航空成像系統(tǒng)檢調(diào)焦技術(shù)分析與展望

黃厚田 ，王德江，沈宏海，高玉軍

(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)院航空光學(xué)成像與測量重點實驗室，吉林長春130033;3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

1 引言

航空成像系統(tǒng)工作過程中由于工作環(huán)境(主要為溫度、壓力)變化導(dǎo)致光學(xué)元件曲率半徑、透鏡間的空氣間隔、鏡片間的空氣折射率及結(jié)構(gòu)件的實際尺寸發(fā)生變化，造成離焦，從而降低了光學(xué)系統(tǒng)的整機(jī)調(diào)制傳遞函數(shù)與成像質(zhì)量。長焦距、高分辨率的航空相機(jī)為了獲得高清晰的地面圖像，必須對成像系統(tǒng)的離焦量進(jìn)行補(bǔ)償，高精度的自動檢調(diào)焦技術(shù)是研制航空相機(jī)的核心技術(shù)之一［1-5］。

與地面成像系統(tǒng)相比，航空成像系統(tǒng)由于其工作環(huán)境的特殊性對調(diào)焦技術(shù)提出了一些特定的要求。首先，由于航空成像系統(tǒng)的搭載平臺為高速運行的飛行器，成像系統(tǒng)對感興趣區(qū)域的駐留時間極為有限，因此要求自動檢調(diào)焦機(jī)構(gòu)能夠在短時間內(nèi)完成光學(xué)系統(tǒng)焦平面的調(diào)整，從而確保成像系統(tǒng)能夠?qū)崟r地對目標(biāo)進(jìn)行偵察、定位［6］;其次，隨著航空成像系統(tǒng)焦距的持續(xù)增加以及探測器光敏像元尺寸的逐步減小，航空成像系統(tǒng)理論上能夠達(dá)到的地面分辨率越來越高，為了能夠在實際飛行中獲得高分辨率的圖像，一般要求成像系統(tǒng)的離焦誤差小于半焦深，這對調(diào)焦系統(tǒng)的檢焦精度提出了很高的要求［7-8］;再次由于飛機(jī)的前向飛行、俯仰、橫滾等運動，航空成像系統(tǒng)在調(diào)焦過程中一直處于“動基座”工作狀態(tài)，因此要求自動檢調(diào)焦機(jī)構(gòu)能夠克服外界擾動對調(diào)焦過程的影響，即在動基座條件下仍能保持調(diào)焦精度與調(diào)焦效率［9］;最后，由于航空成像系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)的特殊性，即在災(zāi)情監(jiān)測，對敵偵察等突發(fā)性應(yīng)用領(lǐng)域要求航空成像系統(tǒng)具有極高的可靠性，不能由于某個分系統(tǒng)(尤其是對成像質(zhì)量具有重要影響的檢調(diào)焦分系統(tǒng))的失效而影響了任務(wù)的整體實施。根據(jù)上述要求，航空成像系統(tǒng)在發(fā)展過程中逐漸形成了3種檢調(diào)焦技術(shù)方案，分為程序標(biāo)定法、光學(xué)自準(zhǔn)直法、圖像調(diào)焦法，這3種方法幾乎涵蓋了當(dāng)前所有的航空成像系統(tǒng)的檢調(diào)焦技術(shù)方案［10］。近年來隨著光場成像理論的發(fā)展，以及能夠?qū)崿F(xiàn)光場成像技術(shù)的新型成像器件的成功研制，基于光場的自動檢調(diào)焦技術(shù)在檢焦精度、檢焦效率以及檢焦可靠性等方面體現(xiàn)了極大的優(yōu)勢［11］。

本文首先對航空成像系統(tǒng)3種傳統(tǒng)檢調(diào)焦技術(shù)的工作原理、優(yōu)缺點進(jìn)行了比較，然后著重對基于光場成像理論的檢調(diào)焦技術(shù)方案進(jìn)行論述，最后對我國未來航空成像系統(tǒng)檢調(diào)焦技術(shù)的發(fā)展做出了展望。

2 傳統(tǒng)檢調(diào)焦技術(shù)

