間排列，成對緊靠在一起，其下方為水平位移寄存器。除感光部之外，其它部分覆蓋有金屬遮蓋層，阻擋光線進入CCD內(nèi)部，轉(zhuǎn)移部也是電荷的暫存部分。感光部的每個單元（像素）與轉(zhuǎn)移部的每個單元一一對應(yīng)，左右耦合，二者之間由轉(zhuǎn)移控制門控制。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.3CCD分類與特性4.3.1CCD的分類2.面陣CCD（2）IT行間轉(zhuǎn)移方式CCD感光部（所有像素）由光/電變換產(chǎn)生的信號電荷，在場消隱期間由控制門控制，很快轉(zhuǎn)移到暫存部分，只需要一次轉(zhuǎn)移就可完成全部像素的轉(zhuǎn)移，感光部又重新回到電荷積累狀態(tài)。被轉(zhuǎn)移到各暫存部分的信號電荷與幀轉(zhuǎn)移方式CCD的存儲部工作情況一樣，在行消隱期間，每次移出一個掃描行，送到下方的水平位移寄存器，在行掃描正程期間，再依次轉(zhuǎn)移到輸出端，即可得到標(biāo)準(zhǔn)的電視信號。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.3CCD分類與特性4.3.1CCD的分類2.面陣CCD（2）IT行間轉(zhuǎn)移方式CCD這種行間轉(zhuǎn)移方式省去了存儲部，固體CCD芯片面積較小，驅(qū)動電壓脈沖波形也比較簡單。由于感光部與轉(zhuǎn)移部分開設(shè)置，垂直拖尾現(xiàn)象明顯減輕。其缺點是，因為感光部與轉(zhuǎn)移部相間排列，遮光層部分面積較大，光利用率降低，影響到CCD靈敏度的提高。但是由于CCD技術(shù)的不斷進步，特別是片上微透鏡技術(shù)的開發(fā)成功，使其靈敏度得到很大提高。行間轉(zhuǎn)移方式（IT）CCD在攝像機中使用較廣泛。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.3CCD分類與特性4.3.1CCD的分類2.面陣CCD（3）FIT幀-行間轉(zhuǎn)移方式CCD幀-行間轉(zhuǎn)移方式CCD是幀轉(zhuǎn)移方式和行轉(zhuǎn)移方式的組合，其結(jié)構(gòu)如圖所示。它包括感光部、轉(zhuǎn)移部、存儲部和水平位移寄存器等部分。由圖中可以看出，F(xiàn)IT上半部分與行間轉(zhuǎn)移方式相同，而下半部分則與幀轉(zhuǎn)移方式相同。幀-行間轉(zhuǎn)移方式CCD的工作過程如下：場正程期間由感光部積累信號電荷，在場消隱期間通過控制門，同時一次性轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移部相應(yīng)的勢阱中，這一工作過程與行間轉(zhuǎn)移方式相同。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.3CCD分類與特性4.3.1CCD的分類2.面陣CCD（3）FIT幀-行間轉(zhuǎn)移方式CCD然后，暫存在轉(zhuǎn)移部的信號電荷又很快轉(zhuǎn)移到下面的存儲部中。在場正程期間，在行頻時鐘脈沖的控制下，每一行消隱期間內(nèi)像素電荷逐行移入水平位移寄存器中。而后，在行正程期間，水平位移寄存器把每個像素移動輸出端，產(chǎn)生視頻信號。在存儲部以后發(fā)射的過程與幀轉(zhuǎn)移方式相同。這種幀-行轉(zhuǎn)移方式，由于是幀轉(zhuǎn)移和行間轉(zhuǎn)移兩種方式的結(jié)合，因而具有兩者的優(yōu)點，尤其是在高亮度情況下的垂直拖尾得到明顯改進。但是，這種轉(zhuǎn)移方式的CCD由于附加有存儲部，所以芯片面積較大，制造成本也高，適用于高檔的電視攝像機中。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.3CCD分類與特性4.3.2CCD的特性1.分解力分解力常用調(diào)制傳遞函數(shù)MTF來評價。下圖畫出寬帶光源與窄帶光源照明下線陣CCD的MTF曲線。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.3CCD分類與特性4.3.2CCD的特性1.分解力線陣CCD固體攝像器件向更多位光敏單元發(fā)展，現(xiàn)在已有256×1、1024×1、2048×1、5000×1、10550×3等多種。像元位數(shù)越高的器件具有更高的分辨率。尤其是用于物體尺寸測量中，采用高位數(shù)光敏單元的線陣CCD器件可以得到更高的測量精度。另外，當(dāng)采用機械掃描裝置時，亦可以用線陣CCD攝像器件得到二維圖像的視頻信號。掃描所獲得的第二維的分辨取決于掃描速度與CCD光敏單元的高度等因素。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.3CCD分類與特性4.3.2CCD的特性1.分解力二維面陣CCD的輸出信號一般遵守電視系統(tǒng)的掃描方式。它在水平方向和垂直方向上的分辨率是不同的，水平分辨率要高于垂直分辨率。在評價面陣CCD的分辨率時，只評價它的水平分辨率，且利用電視系統(tǒng)對圖像分辨率的評價方法——電視線數(shù)的評價方法。電視線評價方法表明，在一幅圖像上，在水平方向能夠分辨出的黑白條數(shù)為其分辨率。水平分辨率與水平方向上CCD的像元數(shù)量有關(guān)，像元數(shù)量越多，分辨率越高，現(xiàn)有的面陣CCD的像元數(shù)已發(fā)展到512×500、795×596、1024×1024、2048×2048、5000×5000等多種，分辨率越來越高。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.3CCD分類與特性4.3.2CCD的特性2.