稳像技术的陀螺稳定仪在船载监控系统中的应用

一、稳像的概念及稳像技术的必要性

图像不稳定的原因是摄像、照相系统的视轴与目标之间存在无效的随机相对运动，包括平移和角运动。而对摄像机所摄取的图像序列的电子稳像则是对受到外界扰动的摄像等系统所获取的动态图像序列进行重组使其在显示器上输出平稳图像序列的技术。

稳像技术在军事领域、民用测绘以及摄影系统中具有广泛的应用。军事方面，由于成像系统工作时要受到其载体的姿态变化或振动的影响,将导致获得的图像信息不稳定、模糊，极大地限制了图像信息的有效利用。通过稳像技术能消除或减轻运动摄像载体对图像的影响,大大提高所获取图像信息的质量。而在民用方面的航空摄像和地形测绘仪器中,为使系统在显示器上得到稳定的测量基准，必须使用稳像技术，以便在仪器的测量面上提供一个相对稳定的坐标系，使测量的结果准确无误。随着技术的发展和生活水平的提高，现在一些较为高档的手持和肩扛摄录系统也广泛地应用了稳像技术，使其能克服由于无意识运动造成图像的模糊，提高系统的成像质量。

二、根据稳像原理,稳像装置可以分为三类,即:平台式稳像、光学稳像、电子稳像。

1、平台式稳像

平台式稳像是利用惯性元件（如陀螺〉和伺服系统构成的稳定平台来稳定动载体上的摄像设备的姿态来实现稳像的。当平台因干扰力矩和载体姿态变化的作用而偏离原来的方位时,陀螺等惯性元件敏感平台变化的姿态角或角速率,经过放大后驱动电机,通过电机等幅反向的补偿运动进行补偿，使平台保持稳定。而平台的稳定也就保证了其上的光学系统的视轴的稳定，从而保证了图像序列的输出稳定。根据稳定部分的不同,可分为整体稳定和局部稳定两类。当将整个成像系统置于稳定平台上时，称为整体稳像，如在一些大型的武器系统中，只稳定部分光学元件时，称为局部稳像。根据稳定平台稳定轴的数量，可分为双轴稳定平台，三轴稳定平台和四轴稳定平台。

2、光学稳像

光学稳像是通过对整个系统的光学子系统中的某个或某几个光学元件的控制来实现视轴的稳定从而实现图像的稳定.光学稳定方法不需将整个仪器或光学系统稳定，因此减轻了被稳定系统的重量，又因为物镜和像面均是固定的，便于对图像作进一步的处理。根据稳定元件所在位置又可分为物空间稳像和像空间稳像。常用于稳定的元件有折射元件、反射元件以及多种元件的组合.利用折射元件的典型方法是利用可变光楔来控制瞄准线的方向，它是由美国的Dynascience公司的科技人员最初提出的，它是基于如下事实:当一组光束通过一个角度为a、折射率为n的光楔，其方向将近似地改变a(n-1)。

因此通过移动或转动一个角度为α、折射率为n的光楔，使出射光线按近似(n-1)a的角度改变方向来进行像移的随机补偿。采用可变光楔进行稳像的缺点主要是只有工作在平行光束中的系统，才可能令人满意地工作，结果使仪器的体积增大，使其应用更加复杂。

上述这些缺点极大限制了楔形镜补偿器在高分辨率的成像设备中使用，特别是在高精度侦察设备中的使用。利用反射光学元件的稳定系统，由于没有上述光楔的缺点，在现代的高精度的光学系统中得到了广泛的应用。

3、电子稳像技术及其研究意义

电子稳像技术就是通过惯性或算法对图像序列进行运动估计并通过数字图像处理进行补偿的技术。进入90年代后，随着计算机技术和大规模集成电路技术的迅猛发展，计算机产品的性能迅速提高，图像处理设备的价格持续下降,这些变化为电子稳像技术的发展提供了良好的条件。而采用平台稳像和光学稳像方法要采用特殊的结构和专用的元件，增加了系统的体积、功耗、和复杂程度。而电子稳像具有体积小、价格低，能耗小、高智能化等特点，越来越受到各国的重视。

三、船载电子稳像系统

船载摄像系统主要担任海面侦察、巡逻和警戒任务。是舰船的眼睛，具有作用距离远(f-1200m),实时性强，侦察范围宽，机动灵活的特点。但作为摄像系统载体的舰船常常受风浪的影响,造成船体姿态变化大，船体振动剧烈。使得在监视器上获得的图像信息不稳定、模糊现象十分严重，同时这种不稳定的图像对于观察者还会产生疲劳感,从而导致误判和漏判，所以船载成像系统的稳像已经成为一个亟待解决的问题。因此如何有效地实现船载侦察设备输出视频图像的实时稳定非常重要，在船载摄像系统经稳定平台粗稳定的基础上，有必要用基于陀螺仪的电子稳像技术进行二级稳像研究。

在装载摄像机的稳定平台上安装角速率陀螺，船体运动经稳定平台隔离后，尚存在残差，使摄像机产生干扰运动造成图像的模糊和突跳，这时速率陀螺分别检测经稳定平台稳定后的横摇、纵摇的角速率残差，采集到的数据送给数据信号采集系统,将模拟量转换成数字量输入到图像稳定控制器中，图像稳定控制器通过分析、处理获取的各种数据，提取出导致图像失稳的载体（稳定平台)运动矢量参数作为控制信号，对从CCD固体摄像机采集到的每一帧图像数据进行平移和旋转运动补偿，从而在监视器上输出稳定清晰的图像序列。