2.1 程序標(biāo)定法

航空相機(jī)的離焦主要是由大氣壓力、溫度和成像距離的變化引起的。程序標(biāo)定法是通過相機(jī)上安裝的溫度、壓力和GPS傳感器實時采集探測相機(jī)所處的環(huán)境，根據(jù)溫度、大氣壓力和拍攝高度與離焦量之間的先驗關(guān)系，計算出系統(tǒng)當(dāng)前的離焦量，然后進(jìn)行調(diào)焦補(bǔ)償。

大氣壓力的變化使空氣折射率發(fā)生改變，造成相機(jī)鏡頭焦距變化，引起離焦。由大氣壓力變化引起的離焦量表示為:

式中，Δf為離焦量，f為透鏡焦距，P為環(huán)境大氣壓力，P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力，na為空氣折射率，ng為玻璃折射率。

溫度的改變使鏡頭玻璃各鏡面的熱膨脹系數(shù)改變，導(dǎo)致折射率、曲率半徑、鏡間間隔和鏡箱長度等參數(shù)發(fā)生變化，造成離焦現(xiàn)象。溫度變化引起的離焦量表示為:

式中，f為鏡頭焦距，α為金屬線膨脹系數(shù)，Φ為溫度變化1℃鏡頭的離焦系數(shù)，ΔT為溫度變化量。

航空相機(jī)成像時，成像高度和成像角度一般是變化的，即成像斜距是變化的。根據(jù)物像共軛關(guān)系，物距變化則像距也發(fā)生變化，產(chǎn)生的離焦量為:

基于傳感器的自動調(diào)焦方法示意圖如圖1所示。

圖1 基于標(biāo)定法的自動調(diào)焦原理示意圖Fig.1 Diagram of the programming focusing technique

為了工程應(yīng)用的需要，對由大氣壓力、溫度引起的離焦量進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)仿真，得到航空相機(jī)的大氣壓力、溫度變化量與離焦量一一對應(yīng)的數(shù)據(jù)擬合曲線。當(dāng)航空相機(jī)上的傳感器采集到工作環(huán)境的大氣壓力和溫度值時，通過查表方式可以得到當(dāng)前相機(jī)對應(yīng)的離焦量值，如最早研發(fā)的推掃型線陣航空相機(jī)MAEO即采用程序標(biāo)定法進(jìn)行自動調(diào)焦。然而這種方法需要大量的模擬實驗，在模擬環(huán)境下標(biāo)定離焦量與溫度、壓力、拍攝距離等的先驗關(guān)系，雖然調(diào)焦速度快，但是標(biāo)定時需要大量的計算，并且存在建模誤差和機(jī)械系統(tǒng)誤差。調(diào)焦屬于開環(huán)控制，系統(tǒng)無反饋，因此調(diào)焦精度不高，因此其在高分辨率航空載荷中的應(yīng)用受限。

2.2 自準(zhǔn)直檢焦方法

航空相機(jī)在飛行過程中，由于環(huán)境中溫度、大氣壓力的改變和成像距離的變化引起離焦現(xiàn)象。航空相機(jī)除了采用溫控系統(tǒng)和隔熱材料等來降低溫度變化對焦面的影響外，還應(yīng)用了自動調(diào)焦技術(shù)來補(bǔ)償溫度變化、壓力變化造成的離焦。自準(zhǔn)直調(diào)焦方法原理圖如圖2所示。

圖2 自準(zhǔn)直調(diào)焦方法原理圖Fig.2 Principle of auto-focusing with automatic calibration

相機(jī)在拍攝前，首先利用自準(zhǔn)直方法進(jìn)行自動檢焦。相機(jī)在進(jìn)行自動檢焦時，相機(jī)鏡頭前方的傾斜掃描反射鏡旋轉(zhuǎn)至與光軸垂直的狀態(tài)，由發(fā)光二級管發(fā)出的光源照亮位于鏡頭物方焦平面上的光柵，光線經(jīng)過物鏡及鏡頭前方掃描反射鏡反射回來，再次經(jīng)過物鏡成像在像方光柵上，并在光電探測元件上產(chǎn)生一個光調(diào)制信號。