靈敏度CCD的靈敏度，以光通量為1流明（lm）的3200K色溫的光線投射到它上面所產(chǎn)生的電流強度的大小來定義。CCD的靈敏度越高，說明CCD光電轉(zhuǎn)換能力越強。CCD的光譜靈敏度取決于量子效率、波長、積分時間等參數(shù)。量子效率表征CCD芯片對不同波長光信號的光電轉(zhuǎn)換本領(lǐng)。不同工藝制成的CCD芯片，其量子效率不同。靈敏度還與光照方式有關(guān)，背照CCD的量子效率高，光譜響應(yīng)曲線無起伏，正照CCD由于反射和吸收損失，光譜響應(yīng)曲線上存在若干個峰和谷。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.3CCD分類與特性4.3.2CCD的特性3.動態(tài)范圍動態(tài)范圍是CCD能夠重現(xiàn)的畫面的亮暗部分之間的相對比值。這個范圍越高越好，CCD的動態(tài)范圍決定了CCD轉(zhuǎn)換的最大電荷量與受雜波干擾影響而限制在一定幅值的最小電荷量的差。前者的提高要依靠材料技術(shù)的改進、CCD結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性以及電極上電壓大小等因素，而后者也和電路結(jié)構(gòu)等有關(guān)。

CCD勢阱中可容納的最大信號電荷量取決于CCD的電極面積及器件結(jié)構(gòu)（SCCD或BCCD）、時鐘驅(qū)動方式及驅(qū)動脈沖電壓的幅度等因素。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.3CCD分類與特性4.3.2CCD的特性3.動態(tài)范圍設(shè)CCD的電極有效面積為A，Si的雜質(zhì)濃度NA為1015cm-3，氧化膜厚度為0.1μm，電極尺寸為10×20μm2，柵極電壓為10V，則SCCD勢阱中的電荷量Q為0.6pC或3.7×106個電子。Q可近似用下式表示：第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.3CCD分類與特性4.3.2CCD的特性4.暗電流

CCD暗電流是內(nèi)部熱激勵載流子造成的。在正常工作的情況下，CCD在低幀頻工作時，可以幾秒或幾千秒的累積（曝光）時間來采集低亮度圖像，MOS電容處于未飽和的非平衡態(tài)。然而隨著時間的推移，暗電流會在光電子形成之前將勢阱填滿熱電子，使得因熱激發(fā)而產(chǎn)生的少數(shù)載流子使系統(tǒng)趨向平衡。因此，即使在沒有光照或其他方式對器件進行電荷注入的情況下，也會存在不希望有的暗電流。由于晶格點陣的缺陷，不同像素的暗電流可能差別很大。在曝光時間較長的圖像上，會產(chǎn)生一個星空狀的固定噪聲圖案。這種效應(yīng)是因為少數(shù)像素具有反常的較大暗電流，一般可在記錄后從圖像中減去，除非暗電流已使勢阱中的電子達(dá)到飽和。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.3CCD分類與特性4.3.2CCD的特性4.暗電流（1）耗盡的硅襯底中電子自價帶至導(dǎo)帶的本征躍遷暗電流的密度大小由下式?jīng)Q定：（2）少數(shù)載流子在中性體內(nèi)的擴散在p型材料中，每單位面積內(nèi)由于這種原因而產(chǎn)生的電流第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.3CCD分類與特性4.3.2CCD的特性4.暗電流（3）Si-SiO2界面引起的暗電流該暗點為：以上幾種暗電流中，以第三種原因產(chǎn)生的暗電流為主，而得到在室溫下低達(dá)5nA?cm-2的暗電流密度。但是，在許多器件中，有許多單元，每平方厘米可能有幾百毫微安的局部暗電流密度。這個暗電流的來源是一定的體內(nèi)雜質(zhì)，產(chǎn)生引起暗電流的能帶間復(fù)合中心。這些雜質(zhì)在原始材料中就有，在制造器件時也可能被引入。為了減小暗電流，應(yīng)采用缺陷盡可能小的晶體和減少玷污。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.3CCD分類與特性4.3.2CCD的特性5.噪聲在CCD中有以下幾種噪聲源：（1）由于電荷注入器件引起的噪聲；（2）電荷轉(zhuǎn)移過程中，電荷量的變化引起的噪聲；（3）由檢測時產(chǎn)生的噪聲。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.3CCD分類與特性4.3.2CCD的特性5.噪聲（1）光子噪聲由于光子發(fā)射是隨機過程，因而勢阱中收集的光電荷也是隨機的，這就成為噪聲源。由于光子發(fā)射是隨機過程，因而勢阱中收集的光電荷也是隨機的，這就成為噪聲源。由于噪聲源與CCD傳感器無關(guān)，而取決于光子的性質(zhì)，因而成為攝像器件的基本限制因素。這種噪聲主要對于低光強下的攝像有影響。（2）暗電流噪聲與光子發(fā)射一樣，暗電流也是一個隨機過程，因而也成為噪聲源。而且，若每個CCD單元的暗電流不一樣，就會產(chǎn)生圖形噪聲。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.3CCD分類與特性4.3.2CCD的特性5.噪聲（3）胖零噪聲包括光學(xué)胖零噪聲和電子胖零噪聲，光學(xué)胖零噪聲由使用時的偏置光的大小決定，電子胖零噪聲由電子注入胖零機構(gòu)決定。（4）俘獲噪聲在SCCD中起因于界面缺陷，在BCCD中起因于體缺陷，但BCCD中俘獲噪聲小。（5）輸出噪聲這種噪聲起因于輸出電路復(fù)位過程中產(chǎn)生的熱噪聲。該噪聲若換算成均方根值就可以與CCD的噪聲相比較。