像移補償技術(shù)的發(fā)展與展望

張玉欣,劉 宇,葛文奇

(1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林長春 130033; 2.中國科學(xué)院研究生院,北京 100039; 3.北華大學(xué)電氣信息工程學(xué)院,吉林吉林 132021; 4.吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道工程系,吉林吉林 132001)

1 引 言

航空相機(jī)已廣泛應(yīng)用在民用工程領(lǐng)域中。由于在工作過程中相機(jī)載體 (飛機(jī)、飛艇或探空氣球等)與被攝目標(biāo)之間存在相對運動,致使感光介質(zhì)在曝光成像時,目標(biāo)影像與感光介質(zhì)存在相對運動,從而使圖像產(chǎn)生模糊,即存在像移。像移的存在極大地影響了成像質(zhì)量,使得航攝圖像分辨率降低,且存在被攝目標(biāo)輪廓不清,目標(biāo)和周圍背景存在或大或小的過渡區(qū),而當(dāng)過渡區(qū)達(dá)到一定程度還會導(dǎo)致相鄰兩目標(biāo)的成像互相交疊,甚至不能分辨。因此,必須采取相應(yīng)措施補償像移,提高圖像分辨率。

不同原因引起的像移有不同的補償方法,各種方法有各自的特點及適用范圍,但是所有的像移補償系統(tǒng)都應(yīng)該滿足以下幾方面的要求:

(1)保證像面上各點的補償精度即像移補償殘差在允許的范圍內(nèi);

(2)補償系統(tǒng)不能影響其它部分的工作;

(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)能簡單補償而不需外加設(shè)備或復(fù)雜的人工干預(yù)。

目前,研究者已經(jīng)對像移補償進(jìn)行了大量的專業(yè)研究,找出了多種有效的補償方法,例如光學(xué)像移補償法、機(jī)械式像移補償法、集成像移補償法、電子式像移補償法、數(shù)字式像移補償法等。

美國在航空相機(jī)像移補償方面技術(shù)先進(jìn)、補償精度高,處在本研究領(lǐng)域的前列。例如,美國的KA-112A航空偵查相機(jī)采用機(jī)械式和光學(xué)式像移補償法,美國芝加哥航空工業(yè)公司研制的 KS-146航空偵查相機(jī)采用光學(xué)式像移補償法,美國CA-260、CA-270、CA-290系列電光分幅值式偵查相機(jī)則采用電子式像移補償法來進(jìn)行像移補償,均獲得較好的補償效果。

我國航空相機(jī)像移補償工作起步較晚,與西方軍事強(qiáng)國的差距較大,這也成為制約航空成像質(zhì)量的重要因素,目前正努力創(chuàng)新以縮小差距。

速高比是像移補償中一個重要的參數(shù),速高比的獲取精度決定了像移補償?shù)木?。國?nèi)外獲取速高比的方法主要有以下幾種:平行狹縫法、掃描相關(guān)法、外差法 (美國專利 3537793)、光程差法(美國專利 5745226)和直接計算法。本文將分別對像移補償和速高比獲取的主要方法進(jìn)行闡述。

2 像移補償?shù)墓ぷ髟砑胺椒?/h2>

一般來說,像移是由以下幾種原因造成的:飛行器前向飛行造成的前向像移;飛行器姿態(tài)變化帶來的隨機(jī)像移 ;飛行器震動及氣流波動引起的震動像移以及相機(jī)鏡頭掃描產(chǎn)生的擺掃像移等。不同原因產(chǎn)生的像移要用不同的方法進(jìn)行補償。這里簡單介紹了像移補償原理和常用的幾種像移補償方法。

2.1 像移補償?shù)墓ぷ髟?/h3>

圖1 像移補償原理Fig.1 Principle of image motion compensation

如圖1所示,相機(jī) C安裝在飛機(jī)上,對地面景物進(jìn)行拍照時,如取景物為A點,并假設(shè)飛機(jī)靜止,A點在相機(jī)中的成像為A點,但由于飛機(jī)以速度v向前運動,等效為A點以速度v向后運動到A1點,飛機(jī)的運動使得在相機(jī)中A點變成A′點,飛行高度為H,相機(jī)焦距為fL時,像面上的像速值iv為:

令曝光時間為te,則曝光時間te內(nèi)的像移量δi為:

當(dāng)te很小時,例如te=0.001 s,則產(chǎn)生的像移動量δi很小 ;當(dāng)te=0.02 s時 ,δi即不可忽視 ,它勢必降低圖像分辨率,因而必須采取補償措施。

2.2 常用像移補償方法

不同原因引起的像移有不同的補償方法,常用的像移補償法有以下幾種。

2.2.1 光學(xué)式像移補償法

光學(xué)式像移補償法是按照與相機(jī)焦面上像速一致的原則旋轉(zhuǎn)或移動光路元件 (如反射鏡)以改變光線方向和移動速度進(jìn)行像移補償?shù)姆椒?其原理如圖2所示。