當(dāng)相機(jī)準(zhǔn)確對焦時，反射回來的物方光柵像與像方光柵重合，調(diào)制信號幅值最大。當(dāng)相機(jī)離焦時，反射回的物方光柵像落在像方光柵前面或后面，此時產(chǎn)生的調(diào)制信號幅值低于重合時的幅值。通過檢測光調(diào)制信號的幅值，判斷相機(jī)是否準(zhǔn)確對焦。

圖3 合焦時和離焦時的調(diào)制信號圖Fig.3 Modulating signal in focus superposition and defocusing

航空相機(jī)在每次拍攝之前，相機(jī)進(jìn)行自準(zhǔn)直調(diào)焦過程。通過自準(zhǔn)直調(diào)焦后，系統(tǒng)對無窮遠(yuǎn)準(zhǔn)確對焦，此時相機(jī)所處的飛行環(huán)境中溫度和大氣壓力與地面環(huán)境相差很大，通過自準(zhǔn)直調(diào)焦過程，由溫度和大氣壓力引起系統(tǒng)的離焦量得到了補(bǔ)償。當(dāng)相機(jī)對某一距離成像時，由溫度和大氣壓力引起的離焦量已經(jīng)被補(bǔ)償，系統(tǒng)只需要通過距離成像公式補(bǔ)償系統(tǒng)由距離產(chǎn)生的離焦量。KA112、KS146等長焦距高分辨率航空偵察相機(jī)均采用光學(xué)自準(zhǔn)值法，圖4為KA112A光學(xué)自準(zhǔn)值調(diào)焦光路圖。

圖4 KA112A光學(xué)自準(zhǔn)值調(diào)焦光路圖Fig.4 Optical auto-collimation focusing diagram for KA112A

光學(xué)自準(zhǔn)直法對光機(jī)結(jié)構(gòu)有特殊要求，即在光學(xué)入瞳前需要掃描反射鏡，從而才能實現(xiàn)檢調(diào)焦光路的閉合，而在緊湊型航空光學(xué)偵查平臺中，在入瞳前端沒有掃描反射鏡，因此光學(xué)自準(zhǔn)直法應(yīng)用領(lǐng)域受限。另一方面光學(xué)自準(zhǔn)直在檢焦過程中需要反射鏡不斷地掃描配合，耗費時間長，例如KA112A一次檢調(diào)焦所需時間約為60 s，周九飛等提出的改進(jìn)型光學(xué)自準(zhǔn)直調(diào)焦法調(diào)焦時間仍需20 s以上［12］。

2.3 基于圖像對比度的調(diào)焦法

基于圖像對比度調(diào)焦法是一種建立在搜尋過程上的調(diào)焦方式，成像系統(tǒng)通過鏡頭直接對景物成像，采集到一系列連續(xù)數(shù)字圖像，系統(tǒng)選擇某一種評價函數(shù)判斷一系列圖像中哪一幅處于最佳對焦位置。

對焦開始時，系統(tǒng)處于離焦?fàn)顟B(tài)，拍攝的圖像較模糊，圖像反差低;對焦過程中，系統(tǒng)調(diào)整鏡頭(或者成像平面)連續(xù)移動，拍攝的圖像由模糊變得清晰，再變得模糊;系統(tǒng)記錄下一系列的圖像，計算每一幀圖像的評價函數(shù)值，評價函數(shù)值最大的圖像對應(yīng)成像最清晰的位置，并給出反饋信號控制鏡頭移動到該位置，采集的圖像達(dá)到最清晰，最終完成調(diào)焦。圖5為采用圖像調(diào)焦法獲得的圖像序列圖，從中可以看出，靶標(biāo)圖案的清晰度與離焦深度呈現(xiàn)對應(yīng)關(guān)系。

圖5 反差對焦原理示意圖Fig.5 Schematic diagram of the contrast auto-focusing

這個搜尋過程需要相同成像參數(shù)下的多幅圖像，所用圖像越多則聚焦精度越高。基于圖像調(diào)焦法的一項主要研究內(nèi)容為評價函數(shù)的選取，理想的調(diào)焦評價函數(shù)要求具有單峰值、準(zhǔn)確性、靈敏度高、計算量小等優(yōu)點。目前文獻(xiàn)中提出的評價函數(shù)多種多樣，主要包括空間域函數(shù)、頻率域函數(shù)和統(tǒng)計學(xué)函數(shù)等［13-24］，下邊列出了幾種典型的評價算法數(shù)學(xué)表達(dá)方法。