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.3CCD分類與特性4.3.2CCD的特性6.色彩還原特性彩色還原性取決于CCD對不同波長的光線靈敏度反應(yīng)的均勻性。只有在它對各波長光線的光譜響應(yīng)比較均勻一致的前提下，才能還原彩色正常的畫面。在目前技術(shù)條件下，CCD的彩色還原特性完全可以滿足人眼的視覺要求。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.3CCD分類與特性4.3.2CCD的特性7.黑斑和拖尾由于熱激發(fā)效應(yīng)，CCD有時在沒有入射光的時候也可能產(chǎn)生若干電荷，這樣，當(dāng)輸入畫面為黑時，輸出畫面卻表現(xiàn)為有一定的暗輪廓顯示，稱作黑斑。通過對CCD材料精度的控制，改進CCD內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及在電路中增加黑斑校正電路等措施，可以將黑斑的影響減弱到不會被察覺的程度。由于在高亮度下某些感光單元電荷的積累數(shù)量過多而產(chǎn)生溢漏至相鄰某些位置的感光單元，導(dǎo)致畫面產(chǎn)生垂直亮帶的現(xiàn)象叫做拖尾。在CCD中采用溢出漏的設(shè)置可以消除拖尾，得到良好的高亮度特性。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.3CCD分類與特性4.3.2CCD的特性8.CCD芯片像素缺陷（1）像素缺陷：對于在50%線性范圍的照明，若像素響應(yīng)與其相鄰像素偏差超過30%，則為像素缺陷。（2）簇缺陷：在3×3像素的范圍內(nèi)，缺陷數(shù)超過5個像素。（3）列缺陷：在1×12像素的范圍內(nèi)，列的缺陷超過8個像素。（4）行缺陷：在一組水平像素內(nèi)，行的缺陷超過8個像素。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.4光電穩(wěn)定平臺原理與特性4.4.1光電穩(wěn)定平臺及其發(fā)展趨勢1.典型光電穩(wěn)定平臺光電穩(wěn)定平臺的發(fā)展是隨著陀螺儀的演變而變化的。早在1936年，就出現(xiàn)了滾珠軸承式的動力陀螺穩(wěn)定平臺，在軍艦上用作測距儀的穩(wěn)定器。1950年美國研制成功三軸陀螺穩(wěn)定平臺XN-1。之后，在導(dǎo)彈和運載火箭慣性制導(dǎo)系統(tǒng)中，相繼出現(xiàn)了靜壓氣浮陀螺平臺、動壓氣浮自由轉(zhuǎn)子陀螺平臺、液浮陀螺平臺等，由于陀螺平臺采用了這些浮力支承，摩擦力矩減小的陀螺儀，其精度得到提高。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.4光電穩(wěn)定平臺原理與特性4.4.1光電穩(wěn)定平臺及其發(fā)展趨勢1.典型光電穩(wěn)定平臺美國分別應(yīng)用在“潘興”I導(dǎo)彈、“土星”運載火箭、“民兵”Ⅰ、Ⅱ?qū)椧约啊氨睒O星”導(dǎo)彈上。60年代末，美國研制出結(jié)構(gòu)簡單、精度高、成本低的撓性陀螺儀為敏感元件的撓性陀螺平臺，它在“三叉戟”Ⅰ潛地導(dǎo)彈、“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈，以及“潘興”Ⅱ?qū)椛系玫綉?yīng)用。隨著陀螺平臺技術(shù)的研究和發(fā)展，1973年美國研制出沒有框架的浮球平臺，即高級慣性參考球平臺。為了進一步提高制導(dǎo)精度和可靠性，對浮球平臺的支撐系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)進行了改進。陀螺穩(wěn)定平臺已由框架陀螺平臺發(fā)展到浮球平臺，陀螺平臺的質(zhì)量由幾十千克發(fā)展到僅0.8千克，外廓尺寸由0.5米以上發(fā)展到僅為0.08米的小型陀螺平臺。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.4光電穩(wěn)定平臺原理與特性4.4.1光電穩(wěn)定平臺及其發(fā)展趨勢1.典型光電穩(wěn)定平臺

StarSafire系列轉(zhuǎn)塔由FLIR公司研制。其中StarSafireⅢ型被美國海岸警衛(wèi)隊選定為標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)塔，配備“鷹眼”無人機。它的直徑為38.1厘米，傳感器包括紅外相機、彩色變焦相機、高分辨彩色偵察相機（能穿透薄霧）、激光照射裝置、激光測距儀。其中紅外成像器件是640×480陣元的大型中波紅外焦平面陣列，能產(chǎn)生相當(dāng)清晰的紅外圖像。熱成像儀有4種視場：視場范圍25°的寬視場、5.4°的中視場、1.4°的窄視場等。彩色晝用相機也可以提供寬、中、窄三種視場。彩色偵察相機除了中視場和超窄視場外，還有用于超長距離偵察的0.29°極窄視場。需要指出的是，鏡頭視場的選擇涉及到畫面范圍和目標(biāo)放大倍率的關(guān)系。視場越窄，目標(biāo)的放大倍率越高，反之，視場越寬，涵蓋的范圍越廣，但無法看清目標(biāo)的細(xì)節(jié)。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.4光電穩(wěn)定平臺原理與特性4.4.1光電穩(wěn)定平臺及其發(fā)展趨勢1.典型光電穩(wěn)定平臺