圖2 光學(xué)式像移補償法原理圖Fig.2 Principle of optical image motion compensation method

地物A經(jīng)反射鏡成像在焦平面a點,由于飛機(jī)的運動使像點運動到a′造成了像移。曝光時以一定角速度ω旋轉(zhuǎn),就可以使成像點a′與a重合,從而實現(xiàn)像移的補償。其中:

光學(xué)式像移補償法采用的反射鏡體積小、重量輕,但要求反射鏡速度控制精度較高 (3%～0.5%)。該種補償方法已經(jīng)在近代相機(jī)中獲得廣泛的應(yīng)用,尤其是大孔徑長焦距相機(jī)中用的較多。

2.2.2 機(jī)械式像移補償法

在膠片式相機(jī)中 (例如德國 LMK相機(jī)中),讓膠片 (實際為膠片托板)在曝光時間te內(nèi)按速度與像速同向移動,可以使圖像“凍結(jié)”,即起到像移補償作用。該方法對系統(tǒng)精度要求較高。

2.2.3 集成像移補償法

最新的像移補償技術(shù)集成像移補償法是將像移補償同芯片集成為一體,目前加拿大DALSA公司為美國海軍實驗室做成了 5 kByte×5 kByte帶像移補償功能的芯片,幀頻達(dá) 2.5 Hz,為超高分辨率 CCD探測器。

2.2.4 數(shù)字式像移補償法

數(shù)字式像移補償法又稱圖像補償法、軟件補償法。該方法利用點擴(kuò)散函數(shù)和維納濾波等對CCD相機(jī)的數(shù)字圖像進(jìn)行像移補償,雖然實時性差些,但也能收到較好的效果。

3 獲取速高比 v/H的常用方法

無論哪種像移補償方法都必須提供準(zhǔn)確的速高比 (v/H)值,即必須提供準(zhǔn)確的像速值iv,它是像移補償?shù)幕A(chǔ)。為此研究人員對測量v/H做了大量的研究工作,這里對已有的幾種方法逐一加以闡述。

3.1 平行狹縫法

平行狹縫法也稱空間濾波法[10,11],這是早期采用的一種直接方法,其原理如圖3,相機(jī)及載體以一定的速度v在高度H處水平飛行,設(shè)圖像速度為iv,用一組矩形平行狹縫 h放在鏡頭 L前,設(shè)相機(jī)物鏡焦距為F為一常數(shù)。將投射到像面上的景物先經(jīng)平行狹縫進(jìn)行空間濾波,再匯聚到光電探測器的靶面 ph上產(chǎn)生電信號,由圖4可知:

假設(shè)平行狹縫的周期長度是b(mm),如圖4所示,設(shè)平行狹縫濾波器輸出信號頻率為fc,則有:

由式 (4)和 (5)可以看出測出頻率fc即可獲得像速值iv,進(jìn)而可以進(jìn)行像移補償。

圖3 平行狹縫測速原理Fig.3 Principle of velocity measurement with parallel slits

圖4 平行狹縫Fig.4 Diagram of parallel slits

3.2 掃描相關(guān)法

光電探測器的輸出信號f(t)作為相關(guān)器輸入信號,f(t)與延時一個掃描周期Ta后的信號f(t-Ta)進(jìn)行相關(guān)運算后得到自相關(guān)函數(shù)R(τ)。由于相鄰兩個掃描周期相應(yīng)景物信號波形相同且差一個相位τ,掃描對應(yīng)點只差一個掃描周期Ta,所以有:

以圓環(huán)掃描為例,其中半徑為r,當(dāng)τ值較小時可近似認(rèn)為v不變,故:

則:

所以有:

從上式可以得出相關(guān)函數(shù)是像移速度v的函數(shù)。

3.3 外差法

外差法是美國專利 3537793[12],是一種用來測量運動光學(xué)圖像或者穩(wěn)定圖像像速的方法。采用電子手段使裝置產(chǎn)生相對空間濾波器明顯的平動速度而不需要空間濾波器真正的進(jìn)行物理移動。外差法系統(tǒng)框圖如圖5。

圖5 外差法系統(tǒng)框圖Fig.5 Diagram of heterodyne system

帶有速度信息的圖像通過部件在成直角的兩個方向上與圖像信號頻率發(fā)生器連接,圖像頻率發(fā)生器產(chǎn)生兩路交流信號σi和σ′i,每一個信號頻率與像面上特定方向的像速成正比。圖像頻率發(fā)生器包括一對空間濾波器或者光柵,放置在像平面上以產(chǎn)生像速對應(yīng)柵格傳遞方向的光度信號。柵格的放置在網(wǎng)格狀線上相對彼此四分之一周期,以保證產(chǎn)生的頻率信號σi和σ′i相位相差90°。σi和 σ′i可以分別是余弦和正弦信號 ,

