Parameter calculation and analysis of autonomous reconnaissance for UAV-borne photoelectric payload

Zhaohui JIA; Lei ZHU; Mingxin JIN; Fang ZHANG; Ying FENG; Xiaoliang ZHANG; Haibo LONG

doi:10.5768/JAO202445.0501007

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Journal of Applied Optics
Vol. 45, Issue 5, 930 (2024)

Parameter calculation and analysis of autonomous reconnaissance for UAV-borne photoelectric payload

Zhaohui JIA^*, Lei ZHU, Mingxin JIN, Fang ZHANG, Ying FENG, Xiaoliang ZHANG, and Haibo LONG

Author Affiliations

Xi'an Institute of Applied Optics, Xi'an 710065, China

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DOI: 10.5768/JAO202445.0501007 Cite this Article

Zhaohui JIA, Lei ZHU, Mingxin JIN, Fang ZHANG, Ying FENG, Xiaoliang ZHANG, Haibo LONG. Parameter calculation and analysis of autonomous reconnaissance for UAV-borne photoelectric payload[J]. Journal of Applied Optics, 2024, 45(5): 930 Copy Citation Text

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Fig. 1. Flow chart of autonomous reconnaissance mode

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Fig. 2. Parameter calculation chain of autonomous reconnaissance mode

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Fig. 3. Relationship between altitude, pitch angle and target distance

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Fig. 4. Calculation sketch of scanning depth

L_{FOV}

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Fig. 5. Calculation sketch of maximum target distance

D_{\max}

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Fig. 6. Simplified banded diagram produced on ground during scanning

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Fig. 7. Calculation sketch of scanning width

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Fig. 8. Actual generated scanning band

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Fig. 9. UAV route planning

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序号	参数名称	含义
1	视场角 $θ_{H} \times θ_{V}$ /（°）	光电载荷内的光电传感器的水平视场角和垂直视场角
2	像元尺寸 $η \times η$ /µm	光电载荷内的光电传感器的像元尺寸
3	分辨率 $F_{H} \times F_{V}$ /pixel	光电载荷内的光电传感器的分辨率
4	扫描角速度 $V_{S}$ /（°）/s	光电载荷自动扫描状态下在方位上的角速度
5	扫描角度范围 $β_{r}$ /（°）	光电载荷自动扫描状态下在方位上的角度范围
6	俯仰角 $α$ /（°）	光电载荷在自动扫描过程中，其光轴与水平面之间的夹角，向上为正，向下为负。
7	飞行速度 $V_{f}$ /m/s	无人机在自动巡航时的飞行速度
8	飞行高度 $H_{f}$ /m	无人机在自动巡航时距离地面的高度
9	目标尺寸 $A_{H} \times A_{V}$ /m	侦察目标的实际尺寸
10	自动识别的最少目标像素数 $m \times n$ /pixel	自动识别模块可以识别的最少目标的像素数，由自动识别模块的识别能力决定
11	侦察区域大小 $j \times k$ /m	矩形侦察区域的长和宽
12	扫描纵深 $L_{FOV}$ /m	扫描时传感器垂直视场在地面上覆盖的宽度
13	纵深时间 $T_{FOV}$ /s	无人机飞过扫描纵深的时间
14	中心目标距离 $D_{center}$ /m	光电载荷视场中心的目标与光电载荷之间的距离
15	视场上极限中心目标距离 $D_{up}$ /m	光电载荷内的光电传感器视场上极限中心对应的目标和光电载荷之间的距离
16	目标距离阈值 $D_{th}$ /m	根据最少目标像素数的识别要求而计算的目标距离
17	最大目标距离 $D_{\max}$ /m	视场内的所有目标和光电载荷的距离的最大值
18	投影距离 $L_{D}$ /m	中心目标距离在地面上的投影距离
19	扫描单程时间 $T_{S}$ /s	自动扫描时光电载荷的方位角从左极限转到右极限（或从右极限转到左极限）所需的时间
20	原始扫描宽度 $W$ /m	初步计算的扫描宽度
21	重叠率 $p$	两个扫描带重叠部分的尺寸与扫描带尺寸之间的比率
22	修正扫描宽度 $W^{'}$ /m	考虑重叠率之后的扫描宽度
23	航路路程 $Q$ /m	无人机侦察完指定区域需要飞行的路程
24	侦察时间 $T_{R}$ /s	无人机侦察完指定区域所需的时间

Table 1. Main parameters involved in autonomous reconnaissance mode

序号	参数名称	方案1	方案2	方案3
1	飞行高度 $H_{f}$ /m	300	300	600
2	飞行速度 $V_{f}$ /m/s	35	35	35
3	视场角 $θ_{H} \times θ_{V}$ /（°）	5.5×3.09	3×1.7 5.	5×3.09
4	俯仰角 $α$ /（°）	−9.59	−9.59	−19.4
5	扫描角度范围 $β_{r}$ /（°）	14	7	7
6	扫描角速度 $V_{S}$ /（°/s）	1.7	1.7	1.7
7	中心目标距离 $D_{center}$ /m	1 800	1 800	1 800
8	目标距离阈值 $D_{t h}$ /m	2 300	4 216	2 300
9	最大目标距离 $D_{\max}$ /m	2 144	1 973	1 950
10	纵深时间 $T_{FOV}$ /s	17.1	9.1	8.4
11	扫描单程时间 $T_{S}$ ×2/s	16.4	8.2	8.2
12	修正扫描宽度 $W^{'}$ /m	393	197	197
13	侦察时间 $T_{R}$ /s	1 857	3 714	3 714

Table 2. Three schemes for simulation calculation of autonomous reconnaissance

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