BriteStar轉(zhuǎn)塔體形稍大，直徑為40.6厘米、重54.43千克，目前主要配用美國海軍“火力偵察兵”無人直升機。該轉(zhuǎn)塔內(nèi)除安裝SatireⅢ型轉(zhuǎn)塔配備的可見光/紅外傳感器、激光測距及照射系統(tǒng)外，還配備了為激光制導(dǎo)武器提供引導(dǎo)的激光目標(biāo)指示系統(tǒng)。轉(zhuǎn)塔內(nèi)置有瞄準(zhǔn)模塊，可以使成像儀和光電相機自動瞄準(zhǔn)激光指示器的照射點，保證兩類傳感器動作協(xié)調(diào)一致，便于控制人員在不同頻譜圖像間快速切換。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.4光電穩(wěn)定平臺原理與特性4.4.1光電穩(wěn)定平臺及其發(fā)展趨勢1.典型光電穩(wěn)定平臺

Safire系列的最新成員是StarSafireHD。它是第一種全數(shù)字高清穩(wěn)像式機載傳感器轉(zhuǎn)塔，使用焦距1500毫米的鏡頭，所有傳感器生成的圖像都是全數(shù)字式的，避免了?！獢?shù)轉(zhuǎn)換對分辨率造成的損失，高帶寬的數(shù)字視頻傳輸，確保所有的場景細(xì)節(jié)能完整地從傳感器傳回平臺，轉(zhuǎn)塔內(nèi)置7套成像傳感器或激光傳感器，只通過一根光纖就可實現(xiàn)控制。美國陸軍已將SafireHD和StarSafireⅢ轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)用于“快速浮空器初始部署”（RAID）計劃。該計劃為小型系留式氣球配備高性能傳感器，在約100米高度實施監(jiān)視、預(yù)警，為部署在伊拉克和阿富汗的美軍提供警戒保護。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.4光電穩(wěn)定平臺原理與特性4.4.1光電穩(wěn)定平臺及其發(fā)展趨勢1.典型光電穩(wěn)定平臺

MX系列轉(zhuǎn)塔由美國WESCAM公司生產(chǎn)。它最初用于各種有人駕駛飛機，如用于美國海軍P-3C海上巡邏機和海岸警衛(wèi)隊C-130偵察機的MX-20轉(zhuǎn)塔；用于海岸警衛(wèi)隊HU-25“獵鷹”飛機、形體較小的MX-15轉(zhuǎn)塔。經(jīng)過進一步改進后，MX-15轉(zhuǎn)塔配備了通用原子航空系統(tǒng)公司生產(chǎn)的“蚊式”改進型無人機，在伊拉克使用了1年半。傳感器系統(tǒng)包括彩色變焦相機、配備超長焦距鏡頭的彩色或單色偵察相機、紅外變焦相機、激光測距儀、激光照射裝置。其中紅外攝像機有寬、中、窄、超窄4種視場，彩色變焦相機有寬、中、窄3種視場。而利用超長焦的偵察相機，可以觀測目標(biāo)的細(xì)節(jié)。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.4光電穩(wěn)定平臺原理與特性4.4.1光電穩(wěn)定平臺及其發(fā)展趨勢1.典型光電穩(wěn)定平臺

WESCAM還在MX-15基礎(chǔ)上研制了MX-15D，將用于引導(dǎo)激光制導(dǎo)武器的激光目標(biāo)指示系統(tǒng)整合進轉(zhuǎn)塔。MX-15D型是直徑15英寸（38.1厘米）級轉(zhuǎn)塔中，光電/紅外識別距離最遠(yuǎn)的。還有形體更緊湊的MX-12型轉(zhuǎn)塔，直徑30.5厘米、重量24千克，可根據(jù)需要在三級紅外變焦相機、彩色變焦相機、高倍率偵察相機、激光測距儀、激光照射裝置中任選4種。為了拍攝清晰的圖像、對目標(biāo)精確定位，就要避免傳感器的抖動、消除無人機飛行對傳感器成像的影響，否則再長焦距的鏡頭、再高分辨率的成像元件也只能得到模糊的影像。為此，MX系列所有型號轉(zhuǎn)塔的萬向節(jié)中都置有由固態(tài)光纖陀螺和加速度計組成的慣導(dǎo)系統(tǒng)（IMU），用以精確測定平臺的姿態(tài)、形成控制信號，使轉(zhuǎn)塔傳感器始終穩(wěn)定指向目標(biāo)。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.4光電穩(wěn)定平臺原理與特性4.4.1光電穩(wěn)定平臺及其發(fā)展趨勢1.典型光電穩(wěn)定平臺“多譜目標(biāo)獲取系統(tǒng)”(MTS)轉(zhuǎn)塔由美國雷聲公司研制，主要用于美國空軍的“捕食者”及飛行性能更強的“捕食者B”無人機。MTS-A轉(zhuǎn)塔用于配備“捕食者”，直徑為43.2厘米，整合有光電/紅外傳感器和激光指示系統(tǒng)。用于配備“捕食者B”的MTS-B轉(zhuǎn)塔比A型更重、傳感器探測距離更遠(yuǎn)，直徑53.9厘米、重量103.5千克。共設(shè)置有7種視場，其中2個超窄視場（0.08°×0.11°）、1個窄視場、3個中視場和1個寬視場（35°×45°）。在超窄視場（最高光學(xué)倍率）時，紅外相機和光電相機分別有2倍、4倍的電子變焦比，以進一步放大圖像。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.4光電穩(wěn)定平臺原理與特性4.4.1光電穩(wěn)定平臺及其發(fā)展趨勢1.典型光電穩(wěn)定平臺MTS系列轉(zhuǎn)塔與MX系列轉(zhuǎn)塔一樣，也安置有IMU單元。MTS系列轉(zhuǎn)塔最突出的技術(shù)特點是把圖像融合能力作為標(biāo)準(zhǔn)配置，雷聲公司對此進行了10多年的研究。系統(tǒng)地把拍攝的30萬像素（640×480）紅外圖像和可見光圖像進行信噪比分析，然后選擇兩幅圖像中最清晰的像素疊加生成一幅圖像，處理過程完全自動化。