[科普中國(guó)]-像移補(bǔ)償

系統(tǒng)要求

航空、航天相機(jī)拍照時(shí), 由于振動(dòng)、飛行器的運(yùn)動(dòng)及相機(jī)擺動(dòng)等使相機(jī)在曝光時(shí), 被照物影像與感光介質(zhì)間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng), 帶來(lái)了成像模糊及拖尾效應(yīng), 此即像移。按產(chǎn)生原因的不同分為以下幾類(lèi) :飛行器前向飛行造成的前向像移;飛行器姿態(tài)變化帶來(lái)的隨機(jī)像移;飛行器震動(dòng)及氣流波動(dòng)引起的震動(dòng)像移;相機(jī)鏡頭掃描產(chǎn)生的擺掃像移等。像移的存在極大影響了相機(jī)成像質(zhì)量, 使圖像分辨力明顯下降, 必須進(jìn)行像移補(bǔ)償。像移補(bǔ)償系統(tǒng)應(yīng)滿(mǎn)足以下幾方面的要求 :

(1)保證像面上各點(diǎn)的補(bǔ)償精度即像移補(bǔ)償殘差在允許范圍內(nèi);2

(2)補(bǔ)償系統(tǒng)不能影響其他部分的工作;

(3)不降低成像質(zhì)量, 即不能導(dǎo)致離焦、降低透光率等現(xiàn)象的發(fā)生;

(4)在像移速度范圍內(nèi)能簡(jiǎn)單補(bǔ)償而不需外加設(shè)備或復(fù)雜的人工干預(yù)。

像移補(bǔ)償主要應(yīng)用在空間遙感成像、軍事偵察和航空測(cè)量與測(cè)繪等領(lǐng)域。2

像移補(bǔ)償器對(duì)遙感平臺(tái)相對(duì)于所攝目標(biāo)前移運(yùn)動(dòng)引起像點(diǎn)移位的自動(dòng)補(bǔ)償校正裝置。隨平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的攝影機(jī)，在曝光的時(shí)間內(nèi)，地面點(diǎn)的影像沿航線(xiàn)方向移動(dòng)，使影像模糊。補(bǔ)償器的作用是使吸附在攝影機(jī)壓片板上的感光膠片在整個(gè)曝光時(shí)間內(nèi)沿航線(xiàn)方向移動(dòng)相同的像移值，從而消除或減小像移的影響。航天攝影和低空航空攝影中使用的攝影機(jī)一般都帶有像移補(bǔ)償器。

實(shí)現(xiàn)途徑機(jī)械式像移補(bǔ)償法利用機(jī)械結(jié)構(gòu)在曝光時(shí)隨影像運(yùn)動(dòng)方向移動(dòng)感光介質(zhì)的補(bǔ)償法為機(jī)械式像移補(bǔ)償法。它要求介質(zhì)運(yùn)動(dòng)矢量與光學(xué)影像運(yùn)動(dòng)矢量的大小、方向一致且系統(tǒng)的制作精度要求非常高、運(yùn)行必須穩(wěn)定可靠。該補(bǔ)償法適用于地球轉(zhuǎn)動(dòng)、飛行器橫滾、俯仰和相機(jī)掃描引起的像移, 主要用在膠片式垂直照相相機(jī)上。實(shí)現(xiàn)時(shí)是用拉動(dòng)型量片機(jī)構(gòu)移動(dòng)膠片并精確控制卷片機(jī)構(gòu)以保證必要的補(bǔ)償精度。美國(guó)的KA-112A航空偵察相機(jī)用移動(dòng)膠片法消除掃描和橫滾造成的像移;我國(guó)某航天飛行器上的相機(jī)也用到了此方法減小像移。2

機(jī)械補(bǔ)償法優(yōu)點(diǎn)是感光面上各點(diǎn)的補(bǔ)償速度一樣且沒(méi)附加系統(tǒng), 但對(duì)結(jié)構(gòu)的運(yùn)行及制作精度要求高、需大功率傳動(dòng)裝置, 限制了它在航相機(jī)特別是廣角鏡頭相機(jī)上的應(yīng)用。

光學(xué)式像移補(bǔ)償法按照與相機(jī)焦面上像移速度一致的原則旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)光路元件以改變光線(xiàn)方向的補(bǔ)償法即光學(xué)式像移補(bǔ)償法。目前常用旋轉(zhuǎn)物鏡前方的回轉(zhuǎn)反射鏡補(bǔ)償前向像移, 如圖1 。

地物點(diǎn)A 經(jīng)反射鏡和透鏡后成像在焦平面a點(diǎn), 曝光時(shí)以一定角速度ω旋轉(zhuǎn)反射鏡, 使再次成像點(diǎn)a′保持在原位置(a 點(diǎn))以實(shí)現(xiàn)前向像移補(bǔ)償。已知飛行器飛行速度為V , 飛行高度H , 則反射鏡旋轉(zhuǎn)的角速度ω為