方差函數(shù)利用函數(shù)灰度的標(biāo)準(zhǔn)偏差作為調(diào)焦評價函數(shù)，其表達(dá)式為:

梯度函數(shù)(垂直方向)絕對值之和:

梯度函數(shù)(水平方向)絕對值之和:

拉普拉斯變換絕對值之和:

拉普拉斯變換絕對值平方:

傅里葉變換高頻分量絕對值之和:

式中，I(u，v)為 i(x，y)的傅里葉變換。

小波變換系數(shù)之和:

式中，ck為小波系數(shù)。

圖像調(diào)焦法不需要專用調(diào)焦組件，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉;以最終成像為檢測對象，更為準(zhǔn)確。這種調(diào)焦方式對圖像質(zhì)量的實時評價，避免了由于數(shù)學(xué)模型的不確定而引起的調(diào)焦誤差，并且不受鏡頭和測量組件變化的影響。這種方法具有檢焦判據(jù)靈活多樣、調(diào)焦系統(tǒng)更加集成化和自動化、調(diào)焦精度高等優(yōu)點。圖像調(diào)焦法是大多數(shù)高級戰(zhàn)術(shù)偵察平臺與偵察吊艙采用的調(diào)焦方法，如RecceLite偵察吊艙，美國的全球鷹偵察系統(tǒng)均采用此法。

圖像調(diào)焦法要求獲得的圖像序列為同一景物，且要求導(dǎo)致圖像質(zhì)量退化的唯一因素為焦平面的改變，這在航空成像系統(tǒng)的應(yīng)用中頗具挑戰(zhàn)性，但由于視軸穩(wěn)定系統(tǒng)精度的限制將導(dǎo)致采集的圖像幀與幀之間不匹配，且由于像移補(bǔ)償系統(tǒng)精度以及帶寬的限制，將導(dǎo)致單幀圖像存在像移，且?guī)c幀之間的像移不一致。因此圖像調(diào)焦法能否成功實施，關(guān)鍵在于對采集的圖像樣本序列的預(yù)處理工作，且對這些圖像的預(yù)處理不應(yīng)單純以圖像算法處理為核心，而應(yīng)深入結(jié)合航空成像系統(tǒng)總體成像原理與成像過程中的各種狀態(tài)信息，以提高圖像調(diào)焦法的精度及魯棒性。

2.4 3種方法的性能比較

表1列出了程序標(biāo)定法、光學(xué)自準(zhǔn)直法以及圖像對比度法3種檢調(diào)焦方法的參數(shù)性能比較。

表1 3種調(diào)焦方法性能參數(shù)對比Tab.1 Comparison of performance parameters of three focusing methods

從表1可以看出，程序標(biāo)定光機(jī)適應(yīng)能力前，檢焦速度快，但檢焦精度依賴與環(huán)境模擬精度;光學(xué)自準(zhǔn)直法檢焦精度高，且不依賴于外界因素，但其光機(jī)適應(yīng)性差，且速度較慢;圖像對比度法光機(jī)適應(yīng)性強(qiáng)，但其精度依賴與載荷在對焦過程中的整體工作參數(shù)。綜上3種方法均有其利弊，在工程實際中需要結(jié)合具體要求選擇適當(dāng)?shù)姆椒ā?/p>

3 基于光場成像理論的自動檢調(diào)焦技術(shù)

3.1 光場成像基本理論

光場是表示光輻射分布的函數(shù)，反映了光波動強(qiáng)度與光波分布位置和傳播方向之間的映射關(guān)系。在幾何光學(xué)中，光場指的是光線強(qiáng)度在空間中的位置和方向分布，該分布函數(shù)可用光線與兩個平行平面的交點坐標(biāo)來進(jìn)行參數(shù)化的表示，如圖6所示。

L(u，v，x，y)表示光場的一個采樣，其中各變量:L為光線強(qiáng)度，(u，v)和(x，y)分別表示光線在光瞳與探測器像面上的交點坐標(biāo)。

傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)所采集到的光場分布如圖7所示。探測器像面上每個點接收來自整個光瞳的光線，然后進(jìn)行積分，像面(x，y)處的光照度為:

圖6 四維光場參數(shù)表征Fig.6 Light field parameters in 4-dimension

式中，(u，v)為鏡頭出瞳面上的坐標(biāo)。

圖7 傳統(tǒng)成像光場表征Fig.7 Traditional light field imaging characterization

可見，傳統(tǒng)成像系統(tǒng)所探測到的光場只能反映其強(qiáng)度和位置(x，y)之間的關(guān)系，而損失了(u，v)方向信息。

光線方向信息與景物的立體信息是息息相關(guān)的，而景物平面的立體信息對應(yīng)到像平面上則對應(yīng)兩種狀態(tài)，聚焦與離焦。下面針對不同情況進(jìn)行論述。

3.1.1 聚焦情況下的光場分布

聚焦?fàn)顟B(tài)的光場成像示意圖如圖8(這里僅選擇場的一維相互對應(yīng)信息，即u、x平面)。將此過程采用坐標(biāo)的形式進(jìn)行描述，由于聚焦時來自不同方向的光線會聚于像平面上的一點，該坐標(biāo)圖為一條垂直的直線。

圖8 聚焦時的方向光線示意圖Fig.8 Diagram of light direction in focus

3.1.2 離焦情況下光場的分布

光學(xué)系統(tǒng)的離焦分為兩種，如圖9與圖10所示，在(u，x)平面可以清晰的看出，離焦時不同方向的光線分散到不同的探測器像元中，因此造成了像的模糊。

3.1.3 光場信息記錄

傳統(tǒng)的焦平面陣列對應(yīng)的每個元，如x0處的像元只能記錄從－u0到+u0所有方向的光線，而不能分別記錄，如圖11左圖所示。如果在焦平面x0處能將不同方向的光線記錄下來，則可以對光線的方向信息進(jìn)行恢復(fù)，如圖11右圖所示。

3.2 基于微透鏡的光場相機(jī)

基于微透鏡陣列的光場相機(jī)結(jié)構(gòu)示意如圖12所示。

主光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)為:

微透鏡光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)為:

圖9 前離焦時成像示意圖，方向光線示意圖Fig.9 Diagram of image and light direction in front defocus

圖10 后離焦時成像示意圖，方向光線示意圖Fig.10 Diagram of image and light direction in backwards defocus

當(dāng)FL=F時，單個微透鏡覆蓋的探測器光敏元與主光學(xué)系統(tǒng)成共軛關(guān)系，每個光敏像元對應(yīng)主光學(xué)系統(tǒng)上的一部份，如圖13所示。

圖11 光線記錄方式的細(xì)分Fig.11 Light recording mode subdivision

圖12 微透鏡陣列光場相機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.12 Schematic of light field camera with microlens array

圖13 不同方向光線的記錄Fig.13 Records of light in different directions

采用此方法，單個微透鏡元與其所覆蓋的探測器光敏像元組成了一個等效的新的像元，且該像元能夠?qū)崿F(xiàn)光線方向信息的記錄。圖14為聚焦情況相鄰兩個的紅、藍(lán)點目標(biāo)經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制對應(yīng)的(u，x)平面分布圖，此時收集的所有光線均會聚到 x0、x1點。

圖14 聚焦情況下光線的收集Fig.14 Light collection in focus superposition

圖15為離焦情況下(u，x)平面分布圖，雖然由于離焦的作用藍(lán)球與紅球?qū)?yīng)的光線彌散到周圍的像素中，但由于每個像素對應(yīng)的點能夠獨立記錄來自不同方向的光線，沿著紅線與藍(lán)線傾斜的方向?qū)⒐饩€收集起來，則可以實現(xiàn)離焦?fàn)顟B(tài)下的重聚焦。

圖15 離焦情況下光線的收集Fig.15 Light collection in defocus

4 航空成像系統(tǒng)檢調(diào)焦展望

4.1 基于光場成像理論的快速檢調(diào)焦方法

傳統(tǒng)的光場相機(jī)要求記錄的光線方向信息越多越好，產(chǎn)生這種觀念的原因是只有記錄的方向信息越多，相機(jī)重聚焦能力以及三維重建能力越強(qiáng)。但是通過微透鏡陣列實現(xiàn)的光場相機(jī)，提高方向分辨率主要有兩個手段:

(1)降低探測器像元尺寸;

(2)提高單個微透鏡像元尺寸;

受限于光學(xué)系統(tǒng)的衍射斑，為了防止成像混疊，探測的像元尺寸不可能無限減小，且當(dāng)前的CMOS探測器的像元尺寸已經(jīng)與光學(xué)系統(tǒng)的衍射斑可相互比擬。在探測器像元尺寸一定的情況下，提高單個微透鏡元的尺寸也可以提高光線的方向記錄能力，但這卻是以犧牲空間分辨率為代價的。例如一個微透鏡元覆蓋的探測器元為N×N，則此時的等效像元尺寸即為微透鏡的像元尺寸，像元分辨率降低了N倍。

2013年，佳能公司推出了70D數(shù)碼相機(jī)，其本質(zhì)上也是一款光場相機(jī)，不同的是每個微透鏡下僅對應(yīng)兩個像元，像元排布結(jié)構(gòu)如圖16所示。

圖16 佳能70D數(shù)碼相機(jī)像元排布圖Fig.16 Pixel arrangement of Canon 70D camera

佳能的全像素雙核CMOS自動對焦技術(shù)的核心是:在一個像素中置入兩個相互獨立的光電二極管，兩個二極管分別接受來自鏡頭兩側(cè)的光信號。

圖17 佳能70D CMOS像素結(jié)構(gòu)圖Fig.17 Pixel structure of Canon 70D CMOS camera

這種方法是將相位檢測系統(tǒng)微縮到了成像傳感器的像素結(jié)構(gòu)中，用像素表面的微透鏡代替獨立對焦組件的透鏡，用像素半邊感光的方式起到鏡頭光束分離的作用，用兩個像素的組合代替線性傳感器。相機(jī)成像時，像素左右獨立的二極管分別接受來自鏡頭兩側(cè)的光信號，兩側(cè)的光信號分別成像，系統(tǒng)通過左右兩側(cè)的像實現(xiàn)相位檢測對焦。

圖18 佳能自動對焦方法示意圖Fig.18 Diagram of auto-focusing technique for Canon cameras

每個像素在制造時即被分為左右兩部分，讀出時左右兩半部分像素分別讀出。當(dāng)合焦時，左像元組成的圖像與右像元組成的圖像完全一致。當(dāng)離焦時左右兩半部分圖像產(chǎn)生了與離焦量成比例關(guān)系的相位差，根據(jù)下式計算離焦量:

根據(jù)式(7)即可實現(xiàn)單幅圖像的調(diào)焦。

圖19 合焦與離焦時的左右圖像相位關(guān)系Fig.19 Phase relationship of the two images in(a)focus and(b)defocus

系統(tǒng)應(yīng)用相位檢測技術(shù)對圖像調(diào)焦時，只用單幅圖像即可完成系統(tǒng)調(diào)焦過程，調(diào)焦速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)成像系統(tǒng)的連續(xù)實時追焦功能。在航空相機(jī)中應(yīng)用相位法調(diào)焦，利用單幅圖像實現(xiàn)調(diào)焦過程，與上述其他方法相比，極大地提高了調(diào)焦速度，并且調(diào)焦過程不受像移和振動的影響，這在目前的檢調(diào)焦應(yīng)用中具有重要意義。

4.2 新型基于圖像對比度航空相機(jī)檢調(diào)焦方法

基于圖像的檢調(diào)焦方法直接利用相機(jī)拍攝的地面景物作為檢調(diào)焦樣本，避免了檢焦過程中的基準(zhǔn)傳遞，是最直接的方法;且基于圖像對比度的檢調(diào)焦方法不需要外界的輔助檢調(diào)焦機(jī)構(gòu)，僅憑成像系統(tǒng)自身就可完成任務(wù)，不受光機(jī)結(jié)構(gòu)限制、成像譜段限制。由于該方法具有上述特性，國內(nèi)眾多的科研機(jī)構(gòu)對該技術(shù)開展了預(yù)研，且在地面仿真實驗過程中獲得了良好的效果，但該項技術(shù)在我國的航空遙感載荷，尤其是高分辨率航空相機(jī)中仍無法應(yīng)用，其主要原因為航空遙感載荷的成像平臺為動機(jī)座，圖像對比度檢調(diào)焦方法采集的序列幀與幀之間存在著不匹配，幀間圖像的像移量不同等因素，這降低了傳統(tǒng)的圖像檢調(diào)焦方法的可靠性，極易導(dǎo)致檢焦失敗。因此新一代基于圖像對比度的檢調(diào)焦方法必須解決以下問題:

(1)圖像光照度歸一化，對快門、外界陽光引起的光照度非均勻性進(jìn)行統(tǒng)一;

(2)圖像匹配處理，對多幀圖像之間進(jìn)行景象匹配，達(dá)到對同一目標(biāo)進(jìn)行處理;

(3)多幀圖像之間像移量不匹配，對多幀圖像之間的不匹配進(jìn)行預(yù)處理;

(4)大氣激流對連續(xù)多幀圖像質(zhì)量影響研究。

在解決上述問題的前提下，對于圖像對比度的新一代自動檢調(diào)焦技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。

5 結(jié)束語

自動檢調(diào)焦技術(shù)是影響航空成像系統(tǒng)分辨率的核心技術(shù)。檢調(diào)焦技術(shù)涉及的學(xué)科種類眾多，不是單純依賴某一專項技術(shù)(如圖像圖形處理)就能夠?qū)崿F(xiàn)的，從本文論述的航空成像系統(tǒng)自動檢調(diào)焦技術(shù)發(fā)展歷程來分析，這是一門融合航空相機(jī)工作原理、光學(xué)成像原理、精密機(jī)械加工、圖像信息處理以及探測器光敏原理的綜合技術(shù)。例如結(jié)合航空相機(jī)光機(jī)結(jié)構(gòu)、成像原理以及精密機(jī)械加工等技術(shù)提出了光學(xué)自準(zhǔn)直調(diào)焦法，隨著光敏元件的數(shù)字化，結(jié)合航空相機(jī)成像原理與圖像處理技術(shù)提出了圖像調(diào)焦法。隨著新型光場成像原理的提出以及支撐該技術(shù)的探測器的出現(xiàn)，國際領(lǐng)先的數(shù)碼相機(jī)研制集團(tuán)提出了基于光場成像的自動檢調(diào)焦技術(shù)，由于該技術(shù)具有單幅圖像高精度調(diào)焦能力，因此在航空成像領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。相信隨著設(shè)計航空相機(jī)各領(lǐng)域綜合技術(shù)的不斷進(jìn)步，制約當(dāng)前航空成像系統(tǒng)調(diào)焦精度、調(diào)焦效率的瓶頸將不斷被突破。

［1］ 趙志彬，劉晶紅.基于圖像功率譜的航空光電平臺自動檢焦設(shè)計［J］.光學(xué)學(xué)報，2010，30(12):3495-3500.ZHAO ZH B，LIU J H.Power spectra-based auto-focusing method for airborne optoelectronic platform［J］.Acta Optica Sinica，2010，30(12):3495-3500.(in Chinese)

［2］ 許兆林，趙育良，張國棟.新型航空相機(jī)自動調(diào)焦系統(tǒng)的設(shè)計［J］.電光與控制，2011，18(4):77-80.XU ZH L，ZHAO Y L，ZHANG G D.Design of an auto-focusing system for a new type of aerial camera［J］.Electronics Optics Control，2011，18(4):77-80.(in Chinese)

［3］ 周懷得，劉金國，張立平，等.線陣——面陣CCD三線陣立體測繪相機(jī)焦平面組件的研制［J］.光學(xué) 精密工程，2012，20(7):1492-1497.ZHOU H D，LIU J G，ZHANG L P，et al..Development of focal plane module for three-line LMCCD mapping cameras［J］.Opt.Precision Eng.，2012，20(7):1492-1497.(in Chinese).