雷聲公司還將進一步改進MTS轉(zhuǎn)塔，包括提高光電/紅外系統(tǒng)的分辨率和清晰度、研制可包含更多細(xì)節(jié)的短波相機、采用體積更小的二極管泵浦激光器、開發(fā)壓縮視頻格式等方面，以提高轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)的性能，使信息傳輸更快、占用帶寬更小。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理1.典型光電穩(wěn)定平臺光電平臺Ultra8500XR轉(zhuǎn)塔SafireIII轉(zhuǎn)塔MTS-A轉(zhuǎn)塔“全球鷹”傳感器組合傳感器紅外熱像儀高敏感相機紅外照相機彩色變焦相機高分辨率彩色偵察相機激光照射裝置激光測距儀電視攝像機前視紅外人眼安全激光測距機激光照射器激光光斑跟蹤器數(shù)字相機前視紅外合成孔徑雷達(dá)尺寸直徑：229mm高度：343mm直徑：381mm直徑：443mm高度：475mm不詳重量13.1kg35.6kg56.3kg401.4kg應(yīng)用“影子400”“影子600”“鷹眼”“捕食者”A型“全球鷹”平臺圖片美國典型光電平臺性能及應(yīng)用情況第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理1.典型光電穩(wěn)定平臺其他國家典型光電平臺性能及應(yīng)用情況光電平臺POP200插入式吊艙MOSP多任務(wù)平臺Goshawk350光電平臺“紅隼”成像系統(tǒng)傳感器紅外傳感器CCD電視（傳感器可選）電視觀測器激光指示器/測距儀前視紅外觀測器（多傳感器組合可選）電視攝像機焦平面紅外探測器眼安全激光器（多傳感器組合可選）靜態(tài)黑白CCD照相機可見光CCD行掃儀“獨眼巨人”2000紅外行掃儀尺寸直徑：260mm高度：380mm直徑：300mm高度：500mm直徑：350mm高度：490mm分體式結(jié)構(gòu)重量13～16kg30～35kg25～32kg40～55kg應(yīng)用“EyeView”“獵人”“巡邏兵”“蒼鷺”“搜索者”“麻雀”“探索者”“紅隼”平臺圖片國家以色列以色列南非法國第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.4光電穩(wěn)定平臺原理與特性4.4.1光電穩(wěn)定平臺及其發(fā)展趨勢2.光電穩(wěn)定平臺發(fā)展趨勢（1）高性能傳感器與集成技術(shù)光電傳感器有前視紅外、電視攝像機、激光測距機、激光照射器等，其中，電視攝像機有較高的分辨率和彩色圖像，但僅適用于晝間；前視紅外適于夜間偵察；激光測距機用于測量目標(biāo)距離，激光照射器則用于為精確制導(dǎo)武器指示目標(biāo)。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.4光電穩(wěn)定平臺原理與特性4.4.1光電穩(wěn)定平臺及其發(fā)展趨勢2.光電穩(wěn)定平臺發(fā)展趨勢（1）高性能傳感器與集成技術(shù)傳感器在不斷提升性能的同時，也在向集成化方向發(fā)展，以適應(yīng)不同的作戰(zhàn)需求。一種是同一平臺集成多種傳感器，實現(xiàn)功能和性能匹配互補，如美軍無人機裝備的光電平臺通常集成有4～7種傳感器，以滿足偵察打擊一體化的需求。另一種是同一傳感器集成多種功能，如量子阱紅外探測器具有100萬～400萬像素的高集成度和mk級的高靈敏度，能同時探測2～3個光譜波段；激光測距/目標(biāo)指示器則是向融合方向發(fā)展，以便既能測量目標(biāo)距離，也能同時為武器系統(tǒng)指示所要攻擊的目標(biāo)。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.4光電穩(wěn)定平臺原理與特性4.4.1光電穩(wěn)定平臺及其發(fā)展趨勢2.光電穩(wěn)定平臺發(fā)展趨勢（2）高精度穩(wěn)定瞄準(zhǔn)和跟蹤技術(shù)①高精度復(fù)合穩(wěn)瞄技術(shù)當(dāng)具備高清晰度動態(tài)視頻源數(shù)據(jù)后，要獲取有用的信息，圖像的穩(wěn)定性就顯得尤為重要。穩(wěn)定平臺常用的形式有反射鏡穩(wěn)定和平臺整體穩(wěn)定。二級復(fù)合穩(wěn)定在平臺整體穩(wěn)定實現(xiàn)粗穩(wěn)的基礎(chǔ)上，有機結(jié)合反射鏡精穩(wěn)技術(shù)。這一技術(shù)對平臺控制技術(shù)提出了更高要求，同時也需要多光譜共光路技術(shù)的支撐?！安妒痴摺睙o人機裝備的MTS-A型和MTS-B型光電平臺已實現(xiàn)該技術(shù)的實戰(zhàn)應(yīng)用。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.4光電穩(wěn)定平臺原理與特性4.4.1光電穩(wěn)定平臺及其發(fā)展趨勢2.光電穩(wěn)定平臺發(fā)展趨勢（2）高精度穩(wěn)定瞄準(zhǔn)和跟蹤技術(shù)②多光譜共光路技術(shù)可見光電視、紅外熱像儀、微光電視、CCD相機、激光測距/照射器、光斑跟蹤器、激光照明器等是機載光電系統(tǒng)常用的傳感器?？梢姽狻⒓t外、激光工作于不同的波段，需要相應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)和窗口，這就造成光學(xué)系統(tǒng)體積、重量較大，光軸校準(zhǔn)比較困難，穩(wěn)瞄精度難以提高。多傳感器采用共光路結(jié)構(gòu)，進行集成化設(shè)計可以有效減輕系統(tǒng)重量，縮小體積，增大光學(xué)系統(tǒng)口徑，提高分辨率、靈敏度和穩(wěn)瞄精度。雷神公司在MTS-A型和MTS-B型光電平臺上通過采用反射式光學(xué)系統(tǒng)使這一技術(shù)得到了應(yīng)用。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.4光電穩(wěn)定平臺原理與特性4.4.1光電穩(wěn)定平臺及其發(fā)展趨勢2.光電穩(wěn)定平臺發(fā)展趨勢（2）高精度穩(wěn)定瞄準(zhǔn)和跟蹤技術(shù)