此補(bǔ)償法的反射鏡體積小、重量輕且易控制, 除補(bǔ)償前向像移外還能補(bǔ)償俯仰和偏航引起的像移, 主要用在長(zhǎng)焦距全景相機(jī)上。上述KA-112A 航空偵察相機(jī)和美國(guó)芝加哥航空工業(yè)公司20 世紀(jì)80 年代初研制的KS-146 長(zhǎng)焦航空相機(jī)都采用了這種補(bǔ)償方法, 該補(bǔ)償法目前較多采用。2

電子式像移補(bǔ)償法電子式像移補(bǔ)償方法主要是針對(duì)CCD 相機(jī)利用一系列CCD 電荷轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)技術(shù)來(lái)控制CCD 曝光的補(bǔ)償法。目前國(guó)內(nèi)外采用的電子式像移補(bǔ)償法有真角度像移補(bǔ)償法、面陣TDI 模式像移補(bǔ)償法和階梯式像移補(bǔ)償法。

TDI CCD(Time Delay and Integrate Charge CoupledDevice)的工作原理如圖2 。

TDI CCD 是一種線(xiàn)陣CCD , 它的突出特點(diǎn)是在運(yùn)動(dòng)中成像。圖2 中TDI CCD 行數(shù)為延遲積分的級(jí)數(shù)(M ), 當(dāng)沿著CCD 級(jí)數(shù)方向推掃成像時(shí), 在第一個(gè)積分周期目標(biāo)在某列第一個(gè)像元曝光積分, 得到的光生電荷下移一個(gè)像元;在第二個(gè)積分周期目標(biāo)恰好移動(dòng)到該列第二個(gè)像元處曝光積分, 得到的光生電荷與上一像元來(lái)的電荷相加后移到下一像元;…… ;直到第M 個(gè)積分周期目標(biāo)移到該列第M個(gè)像元曝光積分, 產(chǎn)生的光生電荷與前(M -1)個(gè)電荷相加后移入讀出寄存器并讀出。TDI CCD 級(jí)數(shù)方向的電荷轉(zhuǎn)移是靠外同步信號(hào)觸發(fā)的。圖2 中M 列像元實(shí)際是TDI CCD 的同一列像元在M 個(gè)積分周期內(nèi)對(duì)目標(biāo)的曝光。2

真角度像移補(bǔ)償原理如圖3 , 它是針對(duì)TDI CCD的成像原理即在運(yùn)動(dòng)中成像的特點(diǎn), 利用與相機(jī)鏡筒同軸安裝的光學(xué)式編碼器的輸出作為CCD 的行轉(zhuǎn)移外同步信號(hào), 讓編碼器每位對(duì)應(yīng)的角度與TDICCD 每個(gè)像元對(duì)應(yīng)的角度相等, 使CCD 的行轉(zhuǎn)移速度與像移速度同步來(lái)補(bǔ)償由相機(jī)掃描引起的像移,一般用于TDI CCD 全景式相機(jī)的擺掃像移補(bǔ)償上。2

階梯式像移補(bǔ)償法是針對(duì)面陣CCD 感光面上的前向像移速度不一致的補(bǔ)償法。原理是基于上述面陣TDI 模式補(bǔ)償法, 依據(jù)像移補(bǔ)償精度要求將面陣CCD 的若干列像素劃分為兩個(gè)或兩個(gè)以上的組合列, 這些組合列被獨(dú)立的、按照像移速度變化規(guī)律變化的離散脈沖來(lái)同步電荷轉(zhuǎn)移速度和像移速度, 每個(gè)組合列內(nèi)部的每列用統(tǒng)一的電荷轉(zhuǎn)移速率。2

階梯式像移補(bǔ)償法的組合列劃分得越多, 像移補(bǔ)償精度越高;反之精度越低。它已應(yīng)用在美國(guó)CA-260 、CA-270 、CA-290 等電光分幅式航空偵察相機(jī)上。

像移補(bǔ)償精度像移補(bǔ)償精度定義為：補(bǔ)償后的剩余像移量與像移量之比，或補(bǔ)償速度誤差與補(bǔ)償速度之比，用百分?jǐn)?shù)表示

式中，

γ——像移補(bǔ)償精度，%；

△d——補(bǔ)償后的剩余像移量，μm；

d——像移量，μm；

△Vc，——補(bǔ)償速度誤差，mm/s；

Vc，——補(bǔ)償速度，mm/S．

像移補(bǔ)償精度要求主要根據(jù)相機(jī)的分辨率確定，允許像移量與分辨率之間可以用下式表示．

式中 R0——靜態(tài)分辨率，對(duì)線(xiàn)/mm．

例如，R0=85對(duì)線(xiàn)/mm，△d