［4］ 劉磊.空間三反相機(jī)調(diào)焦范圍的確定［J］.光學(xué) 精密工程，2013，21(3):631-636.LIU L.Focusing range of space off-axial TMA optical camera［J］.Opt.Precision Eng.，2013，21(3):631-636.(in Chinese)

［5］ 劉炳強(qiáng)，張帆，李景林，等.空間相機(jī)調(diào)焦機(jī)構(gòu)運動同步性誤差分析［J］.中國光學(xué)，2013，6(6):946-951.LIU B Q，ZHANG F，LI J L，et al..Analysis of synchronous motion error for focusing mechanism of space camera［J］.Chinese Optics，2013，6(6):946-951.(in Chinese)

［6］ IYENQAR M，LANGE D.The Goodrich 3th generation DB-110 system:operational on tactical and unmanned aircraft［J］.SPIE，2006，6209:1-12.

［7］ LI Z H，WU K Y.Autofocus system for space cameras［J］.Optical Engineering，2005，44:1-5.

［8］ 楊會生，張銀鶴，柴方茂，等.離軸三反空間相機(jī)調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計［J］.光學(xué) 精密工程，2013，21(4):948-954.YANG H SH，ZHANG Y H，CHAI F M，et al..Design of focusing mechanism for off-axis TMA space camera［J］.Opt.Precision Eng.，2013，21(4):948-954.

［9］ WU J G，ZHENG ZH ZH，F(xiàn)ENG H J，et al.Restoration of TDI camera images with motion distortion and blur［J］.Optics Laser Technology，2010，42(1):1198-1203.

［10］ 朱鶴，梁偉，高曉東.航空相機(jī)光電自準(zhǔn)直檢調(diào)焦系統(tǒng)［J］.光電工程，2011，38(3):35-39.ZHU H，LIANG W，GAO X D.Autofocusing system with opto-electronic auto-collimation method for aerial camera［J］.Opto-electronic Engineering，2011，38(3):35-39.(in Chinese)

［11］ 周志良.光場成像技術(shù)研究［D］.北京:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2012.ZHOU ZH L.Research on light field imaging technology［D］.Beijing:University of Science and Technology of China，2012.(in Chinese))

［12］ 周九飛，翟林培，周剛.航空成像設(shè)備自動調(diào)焦方法［J］.光學(xué)學(xué)報，2010，30(1):105-108.ZHOU J F，ZHAI L P，ZHOU G.Auto-focus method of aerial imaging device［J］.Acta Optica Sinica，2010，30(1):105-108.(in Chinese)

［13］ LIN H Y，CHANG CH H.Depth from motion and defocus blur［J］.Optical Engineering，2006，45(2):1-12.

［14］ ASLANTAS V，PHAM D T.Depth from automatic defocusing［J］.Optics Express，2007，15(3):1011-1023.

［15］ TIAN Y B.Autofocus using image phase congruency［J］.Optics Express，2011，19(1):261-270.

［16］ TIAN Y B，SHIEH K，WILDSOET C F.Performance of focus measures in the presence of nondefocus aberrations［J］.J.Opt.Soc.Am.A.，2007，24(12):B165-B173.

［17］ LI Q X，BAI L F，XUE S F，et al.Autofocus system for microscope［J］.Optical Engineering，2002，41:1289-1294.

［18］ SUBBARAO M，CHOI T，NIKZAD A.Focusing techniques［J］.Optical Engineering，1993，32:2824-2836.

［19］ CHOI K S，LEE J S，KO S J.New autofocusing technique using the frequency selective weighted median filter for video cameras［J］.IEEE Trans.Consum.Electr.，1999，45:820-827.

［20］ ZHANG Y，ZHANG Y，WEN C.A new focus measure method using moments［J］.Image Vis.Comput.，2000，18:959-965.

［21］ KAUTSKY J，F(xiàn)LUSSER J，ZITOVA B，et al.A new wavelet-based measure of image focus［J］.Pattern Recogn.Lett.2002，23:1785-1794.

［22］ HOLST G C.Electro-optical Imaging System Performance［M］.Bellingham:PIE Optical Engineering Press，2008.

［23］ FIETE R D，TANTALO T.Image quality of increased along-scan sampling for remote sensing systems［J］.Opt.Eng.，1999，38:815-820.

［24］ LIN H Y，CHANG C H.Depth from motion and defocus blur［J］.Opt.Eng.，2006，45:815-820.