③空中自校軸技術(shù)光電平臺的多傳感器集成使各傳感器保持光軸平行成了一個非常關(guān)鍵的問題，對目標(biāo)定位精度影響極大。傳統(tǒng)做法是在地面進行周期校準(zhǔn)，但由于地面、空中環(huán)境差別，如溫度變化、外界振動、應(yīng)力釋放等因素，會造成已校準(zhǔn)的光軸在空中重新發(fā)生偏離。因此有必要采取空中實時校軸的辦法校準(zhǔn)光軸平行差。這樣做就免除了載體振動、沖擊和溫度與氣壓變化對光軸的影響，并可在需要時隨時校準(zhǔn)光軸，提高定位精度，較好地滿足作戰(zhàn)需求。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.4光電穩(wěn)定平臺原理與特性4.4.1光電穩(wěn)定平臺及其發(fā)展趨勢2.光電穩(wěn)定平臺發(fā)展趨勢（3）新型成像技術(shù)①多光譜/超光譜成像技術(shù)多光譜（數(shù)十譜段）和超光譜（數(shù)百譜段）成像是利用傳感器對目標(biāo)進行多個光譜成像的技術(shù)，可實現(xiàn)對目標(biāo)信息的高識別率和超精細(xì)觀察。超光譜成像技術(shù)具有較強地反偽裝、反隱蔽和反欺騙能力，便于對戰(zhàn)區(qū)目標(biāo)信息的全面掌握。另外，通過氣溶膠云層的被動超光譜成像可對非傳統(tǒng)攻擊進行預(yù)警，也可對生化戰(zhàn)微粒進行探測和識別。目前，第一代機載超光譜傳感器已成功應(yīng)用于美國“捕食者”和“先驅(qū)”無人機，而商業(yè)衛(wèi)星的多譜段數(shù)據(jù)信息產(chǎn)品已成為商業(yè)應(yīng)用中的支柱，分辨率達(dá)到幾米。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.4光電穩(wěn)定平臺原理與特性4.4.1光電穩(wěn)定平臺及其發(fā)展趨勢2.光電穩(wěn)定平臺發(fā)展趨勢（3）新型成像技術(shù)②光探測與距離成像技術(shù)光探測與距離成像技術(shù)，即主動照明和距離選通成像探測技術(shù)，是利用激光束高空間分辨力成像的特征，對低觀測性目標(biāo)進行探測和識別的一種手段。在中等云層、塵土飛揚和煙霧環(huán)境下，通過使用精確的短脈沖激光，捕獲反射回來的光子實現(xiàn)成像；還可實現(xiàn)夜間低能見度的高分辨力成像，使圖像更加清晰，作用距離更遠(yuǎn)，達(dá)到遠(yuǎn)距離字符識別能力。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.4光電穩(wěn)定平臺原理與特性4.4.1光電穩(wěn)定平臺及其發(fā)展趨勢2.光電穩(wěn)定平臺發(fā)展趨勢（4）偵察信息綜合處理技術(shù)①目標(biāo)信息集成技術(shù)?，F(xiàn)代武器系統(tǒng)和信息化作戰(zhàn)要求偵察系統(tǒng)能夠提供更多的目標(biāo)偵察信息，有必要在獲取目標(biāo)偵察視頻的同時，進一步發(fā)展目標(biāo)地理定位、被動測距、運動狀態(tài)估計、圖像增強、拼接偵察、地理注冊等技術(shù)，以提高目標(biāo)搜索和捕獲效率，達(dá)到先敵發(fā)現(xiàn)、先敵精確打擊的目的。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.4光電穩(wěn)定平臺原理與特性4.4.1光電穩(wěn)定平臺及其發(fā)展趨勢2.光電穩(wěn)定平臺發(fā)展趨勢（4）偵察信息綜合處理技術(shù)②圖像智能處理技術(shù)。圖像/信號處理技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展使圖像智能處理成為可能，這將極大地減輕人員負(fù)擔(dān)，甚至讓人遠(yuǎn)離戰(zhàn)場。如通過主動目標(biāo)提示器，傳感器可以自動搜索符合目標(biāo)庫中的特征目標(biāo)，或者提示操作人員重點觀察上次觀察后的變化目標(biāo)或者與環(huán)境有明顯差異的目標(biāo)。目前，雷神公司在MTS-A平臺上采用了圖像自動最優(yōu)化技術(shù)，能夠使圖像顯示信息最大化，增強情景認(rèn)知和遠(yuǎn)程監(jiān)控能力。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.4光電穩(wěn)定平臺原理與特性4.4.1光電穩(wěn)定平臺及其發(fā)展趨勢2.光電穩(wěn)定平臺發(fā)展趨勢（4）偵察信息綜合處理技術(shù)③圖像融合技術(shù)不同類型的傳感器對目標(biāo)偵察的側(cè)重點不同，各有優(yōu)缺點，有必要對來源不同的圖像進行融合，以最大程度利用所得圖像信息。a.不同光譜成像的融合。可見光、紅外、超光譜成像所得信息極為豐富，能夠全面反映目標(biāo)信息，但數(shù)據(jù)量大，處理復(fù)雜，需借助圖像融合技術(shù)達(dá)到良好的偵察效果。目前，前視紅外和電視圖像的融合處理已應(yīng)用在雷神公司的MTS-A型和MTS-B型光電平臺上。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.4光電穩(wěn)定平臺原理與特性4.4.1光電穩(wěn)定平臺及其發(fā)展趨勢2.