其中,vg為柵狀信號數(shù),vt為在柵格平面上圖像運動數(shù),t是時間,幅值A(chǔ)的大小取決于vg。

基準(zhǔn)信號發(fā)生器產(chǎn)生的基準(zhǔn)信號σr的頻率值要求并不十分嚴(yán)格,要大于σi和σ′i的頻率,通常為 10～30 kHz/s,σr經(jīng)過移相器輸出相位相差90°的信號 σ′r,

其中fr是基準(zhǔn)信號頻率。

σi和σr經(jīng)第一調(diào)制器后輸出信號σp為:

σ′i和σ′r經(jīng)第二調(diào)制器后輸出信號σ′p為:

σr和σ′p經(jīng)過加法器線性相加后輸出信號σc為:

其中σc和σr分別為相位速度檢測裝置的兩個輸入信號,相位速度檢測裝置輸出信號v中包含被檢測圖像像速和表征圖像運動方向的參量。

3.4 光程差法

光程差法也稱分光法,是美國專利5745226[13],如果已知景物運動動速度可以確定像速,反之如果已知像速可以確定景物運動速度,該方法最大的優(yōu)點就是不需要確定測量裝置與景物之間的實際距離。

光程差法使用一對速高比傳感器,即v/H傳感器,它們放置的位置距離景物不同,即存在固定的光程差Δh,如圖6所示。

圖6 光程差法原理圖Fig.6 Diagram of optical path difference method

圖中景物運動速度是v0,鏡頭 1像平面上像移速度為vi1,鏡頭 2像平面上像移速度為vi2,va1和va2分別是圖像在像面上的角速度,其大小與景物運動的角速度相等,則有:

采用相同焦距的鏡頭則vi1和vi2相等,統(tǒng)一記為vi,則根據(jù)公式為:

其中S1、S2、Δh為系統(tǒng)固定幾何尺寸,v0可利用GPS或多普勒雷達(dá)測出,由此可以由式 (20)計算出像移速度vi,而不需要知道測量裝置與景物之間的實際距離。

光程差法也可以采用一組v/H傳感器,利用光學(xué)器件將光路分成兩個光程不同的傳輸支路,根據(jù)式(20)也可實現(xiàn)像速的測量。如圖7所示系統(tǒng)景物光線經(jīng)分光器 1和 2產(chǎn)生兩路光線,第一路是透射光線,第二路是折射光線經(jīng)折迭反射鏡反射后再經(jīng)過分光器,與第一路光線匯聚。兩路光線的光程差即為Δh。

圖7 采用一組 v/H傳感器的光程差法結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Schematic diagram of optical path difference using a set ofv/Hsensors

3.5 直接計算法

利用多普勒雷達(dá)測出相機(jī)及載體飛行速度v,利用激光測高儀測出相機(jī)及載體距離被測景物高度H,直接計算出v/H。

4 結(jié)束語

目前,航天相機(jī)使用的 CCD主要依賴進(jìn)口,由于西方軍事強(qiáng)國的某些高性能 CCD是軍事禁售品而無法獲得,CCD技術(shù)的相對落后已成為制約我國航天成像質(zhì)量提高的一個瓶頸,而自主研發(fā)高性能 CCD是當(dāng)前的重中之重。

研究表明,就補償方法而言,隨著 CCD等感光器件的廣泛應(yīng)用及精度的提高,數(shù)字式的像移補償法必將成為研究的重點內(nèi)容,而多種像移補償方法的結(jié)合應(yīng)用必將成為研究的一個方向。

根據(jù)目前微電子學(xué)的發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步,像移補償裝置將會向如下方向發(fā)展:

(1)光機(jī)電一體化,適用范圍廣;

(2)工作v/H范圍寬,精度高;

(3)體積小、重量輕,可隨相機(jī)安裝在飛機(jī)或吊艙上;

(4)低功耗,功耗小于 10W;

(5)低成本,高可靠性。

另外,隨著航空相機(jī)與偵查平臺的快速發(fā)展,速高比的獨立獲取勢在必行,測量像速的裝置也逐步成熟并迅速發(fā)展。前文介紹的幾種速高比計都是采用模擬式的方法實現(xiàn)的,而隨著 CCD器件的廣泛應(yīng)用,DSP、ARM等高速微處理的出現(xiàn)和技術(shù)的成熟使得速高比計的數(shù)字化、實時化、小型化成為發(fā)展的趨勢和重點研究內(nèi)容。因此,文中提到的平行狹縫法可以采用面陣 CCD作為敏感元件探測矩形光柵輸出信號的頻率[14],并采用ARM9系列微處理器對圖像進(jìn)行處理。關(guān)于速高比的測量,目前也提出了多種方法,可根據(jù)任務(wù)所需設(shè)計出不同類型和用途的測速裝置,以確保得到滿足要求的照相分辨率。

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