光電穩(wěn)定平臺發(fā)展趨勢（4）偵察信息綜合處理技術(shù)③圖像融合技術(shù)b.光成像與雷達(dá)成像的融合。光電載荷成像清晰，但易受云霧雨雪氣象條件限制，探測距離短。合成孔徑雷達(dá)能夠穿透云層、煙霧和戰(zhàn)場偽裝，以高分辨率進行大范圍成像。將光電傳感器技術(shù)與合成孔徑雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合，利用雷達(dá)對目標(biāo)進行探測和定位，然后通過光電傳感器對目標(biāo)進行準(zhǔn)確識別，既是傳感器數(shù)據(jù)融合，也是將兩者功能互補。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.4光電穩(wěn)定平臺原理與特性4.4.2光電穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)與特性光電穩(wěn)定平臺系統(tǒng)的組成如圖所示，主要包括三大部分，即平臺本體、控制單元、反饋回路。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.4光電穩(wěn)定平臺原理與特性4.4.2光電穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)與特性1.平臺本體兩軸兩框架形式是球形穩(wěn)定平臺早期采用的一種結(jié)構(gòu)形式，該技術(shù)相對較為成熟，適用于低速、輕型、對穩(wěn)定精度要求不高的穩(wěn)定平臺。該類型平臺的臺體直接暴露在外部環(huán)境中，風(fēng)阻力直接作用存在較大的干擾力矩，隨機載飛行時穩(wěn)定精度只能達(dá)到毫弧級；此外，該平臺的傳感器光軸垂直向下時（通常為過頂狀態(tài)），不再具有兩自由度穩(wěn)定功能。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.4光電穩(wěn)定平臺原理與特性4.4.2光電穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)與特性1.平臺本體兩軸四框架結(jié)構(gòu)可利用內(nèi)外框架的活動范圍，保證內(nèi)框架的方位和俯仰相互垂直狀態(tài)，消除兩框架的環(huán)架自鎖盲區(qū)，而平臺歸零和扇掃操作時以外框架運動為主，從而實現(xiàn)微弧級的穩(wěn)定。兩軸四框架結(jié)構(gòu)由外框架系統(tǒng)和內(nèi)框架系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示，A為外方位框架，E為外俯仰框架，a為內(nèi)方位框架，e為內(nèi)俯仰框架。這種結(jié)構(gòu)與兩軸兩框架相比，具有明顯的優(yōu)越性，主要體現(xiàn)在：運動隔離性好，穩(wěn)定精度高；可以避免仰角時，精穩(wěn)定系統(tǒng)的環(huán)架閉鎖現(xiàn)象；可以減小電機的功率和體積。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.4光電穩(wěn)定平臺原理與特性4.4.2光電穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)與特性1.平臺本體內(nèi)框架系統(tǒng)是穩(wěn)定框架，慣性傳感器件安裝在內(nèi)俯仰環(huán)上，分別感知繞方位、俯仰軸向的干擾運動及真實角運動，將偏差信號經(jīng)穩(wěn)定回路分別送到e、a框的力矩電機，產(chǎn)生補償速率抵消干擾以實現(xiàn)內(nèi)框架的光軸穩(wěn)定，內(nèi)框架在外框架的內(nèi)部實現(xiàn)兩軸小角度轉(zhuǎn)動，平臺的控制精度主要由內(nèi)框架系統(tǒng)實現(xiàn)。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.4光電穩(wěn)定平臺原理與特性4.4.2光電穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)與特性2.控制系統(tǒng)位置控制器速度控制器伺服放大器伺服電機減速器平臺傾斜儀測位置陀螺測速N跟蹤器平臺1/s陀螺位置環(huán)Mfθi位置補償速度補償功率放大力矩驅(qū)動θi擾動力矩速度環(huán)—穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)原理圖光電吊艙陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)框圖第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.4光電穩(wěn)定平臺原理與特性4.4.2光電穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)與特性2.控制系統(tǒng)

通常，兩軸穩(wěn)定平臺通過伺服電機帶動平臺轉(zhuǎn)動來保持與飛行載體的運行狀態(tài)，其中一個方向軸上的工作原理如上圖所示，其為機電框架結(jié)構(gòu)。它采取X-Y兩軸伺服電機進行驅(qū)動控制，使平臺能克服2個方向軸上的晃動。它每個軸的控制系統(tǒng)模型由內(nèi)回路速度環(huán)和外回路位置環(huán)構(gòu)成，系統(tǒng)框圖如下圖所示。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.4光電穩(wěn)定平臺原理與特性4.4.2光電穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)與特性3.運動學(xué)特性四框架光電穩(wěn)定平臺系統(tǒng)定義了五個坐標(biāo)系，即基座坐標(biāo)系、外方位坐標(biāo)系、外俯仰坐標(biāo)系、內(nèi)方位坐標(biāo)系和內(nèi)俯仰坐標(biāo)系，通常忽略各坐標(biāo)遠(yuǎn)點差異。根據(jù)上述五個坐標(biāo)系可以得到各個框架運動的角速度表達(dá)式，載機干擾角速度對外方位框架的耦合作用為：第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.4光電穩(wěn)定平臺原理與特性4.4.2光電穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)與特性3.運動學(xué)特性同樣，外方位框架角速度對外俯仰框架的耦合作用為：第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.4光電穩(wěn)定平臺原理與特性4.4.2光電穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)與特性3.運動學(xué)特性外俯仰框架角速度對內(nèi)方位框架的耦合作用為：第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.4光電穩(wěn)定平臺原理與特性4.4.2光電穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)與特性3.運動學(xué)特性內(nèi)方位框架角速度對內(nèi)俯仰框架的耦合作用為：第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.4光電穩(wěn)定平臺原理與特性4.4.2光電穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)與特性4.載機擾動隔離特性四框架光電穩(wěn)定平臺主要依靠內(nèi)框架系統(tǒng)隔離載機干擾運動，這里將內(nèi)框架系統(tǒng)看成一個兩軸穩(wěn)定平臺。載機運動時，干擾角速度會通過框架間摩擦約束的幾何約束傳遞給內(nèi)框架系統(tǒng)，引起了負(fù)載的抖動。因此負(fù)載角速度由兩部分組成：電機偏轉(zhuǎn)角速度和載機干擾角速度，且：第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.4光電穩(wěn)定平臺原理與特性4.4.2光電穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)與特性4.載機擾動隔離特性隔離擾動的本質(zhì)就是角速度對消，為了隔離干擾，即，所以：內(nèi)方位框架的角速度：第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.4光電穩(wěn)定平臺原理與特性4.4.2光電穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)與特性4.載機擾動隔離特性式中，、、為載機傳遞過來的干擾角速度，為了隔離干擾可得：

此時，得到內(nèi)俯仰框架的角速度：第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.4光電穩(wěn)定平臺原理與特性4.4.2光電穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)與特性4.載機擾動隔離特性

就是陀螺測量到俯仰相對慣性空間的角速度后，內(nèi)俯仰環(huán)伺服回路控制內(nèi)俯仰電機旋轉(zhuǎn)的角速度，作用就是抵消的影響，因此有：

可以看出，此時的內(nèi)俯仰框架由于內(nèi)俯仰角的存在導(dǎo)致在方位向上產(chǎn)生了速度量，這個分量同樣可以由陀螺測量得到，通過伺服回路進行旋轉(zhuǎn)抵消，但是此處應(yīng)該注意的是，電機旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的速度要進行正割補償，即：第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.4光電穩(wěn)定平臺原理與特性4.4.2光電穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)與特性4.載機擾動隔離特性由于角速度引起內(nèi)俯仰軸的角速度為：將代入上式得到：第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.4光電穩(wěn)定平臺原理與特性4.4.2光電穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)與特性4.載機擾動隔離特性由上式可以看出，通過內(nèi)框架伺服回路控制電機進行旋轉(zhuǎn)，可以抵消載機在方位和俯仰軸上的干擾，但是對于像旋轉(zhuǎn)軸角速度無法進行補償，實際應(yīng)用時，由于內(nèi)方位和內(nèi)俯仰轉(zhuǎn)角很小，還可以進一步做線性近似。第四章無人機電視攝像與跟蹤定位原理4.5電視攝像系統(tǒng)跟蹤與定位4.5.1無人機電視圖像目標(biāo)定位方法與過程1.無人機電視圖像目標(biāo)定位方法目前，利用無人機電視偵察圖像進行目標(biāo)定位的方法主要有三種：一是基于圖像匹配模式的非實時定位。這種方法主要是利用可獲取